基于HQRM的系统故障下的操纵品质评定技术

张海妮, 贾晓鹏, 程伟豪

(中国飞行试验研究院 飞机所, 陕西 西安 710089)

基于HQRM的系统故障下的操纵品质评定技术

张海妮, 贾晓鹏, 程伟豪

(中国飞行试验研究院 飞机所, 陕西 西安 710089)

在某型民用飞机系统故障状态下的操纵品质适航审定试飞中,首次成功地运用了操纵品质等级评定方法(HQRM)。结合该项试飞,研究总结了基于HQRM的操纵品质评定流程和概率计算方法,探讨了基于该方法的试验手段、试验任务及舵面卡阻位置的选取原则,并结合实例提出了一套更为合理的试验结果评定准则,研究结果可为国内其他运输类飞机的适航审定试验提供重要参考。

民用飞机; 电子飞行控制系统; 系统故障; 操纵品质评定; HQRM

0 引言

电子飞行控制系统(EFCS)已成为民用运输类飞机飞行控制系统设计实现的主流,用以对飞机进行增强控制。EFCS的应用会使飞机表现出许多新的设计特征,从而使其操纵品质随之改变。这些设计特征往往不能被当前使用的规章要求完全覆盖,继而有可能导致安全隐患。因此,美国联邦航空局制定了一种更加系统的适用于EFCS飞机的适航符合性评定方法——操纵品质等级评定方法(Handling Qualities Rating Method,HQRM)[1],以评定飞机的操纵品质。

某型民用飞机系统故障下的操纵品质评定试飞,使该方法在我国首次由理论转为实践,填补了国内该领域的空白。本文结合该型飞机系统故障下的操纵品质评定试飞,对基于HQRM的品质评定技术进行了分析,研究结果对国内其他运输类飞机的适航审定试验具有重要的参考价值。

1 适航要求

对于传统飞机,CCAR-25部第25.672(c)项[2]对系统故障下的操纵品质提出了明确要求,但该要求对安装有EFCS的飞机具有一定的不足。HQRM融合了系统故障、飞行包线及大气扰动等多个因素及其发生概率,对系统故障下的操纵品质提出了明确要求,可作为EFCS飞机的操纵品质评定依据。

通常情况下,除非在专用条件中特别申明,否则HQRM并不能替代CCAR-25部对于系统故障下的操纵品质评定要求。在某型民机的该项目试飞中,申请人制定了专用条件来替代25.672(c),专用条件要求:HQRM用于代替CCAR-25.672(c)评估由非极不可能发生的故障而形成的EFCS构型。该专用条件将飞机操纵品质分为三个等级,允许其随故障状态逐渐降级,并随大气扰动水平和在飞行包线中位置的不同而变化。

2 系统故障下的操纵品质评定流程

HQRM是一种面向飞行任务的适航符合性方法,依据选定的飞行任务完成典型的机动,可以评定飞机在系统故障下的操纵品质,从而判断其是否满足适航要求。具体评定流程如图1所示。

图1 基于HQRM的系统故障下的操纵品质评定流程Fig.1 Handing quality rating process with system failure based on HQRM

由图1可知,基于HQRM的品质评定主要包含四部分内容:(1) 系统故障、大气扰动和飞行包线等因素的单一概率及组合概率的计算;(2) 试验手段和任务的选择;(3) 试验实施;(4) 操纵品质评定。下面以某型民机副翼卡阻状态下的操纵品质评定试验为例,对相关关键技术进行分析阐述。

3 概率计算

根据HQRM评定指南,对组合概率小于10-9的状态,无需进行操纵品质评定,因此,组合概率的确定是进行该项目的前提。

3.1 系统故障概率

首先确定需要进行操纵品质评定的系统故障清单。该清单需从系统安全性分析的故障清单中筛选,主要考虑对飞机操纵品质有影响的状态。对飞机操纵品质产生的影响主要从飞机的响应/能力和驾驶员操纵两个方面进行评估。初步筛选出故障清单后,还需采用相似合并、临界覆盖等原则对清单进行进一步优化[3]。在某型民机该项目试验中,最终确定了包括副翼卡阻在内的系统故障清单。

