張樂萍 羅世彬 劉勛 王巖樂/ 中南大學(xué)航空航天學(xué)院 中國民用航空上海航空器適航審定中心

0 引言

飛機(jī)的模擬設(shè)備在世界航空工業(yè)史中有著里程碑式的意義。20 世紀(jì)初，美國和法國率先有了飛機(jī)模擬器的雛形[1]；到20 世紀(jì)50 年代，真正用于飛機(jī)研制的工程模擬器在歐美等發(fā)達(dá)國家陸續(xù)出現(xiàn)，此時的模擬器雖然設(shè)備簡陋、功能單一，但對推動模擬與仿真技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展至關(guān)重要。到20 世紀(jì)70 年代，飛機(jī)模擬器隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而突飛猛進(jìn)，此后各式各樣的模擬設(shè)備廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的科研、設(shè)計、制造、運(yùn)營等領(lǐng)域[2]。

在我國，飛機(jī)的工程模擬器首先于20 世紀(jì)90 年代在軍用飛機(jī)上得到應(yīng)用。近年來，工程模擬器發(fā)展迅猛，無論是軍機(jī)還是民機(jī)，飛機(jī)總體設(shè)計單位還是系統(tǒng)設(shè)計單位都在使用、研究工程模擬器。我國的C919 和ARJ21 等大型飛機(jī)都廣泛使用工程模擬器對設(shè)計進(jìn)行分析、評估和優(yōu)化。

1 概況

1.1 定義

中國民用航空CCAR-60 部《飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則》附錄E 中對各類飛行模擬設(shè)備進(jìn)行了簡單定義及分類，但CCAR-60 部并未對工程模擬器進(jìn)行定義。

飛行模擬機(jī)是指用于駕駛員飛行訓(xùn)練的航空器飛行模擬機(jī)。它是按特定機(jī)型、型號以及系列的航空器座艙一比一對應(yīng)復(fù)制的，包括表現(xiàn)航空器在地面和空中運(yùn)行所必需的設(shè)備和支持這些設(shè)備運(yùn)行的計算機(jī)程序、提供座艙外景象的視景系統(tǒng)以及能夠提供動感的運(yùn)動系統(tǒng)（提示效果至少等價于三自由度運(yùn)動系統(tǒng)產(chǎn)生的動感效果），并且最低滿足A級模擬機(jī)的鑒定性能標(biāo)準(zhǔn)[3]。

工程模擬器，簡稱工模，是一種供研制設(shè)計人員使用的綜合設(shè)備，是一種多學(xué)科綜合的、人在回路的實(shí)時仿真系統(tǒng)[4]。主要提供盡可能逼真的飛行環(huán)境，通過具有豐富飛行經(jīng)驗(yàn)的飛行員或工程技術(shù)人員操縱模擬器，觀察飛行顯控設(shè)備和儀表，感受座艙外視景、音響等，來評定飛行性能和飛行品質(zhì)，對系統(tǒng)的設(shè)計提出修改意見[5]。

1.2 飛行模擬機(jī)與工程模擬器的差別

從上述定義中不難看出，飛行模擬機(jī)與工程模擬器存在一定差別。

1）功能不同。飛行模擬機(jī)主要用于駕駛員的飛行訓(xùn)練，它的訓(xùn)練類型和任務(wù)要求較為規(guī)范；而工程模擬器主要供設(shè)計研制人員進(jìn)行設(shè)計、試驗(yàn)和驗(yàn)證，不同型號的工程模擬器的任務(wù)區(qū)別較大。

2）構(gòu)造及要求不同。飛行模擬機(jī)是針對某一特定型號飛機(jī)而設(shè)計制造的，構(gòu)造明確，駕駛艙布局及儀表與真實(shí)飛機(jī)有極高的逼真度，很少進(jìn)行改造或升級；而工程模擬器的構(gòu)造是根據(jù)型號及任務(wù)需要的變化而變化的，通用性高、功能強(qiáng)大、適應(yīng)性廣、易于改型和升級。

3）管理方式不同。飛行模擬機(jī)須按照規(guī)章要求向局方申請并通過鑒定，最低應(yīng)滿足A 級模擬機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)；而工程模擬器的管理更自由、靈活，不需要通過局方的鑒定認(rèn)可。

