民用飞机工程模拟器设计研究①

总结了一般民用飞机工程模拟器研制过程中所涉及的关键技术，最后对民用飞机工程模拟器在型号研制中的工程应用进行了阐述，对于民用飞机工程模拟器的研制和在飞机型号研制中的应用具有一定的工程借鉴意义。

关键词：工程模拟器 飞行仿真 控制律 飞行品质

中图分类号：V249.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0007-02

工程模拟器是现代先进民用飞机研制必不可少的设计和验证试验设备。波音、空客等著名飞机制造商在其飞机研制中都使用了工程模拟器。二战期间，德国人率先用电器机械部件研制了世界上第一台工程模拟器进行导弹飞行控制系统的研究[1]。空客A320飞机在研制过程中使用了三种构型的工程模拟器，分别用于飞行控制与自动飞行控制系统设计评估、操纵特性与人机接口的研究、PFD试验、飞行管理系统试验等任务。通过飞行员在模拟器上参与评估，对飞行控制律的设计与优化，飞行品质的改进，相关系统操纵部件特性的改善，大大缩短了飞机相关任务的研制周期，降低了试飞风险。

1 工程模拟器功能

根据对工程模拟器设计需求及要求承担任务的不同，工程模拟器可具备相应的功能。一般来说，民用飞机工程模拟器可承担以下飞机研制任务。

（1）飞行控制律设计、验证与优化。

（2）飞机操纵性、稳定性和飞行品质的分析与评估。

（3）飞行控制系统风险科目验证试验。

（4）飞机相关系统操纵部件特性评估。

（5）飞机各相关系统性能匹配性研究和评估。

（6）首飞试飞机组初步培训。

（7）支持飞机改型设计等。

2 工程模拟器组成

一般来说，对于固定基座的民用飞机工程模拟器主要由以下分析系统组成。

（1）主飞行仿真系统：主要包括飞机的飞行动力学仿真和运动学仿真，风模拟仿真，发动机系统仿真，液压系统仿真，起落架和刹车系统仿真，APU系统仿真，电源和燃油系统仿真等功能。

（2）飞行控制仿真系统：主要模拟主飞行控制系统，高升力系统和自动飞行系统功能。

（3）操纵负荷系统：操纵负荷系统主要为飞行员提供逼真的座舱操纵感觉，在飞行、地面滑行过程中，以及故障状态下的操纵特性模型。

（4）座舱结构：主要模拟真实的飞机驾驶舱结构布局以及模拟器试验所需的平台。

（5）驾驶舱设备仿真：主要模拟飞机相关系统的操纵部件、各类控制开关和控制板等。

（6）航电仿真系统：主要模拟通信系统、指示和记录系统、导航/监视系统等功能。

（7）视景和音响系统：主要模拟飞机运行的环境和音响效果。

（8）接口及网络系统：主要实现驾驶舱操纵部件与主飞行仿真计算机以及其它各模拟系统之间通讯和数据传输功能。

（9）仿真控制台：对整个模拟器系统进行有效的监视和控制，可实现模拟器试验所需的参数设置及数据记录等功能。

如需要模拟比较真实的过载，还可以增加六自由度运动系统，来模拟飞机的瞬时过载动感、一定范围内的姿态角变化动感和部分抖动冲击信号等引起的飞机响应。

3 工程模拟器总体设计

3.1 工程模拟器顶层结构设计

工程模拟器驾驶舱操纵器件、各类开关手柄信号通过接口系统采集到后，经计算处理后再通过千兆以太网或反射内存网建立内部通讯，实现主飞行仿真系统、飞行控制仿真系统、航电仿真系统、视景仿真系统、仿真控制台等相关信号相互之间的传输，一般民用飞机工程模拟器的顶层结构图见图1。

3.2 工程模拟器网络架构总体设计

民用飞机工程模拟器的网络构架主要包括实时计算机、网络设备和计算机软件。实时计算机是整个工程模拟器的主控计算机，实现主要系统数学模型的实时解算，通过建立分布式实时计算网络系统，将主飞行仿真系统、飞行控制仿真系统、接口系统、视景系统、声音仿真系统、操纵负荷系统、航电仿真系统、仿真控制台等连接起来，实现运行同步控制和数据交互。一般民用飞机工程模拟器的网络架构见图2。