系统故障概率通过主系统安全性分析确定。在某型民机该项目试飞中,根据系统安全性分析确定了其副翼卡阻概率。

3.2 飞行包线概率

根据HQRM评定指南,飞机的飞行包线分为三个等级,即正常飞行包线(概率为100)、使用飞行包线(概率为10-3)和极限飞行包线(概率为10-5)。

3.3 大气扰动概率

根据HQRM评定指南,大气扰动按强度大小可分为轻微的(概率为100)、中等的(概率为10-3)和严重的(概率为10-5)三个等级。

3.4 组合概率计算

将已确定的系统故障概率、飞行包线概率和大气扰动概率分别记为Xc，Xe和Xa,则组合概率为X=XcXeXa。

在计算实际组合概率时,除了需要考虑各因素之间的相互影响并对计算结果进行修正外,通常还需考虑下列因素:

(1)对不可能出现的系统故障和飞行包线组合情况,不予考虑。例如,丧失地面破升功能发生在特定飞行状态,不可能与使用飞行包线和极限飞行包线组合,因此不必考虑。

(2)对某些故障与使用飞行包线或极限飞行包线的组合,若其对飞机的影响程度并不高于该故障与正常飞行包线的组合,则仅需评定该故障与正常飞行包线的组合。

根据上述原则对某型民机副翼卡阻条件下的组合概率进行计算,并忽略组合概率小于10-9的情况,只有副翼卡阻与正常飞行包线及轻微大气扰动的组合满足条件。

4 飞行试验

4.1 试验手段的选取

基于HQRM的试验手段包括供应商试验室试验、铁鸟试验或系统综合试验、工程模拟器试验和飞行试验等,试验手段需要根据具体故障情况、遵循一定的流程选择并经局方认可后确定。

经分析,副翼卡阻会对某型民机飞机操纵品质产生影响,而且该故障状态可以通过在飞机上加装特殊的试验设备实现,因此最终选择飞行试验的方式作为验证该项目的试验手段。

4.2 试验任务的选取

在操纵品质评定过程中,具体选用哪种试验任务与系统故障形式和飞行包线有关,通常根据系统发生故障后产生的后果选择相应的飞行任务。

副翼卡阻主要会使飞机的横向操纵权限和效率降低,增加驾驶员操纵负担,在不可预知的情况下,可能会导致飞机失控。因此,在该故障条件下,飞机的横向操纵特性是操纵品质评定的重点。在某型民机副翼卡阻下的品质评定试飞中,最终选择了30°滚转角转弯机动、60°(从一侧30°到另一侧30°)滚转角滚转机动和模拟着陆的试验任务。

4.3 副翼卡阻位置的选取

参考ARAC 671[4],飞行试验中的副翼卡阻位置应该包括直至最大卡阻位置的任意值,对最大卡阻位置的选取应遵循以下原则:

起飞过程:飞机在速度V1、正侧风15 kn的条件下保持机翼水平对应的副翼偏度。

飞行过程:在相应的速度下能够保持12 (°)/s的滚转角速率所对应的副翼偏度,但该角度不能超过最大操纵输入所对应角度值的50%。

飞行试验时,需以上述原则为基础,结合仿真计算和模拟器试验结果确定最终的副翼卡阻位置。

4.4 飞行试验结果

某型民机在副翼卡阻的条件下执行选定的机动任务(HP=3.0 km,Vi=1.23VSR),相应的动态响应如图2～图4所示。由图2～图4可知，飞机在进行30°滚转角转弯过程中驾驶盘用量约为50%；滚转60°过程中滚转速度峰值约为20 (°)/s ；滚转时间小于4 s；模拟着陆过程中，据驾驶员评述，飞机响应正常，没有出现不安全的飞行特性。