1.3 功能及意義

工程模擬器對于民用飛機(jī)的意義重大。首先，它環(huán)境可控、易于改型，能人為創(chuàng)造試驗(yàn)環(huán)境且重復(fù)性高，不僅能減少飛機(jī)的設(shè)計風(fēng)險，還能提高設(shè)計效率。其次，模擬器試驗(yàn)收效快，能加快試驗(yàn)進(jìn)程，有效縮短設(shè)計研制周期。最后，模擬器試驗(yàn)便捷、費(fèi)用低，可以大幅度節(jié)約設(shè)計研制經(jīng)費(fèi)。

工程模擬器主要有以下功能：

1）駕駛艙布局及選型的研究與評估；

2）人機(jī)工效及優(yōu)化的研究與評估；

3）工程心理及人為因素的研究與評估；

4）飛機(jī)氣動布局設(shè)計及優(yōu)化的研究與評估；

5）飛機(jī)控制律的設(shè)計、分析及優(yōu)化的研究與評估；

6）飛機(jī)失速特性的研究與評估；

7）飛行品質(zhì)及人感特性的研究與評估；

8）動力裝置性能的研究與評估；

9）飛行管理系統(tǒng)的研究及評估；

10）系統(tǒng)安全性的研究與評估；

11）多系統(tǒng)交聯(lián)與動態(tài)匹配的研究與評估；

12）支持試飛機(jī)組及地面人員的培訓(xùn)；

13）支持飛機(jī)的地面試驗(yàn)及試飛；

14）地面試驗(yàn)和試飛的問題復(fù)現(xiàn)、故障分析及排故研究；

15）用于MOC8 試驗(yàn)來表明符合性。

2 組成和構(gòu)造

根據(jù)型號和任務(wù)的不同，民用運(yùn)輸類飛機(jī)工程模擬器的組成和構(gòu)造稍有差異，但至少都包括座艙及飛行儀表、視景系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、控制臺以及主計算機(jī)系統(tǒng)等幾大模塊。典型工程模擬器的物理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1）駕駛艙及飛行儀表：是工程模擬器主要的操縱、輸入及仿真效果輸出的硬件設(shè)備。駕駛艙為飛行員提供逼真的駕駛環(huán)境，飛行儀表實(shí)時指示或顯示各種飛行參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。

2）視景系統(tǒng)：是工程模擬器最主要的視覺仿真設(shè)備，用于向飛行員實(shí)時展示地面或空中的場景變化。視景系統(tǒng)能夠仿真座艙外的景象，包括機(jī)場、跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌、活動目標(biāo)等，同時可模擬能見度、霧、雨、雪、閃電等氣象條件，還能模擬白天、黃昏、夜間等 景象。

3）運(yùn)動系統(tǒng)：是工程模擬器上模擬飛機(jī)運(yùn)動的設(shè)備，用于驅(qū)動整個模擬座艙，模擬飛機(jī)在空中或地面的運(yùn)動，為飛行員提供過載和姿態(tài)變化的感覺。目前，最常采用的平臺式運(yùn)動系統(tǒng)是六自由度運(yùn)動系統(tǒng)，能模擬飛機(jī)的橫向、縱向、升降、俯仰、偏航、橫滾六種運(yùn)動，以及飛機(jī)的起飛、著陸、顛簸、失速、抖振等狀態(tài)。

4）聲音系統(tǒng)：是工程模擬器最主要的聽覺仿真效果設(shè)備，用于向飛行員提供各種外界聲音效果，如發(fā)動機(jī)噪聲、氣流噪聲、起落架收放音以及襟縫翼收放音等。特別要說明的是，飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的通信、告警聲音雖然也是工程模擬器聲音仿真環(huán)境的一部分，但不屬于聲音系統(tǒng)而屬于告警系統(tǒng)。

5）操縱負(fù)荷系統(tǒng)：是工程模擬器上模擬飛機(jī)操縱系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)力感應(yīng)特性的設(shè)備，用于向飛行員實(shí)時提供飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)和不同操縱模式下的操縱載荷力感覺和配平感覺。

6）教員臺：是教員/試飛工程師進(jìn)行設(shè)置、實(shí)現(xiàn)各類功能控制并進(jìn)行綜合管理的設(shè)備。應(yīng)具備一個友好的人機(jī)界面，用于設(shè)置試驗(yàn)科目、初始條件、飛行參數(shù)、機(jī)場條件、故障模式及特情等[7]。模擬控制臺不僅可以對試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、試驗(yàn)回放、數(shù)據(jù)分析等，還能進(jìn)行系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)的建立、優(yōu)化和驗(yàn) 證[9]。

