飞行模拟器发展中的关键技术

飞行模拟器发展中的关键技术

孟凡铎

天津华翼蓝天科技股份有限公司天津300384

摘要：飞行模拟器是现代航空工业中必备的基础设备，它以飞行仿真为主体，飞行模拟器的研制是一个复杂的工程。通常按功能分为工程型飞行模拟器和训练型飞行模拟器。文章简要阐述了飞行模拟器的基本组成和各部分的功能、现状和关键技术，最后给出了几项关键技术的发展趋势。

关键词：飞行模拟器;飞行仿真;发展；基本组成

1前言

飞行模拟器的出现在航空工业领域已有较长的历史，它几乎是伴随着航空器的发展而同步发展的一个航空子领域。飞行模拟器已经成为和风洞、喷气发动机试验台、结构环境实验设备并列为航空四大实验研究设施，其技术涉及到机电控制、导航制导与控制、计算机控制、计算机、图形图像、虚拟现实、人体工程学等多个学科的知识，是多学科交叉集成的高科技产品，它能够在地面逼真的再现飞机的飞行特性，在民用和军事上发挥着重要的作用。目前国外发达国家飞行器的研发技术比较成熟，已经形成规模庞大的产业而我们国家在飞行模拟器方面发展还很不成熟，民航模拟器基本全部依赖进口，而进口一台全任务飞行模拟器的价格在一千万美元以上，同时维护费用也相当昂贵。因此研究其基本组成、关键技术和发展对我们国家有着迫切的需求和重要意义。

2飞行模拟器的基本组成

飞行模拟器是典型的人在回路仿真系统，训练型飞行模拟器可以复现空中飞行环境，用于对飞行员进行起飞、着陆、爬升、转弯、机动飞行等训练，也可用于对飞机飞行性能、飞机操纵品质、机载系统性能进行分析研究，它主要由以下五部分组成:模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台。飞行模拟器是飞机设计研制的重要工具。飞行模拟器在飞机设计研发试验中需要提供一个简洁合理的人机界面、安全有效地试验数据记录功能。通过飞行模拟器可以及早发现问题，减少风险；对机载系统进行综合验证，解决各系统之间的动态匹配关系；加速系统试验过程，缩短研制周期；分析解决飞机试飞后发现的技术问题；使飞行员及早参与飞机的设计研制工作。

3计算机系统

计算机系统是飞行模拟器中最重要的部分，相当于飞行模拟器的神经中枢，该系统承担着控制各个系统和解算数学模型的任务。计算机将实时采集的飞行员操纵信息和教员控制指令信息与飞行各个系统变化规律进行解算，并将计算得到的各种参数输往视景、仪表、音响、运动等各个系统，使飞行员从视觉、触觉、听觉等方面感受“飞机”的飞行情况。计算机系统通常由数字计算机、过程通道和软件系统等组成。这里主要介绍软件系统，即飞机的动力学系统。

飞行动力学系统是模拟器中最主要的一个软件系统，主要进行仿真直升机空气动力特性，解算直升机的六自由度非线性全量运动方程，仿真直升机飞行时旋翼、机身和尾桨等及其相互间影响的力和力矩，模拟大气环境对飞直升机的影响。其主要由气动模块、运动方程模块、旋翼模块、尾桨模块、质量模块、环境模块和动力模块等组成。

4飞行仿真系统

4.1飞行仿真系统的总体框架

飞行仿真系统是飞行模拟器的一个主要软件系统，由于飞行模拟器许多分系统的驱动信号都需要飞行系统提供，所以该系统的建模、编程数据的选取及预处理都直接影响着对飞机特性的仿真逼真度和决定飞行模拟器的等级。图1表明一个典型的飞行模拟器飞行系统的主要组成部分，各模块之间以及飞行系统与其它系统之间的关系。

图1中飞行参数主要包括姿态(滚转角、偏转角和滚转角)、位置、加速度和角加速度等。气动系数包括横侧向气动系数和纵向气动系数，横侧向气动系数包括侧力系数、偏航力矩系数和滚转力矩系数;纵向气动系数包括升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数。

4.2模型建立

飞行仿真系统作为飞行模拟器的核心其建模是至关重要的，主要由“气动模块”、“运动方程模块”、“起落架力和力矩模块”三部分另加其它模块组成，例如气动数据、质量特性、大气、毁坏、紊流和风、重定位等。

