直升机模拟器的现状和发展趋势研究

衡宁波，汪 沛

（空军航空大学军事仿真技术研究所，吉林 长春 130022）

目前，军用直升机已逐步成为一种现代化的高技术军事装备，受到世界各国的关注。而能否拥有型号齐全、技术先进、性能优越的军用直升机，已成为衡量一支军队现代化水平的标志之一，同时也是衡量一个国家武器装备先进程度的标志之一。据统计，在世界196个国家和地区中，有155个国家和地区拥有各种不同类型的军用直升机，也就是说全世界近80%的国家和地区拥有并使用军用直升机，尤其是美国的军用直升机的数量近乎占了全世界军用直升机总数量的一半。这进一步证明了军用直升机在军事装备建设和现代化战争中的重要地位。

近几年，世界各国在直升机的许多新概念、新技术、新功能等方面对战术对抗、战法演练、协同作战、装备训练提出了新的要求，而随着仿真技术的日渐成熟，直升机模拟器的出现，成为解决这些课题的重要手段。直升机模拟器应用于军事领域，主要表现在飞行试验、飞行驾驶训练和联网军事训练等方面。运用直升机模拟器进行训练，可以不受外界气象条件、飞行场地和空域的限制，降低飞行人员和飞机的风险，节约训练经费。另外，模拟器还可以模拟特情设置和训练，评定飞机性能，考核飞行训练技能。整个模拟训练过程具有可控性、可靠性、经济性和无破坏性。

直升机模拟器，按其类型和复杂程度的不同，结构也就不尽相同。一般的数字计算机控制的直升机模拟器，其基本分为以下5个部分：计算机系统、视景系统、运动系统、教员指挥控制台和模拟座舱。直升机模拟器的系统结构框图如图1所示。

图1 直升机模拟器的系统结构框图

1 计算机系统

计算机系统是直升机模拟器中最重要的部分，相当于直升机模拟器的神经中枢，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直升机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，即直升机飞行动力学系统。

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。典型飞行动力学系统的组成如图2所示，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。

图2 直升机飞行动力学系统的组成框图

1.1 发展现状

直升机模拟器的气动理论，主要建立在直升机相关理论基础上，国内外在直升机空气动力学领域的某些理论和技术，取得了突破性进展，主要表现在以下3个方面：

（1）旋翼气动理论和方法及其应用研究。旋翼空气动力学是直升机空气动力学的关键和基础，目前对旋翼气动理论和方法的研究，主要进行自由尾迹方法和旋翼CFD方法的研究。目前对于旋翼自由尾迹的研究，国外构建了以松弛尾迹求解准定常气动特性和时间推进方法分析非定常气动特性的两大计算体系，并逐步引入桨叶弹性影响分析旋翼的气动弹性响应特性[1]。鉴于直升机旋翼流场较固定翼的复杂性，对旋翼CFD方法的研究经历了4个阶段，即小扰动位势方程、全位势方程、Euler方程和Navier-Stokes方程阶段[2]，但对于旋翼CFD方法的研究，还只是处于理论阶段，离工程实用阶段还需要进一步的努力。

直升机飞行动力学研究核心，是具有直升机运动特性的飞行动力学数学仿真模型。目前的飞行动力学模型，主要采用弹性桨叶模型，并且将自由尾迹分析引入飞行动力学建模，但此模型存在数值稳定性较差和计算量较大等问题，还无法用于实时飞行仿真研究。系统辨识方法已成为新机研制和改型设计中的重要工具，其主要是从飞行测试得到的操纵输入和直升机响应之间的关系，辨识出直升机的气动导数和操纵导数，从而得到基于飞行试验数据分析结果的飞行动力学模型。

（2）直升机气动试验研究。目前，直升机气动试验技术和手段比较成熟。在翼型气动特性试验方面，对于翼型的静态和动态气动特性（分离、转捩位置等参数）的测量较为准确。在孤立旋翼气动特性试验方面，对旋翼性能、流场、桨叶表面压力分布、载荷等方面的试验研究较为成熟，还具有开展边界状态的非定常气动特性试验能力。在试验手段方面，LDV和PIV应用技术、微型动态压力传感器、压敏漆PSP技术、噪声测量技术以及试验结果处理技术都比较成熟。