7）主計算機(jī)系統(tǒng)：是工程模擬器的核心，用于實(shí)時解算飛機(jī)各個仿真模型并管理工程模擬器的運(yùn)行過程。主計算機(jī)系統(tǒng)解算的仿真模型大致包括質(zhì)量模型、動力學(xué)模型、氣動模型、飛控模型、環(huán)境模型、大氣模型、外干擾模型、發(fā)動機(jī)模型、起落架模型、機(jī)載系統(tǒng)模型、航電仿真模型等。

除以上幾大模塊外，工程模擬器一般還應(yīng)具備航電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接口及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、接口監(jiān)測和軟件調(diào)試系統(tǒng)、空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、機(jī)外通信系統(tǒng)等。

圖1 典型工程模擬器的物理結(jié)構(gòu)圖

3 工程模擬器的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 工程模擬器的總體設(shè)計

工程模擬器是一種定制化產(chǎn)品，完成需求分析和任務(wù)規(guī)劃是工程模擬器總體設(shè)計的基礎(chǔ)。

工程模擬器在總體設(shè)計時，首先，應(yīng)確定其軟硬件的頂層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代工程模擬器普遍采用了模塊化設(shè)計理念。其次，工程模擬器涵蓋了飛機(jī)的各系統(tǒng)及應(yīng)用軟件，總體設(shè)計時還應(yīng)考慮各模塊之間的內(nèi)部通信與信號傳輸邏輯，協(xié)調(diào)各模塊的工作頻率和時序[5]。此外，總體設(shè)計時應(yīng)規(guī)劃計算機(jī)實(shí)時解算數(shù)學(xué)模型后如何與各模塊連接、如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時的運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)交互，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計。最后，總體設(shè)計還應(yīng)充分考慮工程模擬器在不同設(shè)計階段的任務(wù)需求和資源，考慮數(shù)據(jù)、模型和組件的擴(kuò)展性和兼容性。

工程模擬器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其工程仿真與試驗(yàn)涉及多個專業(yè)與學(xué)科，工程模擬器各系統(tǒng)和模塊有著明確的分工和任務(wù)，但又相互關(guān)聯(lián)、相互影響，因此，工程模擬器在總體設(shè)計時要統(tǒng)籌設(shè)計、兼顧管理。

3.2 工程模擬器的仿真模型庫

工程模擬器各系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確度將直接影響工程模擬器的總體性能和品質(zhì)[5]，因此，準(zhǔn)確建立各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫也是工程模擬器設(shè)計研制工作的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一。

工程模擬器各系統(tǒng)在建立數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)充分研究原系統(tǒng)的物理特性，以保證數(shù)學(xué)模型的合理性和準(zhǔn)確性，建模時要充分考慮飛機(jī)的故障條件、故障模式等。目前，我國在系統(tǒng)建模方面已積累了一定經(jīng)驗(yàn)和成果，并在工程模擬器上得到了應(yīng)用，但早期的設(shè)計人員沒有意識到建立仿真模型庫和方法庫的重要性，導(dǎo)致好的經(jīng)驗(yàn)、方法和模型沒有得到有效的傳承，以至于我國工程模擬器建模水平難有進(jìn)一步提升和發(fā)展，國產(chǎn)仿真模型也一直存在使用困難、兼容性低等問題。

3.3 仿真模型建立及數(shù)據(jù)包開發(fā)

工程模擬器仿真模型及數(shù)據(jù)包的完整性、準(zhǔn)確性直接影響著工模的性能和逼真度[5]。不同系統(tǒng)的仿真模型及數(shù)據(jù)包在工模各研制階段的要求各不同，建模及開發(fā)數(shù)據(jù)包的方式也不相同。