在建模过程中，从力和力矩求解飞机位置和姿态的时候可以采用通用的数学模型，而由于不同飞机的气动特性差别很大，因此“气动系数”模型应建立特殊的模块。所以在设计飞行仿真软件结构应包括:本地管理程序、初始化程序、各个功能各异、相对独立的应用子程序以及所需要的数据文件。飞行速率实时调度。例如“质量特性”用1/8速率，“紊流模块”用1/4速率等。这样可以减少计算负荷，满足实时仿真的要求。

4.3模型验证方面

仿真模型的精确度及仿真结果的置信度是飞行仿真系统研制中的关键，而VV＆A(校核、验证和确认)已经成为保证M＆S(建模与仿真)具备高可信度不可或缺的工作，贯穿于整个仿真系统的全生命周期，每个阶段都有自己相应的工作模式。图2为建模与仿真的VV＆A工作模式和过程。

VV＆A评估(VVA)模块使用的方法主要包括定性、定量、综合分析方法。对于动态数据主要采用基于古典谱窗估计、最大熵谱估计等各种谱分析方法，对于静态数据有u检验法、K—S检验法以及相应的区间估计法，综合分析法包括层次分析法、专家评判等。随着VV＆A越来越标准化，为了减轻VV＆A工作人员的负担和重复性劳动，LewvisＲobert研究了VV＆A快速计划工具、VV＆A管理者辅助工具，M．Graffagnini研究了VV＆A文档模板等，这些工具的研究与开发使VV＆A工作实现了一定程度的自动化。

5运动系统

运动系统主要用来模拟飞机的姿态和速度变化，使飞行员感觉到飞机的运动，并且与真实飞机的动感相一致。运动系统主要运用动感仿真技术，即应用计算机软件生成特定的驱动激励信号，去驱动执行机构，同时产生运动或抖振的实时仿真技术。

动感仿真主要有平台式运动系统、抖振座椅、抗荷服过载座椅等方法。动感仿真领域主要运用六自由度平台运动系统，其中以飞行模拟器应用最多。并联六自由度机构有电动、气动及液压驱动3种方式。目前国内外的六自由度运动平台，广泛采用液压驱动方式，即由6只液压缸，上下各6只铰链和上下2个平台组成。下平台固定在基础上，通过计算机软件和液压伺服系统来控制6只液压缸的伸缩运动，完成上平台在空间6个自由度的运动，从而模拟出各种空间运动姿态。平台的运动学特性，利用ADAMS分析软件进行了模拟与仿真。目前国外出现的电驱动和电、气混和动力的六自由度平台技术，其承载能力也越来越强，应用将会更加广泛。

6具体事例—ARJ21飞行模拟器关键技术分析

ARJ21飞机飞行模拟器的工程仿真与实现涉及多个专业和学科，模拟器结构为整个系统搭建完整的平台，提供合理、便捷的安装环境和维护通道；主控计算机提供模拟器各系统的仿真软件运行环境；视景系统为模拟器使用者提供逼真的地理环境和场景环境信息；接口系统采集座舱的仪表、控制盒、电气开关、指示灯等信号，并转换成数字信息给仿真软件；音响系统采用数字仿真的手段模拟环境音响和飞机内的音频、警告等效果；操纵负荷系统提供飞行驾驶的杆力、杆位移等效果模拟；系统控制台为整个模拟器提供便捷的人机控制界面；工程师平台为飞机设计人员提供开放的仿真件建模、验模的平台；模拟器整机的电源管理系统提供模拟器各系统稳定的强、弱电。从ARJ21飞机飞行模拟器的具体项目和目前技术发展的情况，ARJ21飞机飞行模拟器项目的关键技术主要包括以下几个方面：总体设计、工程师平台的设计与实现、操纵负荷系统的选型与仿真实现、各分系统的建模与仿真、模型库/数据库的建立、建模与仿真支撑环境、网络技术、可视化技术。

7结语

随着模拟器的作用日益得到相关单位的认可，对模拟器品质的要求也不断提高，以前简易的飞机驾驶机构已经不能满足飞行训练和工程验证的需要。模块化、层次化的仿真要求，是后续模拟器仿真技术的发展方向。同时，对于模拟器关键系统的研发和性能提升也开始了广泛的研究和国际合作，目的是进一步降低研制风险、周期和经费。随着我国大飞机研制项目的启动，也将带动工程模拟的技术进步和快速发展。

参考文献：

[1]张镭.飞行模拟器飞行仿真系统建模与软件实现[D].哈尔滨工业大学,2009.

[2]栗英杰.飞行飞行模拟器关键技术研究[D].吉林大学,2012.

[3]刘福龙.飞行模拟器自动驾驶仪的研究与开发[D].哈尔滨工业大学,2007.

[4]刘金锋.飞行飞行模拟器视景系统的分布式仿真研究[D].吉林大学,2015.