1.2 发展趋势

（1）高精度、高效率的CFD方法将成为分析直升机气动特性的主要理论，同时通过对旋翼CFD方法与CSD方法和噪声理论的耦合研究，可以综合解决直升机的气动和动力学问题。

（2）直升机的气动设计更加注重多目标、多学科的综合优化设计，通过提升基于气动、动力学、声学等多学科的直升机性能、振动、噪声等目标特性最优的设计能力，将有效地提高直升机的舒适度、安全性，延长使用寿命。

（3）气动分析和设计研究逐步使用压敏漆PSP技术、微型动态压力传感器、LDV和PIV应用技术、噪声测量技术等先进技术。

2 视景系统

视景系统是可视操纵模拟系统的重要子系统，飞行员在实际操纵时，可以从视景系统提供的视景画面中，获得操纵对象运动的环境状况的视觉信息，并由此做出操纵决策和操纵动作。视景系统要不断接收计算机的输入信号，当模拟飞机沿着所模拟的飞行路线飞行时，计算机不断计算飞机的位置和姿态，从而不断地提供适合于每一个位置和姿态的视野[3]。

视景系统中运用的主要技术，就是视景仿真技术，是虚拟现实技术的最重要表现形式。视景仿真综合运用了计算机技术、图形处理与图像生成技术、信息合成技术、立体影像和音响技术、显示技术等高新技术。在开发软件方面，主要利用三维视景建模软件Multigen Creator建立了直升机、地形场景的视景模型，以三维仿真软件包OpenGVS作为图形开发引擎，利用DOF(Degrees of Freedom)技术实现了直升机旋翼、尾翼以及仪表指针的动态交互，基于VC++集成开发环境，应用Vega API编程技术，实现直升机视景仿真应用系统的全部设计功能[4]。

3 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[5]。平台的运动学特性，利用ADAMS分析软件进行了模拟与仿真[6]。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。

4 教员指挥控制台

教员指挥控制台是直升机模拟器的监控中心，是教员控制直升机模拟器各部分的工作，监视和控制飞行员操作训练的装置。一般都有仪表板、航迹记录仪、控制板、飞行条件给定板、计算机的外部设备、通信设备和故障设置板等几个部分。

其主要功能为：设置各种初始参数（如起飞位置、起飞航向、油量）及气象条件（场面气压、气温、风速、风向、能见度）、记录飞行参数和飞行轨迹、设置故障等。先进的教控台，还具有维护检测、考核、鉴定等功能。

5 模拟座舱

模拟座舱是直升机模拟器的主体。直升机模拟器座舱内部的形状、仪表、信号设置、操纵设备的布局，以及各仪表的指示部分形状和制式现象，都要与所模拟的真实直升机完全一样，以给飞行员座舱环境的逼真感。现在多数直升机模拟器的座舱，安装在运动系统的上平台上，座舱内的操纵设备通常连接着产生负荷的装置，称为操纵负荷系统，可根据飞行条件产生相应的负荷，使飞行员的手和脚上有操作力的感觉。座舱内还装有音响模拟系统，可以产生飞行中飞行员所能听到的某些音响效果。

6 结束语

直升机模拟器的发展，有助于新型直升机的研制与训练，而其中空气动力学新理论、新方法、新技术的突破和发展，直接推动着直升机模拟器的发展、性能和逼真度的提高。本文重点综述了直升机空气动力学的相关理论与技术方法的研究现状及未来发展趋势，论述了直升机模拟器的研究过程中仍然存在的难题，提出了一些研究的可行性方法。

[1]Wachspress D A,Keller J D,Quackenbush T R.High Fidelity Rotor Aerodynamic Module for Real-Time Rotorcraft Flight Simulation[J].AH-S 64th An-nual Forum,2008.

[2]陈平剑,李春华.直升机空气动力学现状和发展趋势[J].直升机技术，2009，（159）:122-125.

[3]陈 蕾.粒子系统理论及其在飞行模拟器实时视景仿真中的应用研究[D].长春:吉林大学，2004.

[4]栗英杰，刘 刚，沈 英.直升机飞行视景仿真实现[J].计算机仿真，2009，26（8）:22-25..

[5]谢艳平.具有360°回转功能的六自由度运动平台的优化设计[D].武汉：华中科技大学，2008.

[6]陈 聪，陈乐生.基于ADAMS的六自由度运动平台运动学分析[J].福州大学学报(自然科学版)，2007，35（1）:70-75.