在工模研制初期，氣動模型是根據(jù)計算數(shù)據(jù)、風(fēng)洞數(shù)據(jù)等來建模和提取數(shù)據(jù)包的，起落架、發(fā)動機(jī)、飛控等模型一般先由供應(yīng)商提供基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)包，液壓、燃油、電源、環(huán)控及其他機(jī)載系統(tǒng)通常先選用成熟通用模型及數(shù)據(jù)包。進(jìn)入試飛階段后，飛機(jī)設(shè)計研制單位先采集大量真實(shí)試飛數(shù)據(jù)，再結(jié)合其他工程數(shù)據(jù)組成一套完善的飛機(jī)數(shù)據(jù)體系，然后根據(jù)飛機(jī)性能和設(shè)計特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、校正、參數(shù)辨識，最后修正各系統(tǒng)模型并提取數(shù) 據(jù)包。

HB7504.6-1997《飛行模擬機(jī)設(shè)計與性能和數(shù)據(jù)要求》中對飛行模擬機(jī)仿真建模的數(shù)據(jù)做了一定要求，工程模擬器設(shè)計時可做一定參考。

在我國，仿真和試飛數(shù)據(jù)十分稀缺，無論是主機(jī)廠還是各系統(tǒng)研制單位，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析的能力都比較薄弱。由于知識產(chǎn)權(quán)等原因，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)的二次開發(fā)，甚至即使得到了國外成熟機(jī)型可借鑒的數(shù)據(jù)包也難以進(jìn)行擴(kuò)展和分析。因此，數(shù)據(jù)包的獲取和分析，是工程模擬器研制過程中的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

3.4 工程模擬器的綜合集成技術(shù)

工程模擬器高度集成了飛機(jī)的各系統(tǒng)，涉及多個專業(yè)與學(xué)科，應(yīng)能給飛行員和工程師以真實(shí)的操縱感受和結(jié)果。工程模擬器的功能強(qiáng)大、任務(wù)繁雜、數(shù)據(jù)量龐大，且計算量巨大、計算精度高、接口復(fù)雜，不僅要求各系統(tǒng)仿真的逼真度高，更要求各系統(tǒng)交聯(lián)協(xié)調(diào)工作的逼真度高。因此，工程模擬器的集成技術(shù)要求非常高，集成和調(diào)試的難度也非常大。

3.5 工程模擬器的逼真度評定

隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)各系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，當(dāng)面對飛機(jī)試飛風(fēng)險過大、飛機(jī)或外部環(huán)境狀態(tài)無法到達(dá)、對飛行試驗(yàn)進(jìn)行合理增補(bǔ)以及特定場景下不同飛行員的重復(fù)性試驗(yàn)等情況時，可以考慮使用模擬器試驗(yàn)（MOC8 試驗(yàn)）來表明符合性，但前提是模擬器經(jīng)評定確認(rèn)具備相應(yīng)仿真能力。因此，在工程模擬器上開展型號飛機(jī)的各類研究及評估，尤其是進(jìn)行MOC8 試驗(yàn)來表明符合性時，必須先評定工程模擬器相對真實(shí)飛機(jī)的逼真度和可信度，以確保工程模擬器具備完成相應(yīng)試驗(yàn)的功能和達(dá)到與真實(shí)飛機(jī)一致的特定逼真度[6]。

在工程研究過程中，可以從模擬硬件的逼真度、模擬軟件（包括仿真模型和數(shù)據(jù)）的逼真度、開環(huán)模擬系統(tǒng)的逼真度、閉環(huán)模擬系統(tǒng)的逼真度、飛行員主觀評價逼真度、模擬任務(wù)的逼真度和模擬經(jīng)驗(yàn)的逼真度等方面進(jìn)行衡量。對飛行模擬器逼真度的評價包括定性的功能試驗(yàn)和定量的性能試驗(yàn)。

對于工程模擬器的逼真度評定，目前國內(nèi)外都還沒有完善的、系統(tǒng)的要求和方法，但在具體定量測試項(xiàng)目的選擇和容差標(biāo)準(zhǔn)等的確定上，可以參考FAR-60 部、ICAO-9625、CCAR-60 部等飛行訓(xùn)練模擬機(jī)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

工程模擬器作為現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計研制過程中不可或缺的綜合性驗(yàn)證設(shè) 備[8]，幾乎貫穿飛機(jī)設(shè)計研制的全生命周期，意義重大、作用突出。本文介紹了大型運(yùn)輸類民用飛機(jī)工程模擬器的組成與構(gòu)造、意義和功能，并對工程模擬器研制過程中的總體設(shè)計、模型庫建立、數(shù)據(jù)包開發(fā)、綜合集成、逼真度評定等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對工程實(shí)踐有一定借鑒意義。