3.3 工程模拟器软件设计

民用飞机工程模拟器软件设计可采用模块化的设计思想，各仿真系统的模型都作为独立的运算模块，各模块之间的信号传输类型尽量同飞机类似。

工程模拟器软件涵盖飞机各系统及应用控制软件模块，模块数量很多，需顶层协调好各软件模块的计算频率和时序控制，正确实现各软件模块之间的数据传输。各系统可由初始化软件模块和主程序模块组成，各系统外部接口与其它系统软件的数据交换通过数据共享区实现。各系统内部接口功能模块之间的数据交换通过交联变量实现。图3是以飞行控制仿真系统为例进行的软件架构及各功能模块的调用关系。

4 工程模拟器研制所涉及的关键技术

4.1 仿真模型及数据包开发

各系统仿真模型的准确度是反映飞机总体性能、飞行品质的关键，准确地建立各系统数学模型及各种飞行数据库对工程模拟器成功研制至关重要。各仿真系统采用数学模型进行描述，要尽可能准确地模拟，就需要能反映各系统真实特性的大量数据，特别是后期的试飞数据。国外在各种型号飞机飞行仿真、模拟器研制过程中建立了大量的飞行数据库，同时也积累了丰富的经验，拥有成熟技术。目前，尽管国内在系统建模上取得了一些成果，在工程模拟器上得到了应用，但系统仿真模型及数据包的开发，仍是工程模拟器成功研制中的关键技术。

4.2 实时仿真技术

实时操作系统能够在确定的时间内执行计算或处理功能，并对外部的异步事件做出响应[2]。在系统的硬件已经确定的条件下，实时系统的性能很大程度上取决于所采用的实时操作系统，因此，对于实时操作系统的选择对工程模拟器的研制非常重要。在实时仿真、半实物仿真中，QNX、VxWorks、RTX这3种操作系统应用较为广泛；在嵌入式应用方面，QNX、VxWorks的可靠性很高，而很少采用RTX。在工程模拟器研制方面，这3种操作系统在实时性方面均能满足模拟器要求。在国内各模拟器应用单位中，都根据各自已有的资源以及工程师对相关实时操作系统技术的掌握情况，选择了不同的实时操作系统应用到模拟器的实时仿真技术中。

4.3 模拟器综合集成和调试

工程模拟器是集多种飞机模拟系统为一体的高度综合化的试验设备，处理的数据类型很多，包括各类模拟量和数字量；相关接口也很复杂，有模拟离散量接口，有传输总线接口，有软件模块之间的接口，还有实物与仿真设备之间的接口；仿真计算量也很大，并且计算精度要求高，不仅要求各系统逼真度高，更重要的是要求各仿真系统必须能够协调工作，在整体上给人以真实感，由于高度复杂的系统交联关系，因此在全系统集成和调试时难度较大。

5 工程模拟器的应用

工程模拟器的应用贯穿于飞机设计的全过程。

在设计初期，可以使用工程模拟器对飞机总体及飞机相关系统技术方案、驾驶舱布局等进行评定。

在研制阶段，工程模拟器为飞行员提供了尽可能逼真的飞行环境，飞行员通过操纵工程模拟器，观察飞行仪表，感受窗外视景、过载、音响等来评定飞机的飞行控制律、飞行品质和飞机相关系统操纵部件的特性，并给出反馈意见。工程师依据飞行员的意见对飞行软件、系统操纵部件特性以及再驾驶舱内布局等进行修改后，让飞行员再到工程模拟器上去飞行，经过多次迭代而设计出满意的飞机飞行控制律、飞行品质和飞机相关系统操纵部件等。

在设计后期，还可以在工程模拟器上安装真实的飞机相关系统操纵设备及计算机，进行部分高风险科目验证试验和首飞试飞员的初步培训工作。

6 结语

工程模拟器是现代先进民用飞机研制必不可少的高度综合化的试验设备，本文介绍了一般民用飞机工程模拟器的功能和组成，给出了一般民用飞机工程模拟器的顶层结构、网络架构和软件的设计方法，对工程模拟器的研制及在型号中的应用具有一定的工程借鉴意义。

参考文献

[1]向立学.工程模拟器是现代飞机设计必不可少的工具[J].国际航空，1995（7）：41-43.

[2]刘松强.实时计算机系统[M].北京：学苑出版社，1994：24-47.

[3]王精业.仿真器的现状与发展[C].第五届全国仿真器学术会议论文集，2004（8）：2-8.

[4]王行仁.飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[5]U.S Federal Aviation Administration， Helicopter Simulator Qualification， Advisory Circular AC 120-63[Z]. November，1994.

[6]张雅妮，李岩，金镭.电子飞控飞机的飞行品质适航验证[J].飞行力学，2012，30（2）：118-119.