图2 30°转弯机动时间历程Fig.2 Time histories of 30° turning maneuver

图3 60°滚转机动时间历程Fig.3 Time histories of 60° rolling maneuver

图4 模拟着陆时间历程Fig.4 Time histories of simulated landing

5 操纵品质评定

5.1 操纵品质等级评定

HQRM评定指南将飞机的操纵品质分为三个等级并分别给出了定性描述,驾驶员以此为据,结合试验结果对飞机的操纵品质进行评定。HQRM操纵品质等级与库伯-哈伯等级及军用标准等级的对应关系如表1所示。

表1 HQRM操纵品质等级与常规操纵品质等级的对应关系Table 1 Relation between HQRM handing quality rating and the conventional one

上述等级定义都属于定性描述,内容过于笼统,实际评定时驾驶员往往难于把握,很可能给出并不准确的结果。例如,某次副翼卡阻训练飞行中,飞机在进行60°滚转角过程中历时9 s,驾驶员凭此给出的HQRM评定结果为“C”。参考CS-25[5]对双发飞机滚转性能的要求(7 s内滚转60°)及CCAR-25部对单发飞机滚转性能的要求(11 s内滚转60°),这样的结果并不准确。

分析研究后发现,将飞机在正常状态下的规章(标准)要求与表1所述结合起来进行HQRM评定,往往会得到更为准确的试验结果。

表2给出了规章(标准)对正常状态下几种典型机动的操纵要求。通常情况下,若飞机在系统故障下的机动响应满足表2的要求,则可认为其操纵品质是满意的。实践证明,该试验结果评定准则更为合理。

表2 规章(标准)对于典型机动的操纵要求Table 2 Handling requirements for some typical maneuver of the regulations (standards)

在某型民机的副翼卡阻试验中,驾驶员根据飞行试验结果,参考表1和表2给出的HQRM评定等级为“S”。

5.2 适航符合性评定

HQRM评定指南给出了FAA可接受的最低操纵品质等级,若飞机的操纵品质优于或等于相应的等级要求,则认为其适航特性满足要求。

在某型民机的副翼卡阻试验中,系统故障和飞行包线的组合概率为不太可能的状态,根据最低操纵品质要求,在所评定的条件下,飞机的操纵品质等级应至少为“A”。因此,该飞机在副翼卡阻条件下的操纵品质符合适航要求。

6 结束语

飞机飞行控制系统由传统机械式向EFCS的转换促进了HQRM的发展。本文结合实例,对基于HQRM的操纵品质评定要求进行了分析,总结了评定流程和概率计算方法,阐述了试验手段、试验任务等的选取原则,指出传统试飞指南中试飞结果评定准则的弊端,并提出了更为完善合理的准则,初步形成了一套基于HQRM的品质评定程序。实践证明,该评定技术合理可行,具有一定的通用性,对国内其他运输类飞机系统故障下的操纵品质评定试验和试飞指南的编写具有重要的参考价值。

[1] FAA.AC25-7C Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:FAA, 2012.

[2] 中国民用航空总局.CCAR-25-R4 运输类飞机适航标准[S].北京:中国民用航空总局,2011.

[3] 张彤.HQRM方法在适航审定实践中的应用[J].飞行力学,2013,31(6):553-557.

[4] FAA.Flight controls harmonization working group recommendation letter-advisory material joint 25.671 [S].USA:FAA,2002.

[5] EASA.CS-25 Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplanes [S].Germany:EASA,2011.

[6] 中国人民解放军空军,航空工业部.GJB185-86 有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质[S].北京:国防科学技术工业委员会,1987.

(编辑：任亚超)

中国飞行力学与飞行试验第31届学术交流年会征文通知

中国飞行力学与飞行试验第31届学术交流年会拟于2016年8～9月举行,该会议由中国航空学会飞行力学与飞行试验专业委员会、国防口飞行力学协作攻关办公室<9510>和总装备部飞行力学研究与学术交流小组联合主办,由中国飞行试验研究院承办。

一、征文范围:(1)飞行器(含固定翼、旋翼机、特种飞行器)飞行特性及飞行品质研究;(2)现代战机能力要求及典型任务动作(如超视距空战、敏捷性、过失速机动及近距格斗等)飞行力学问题研究;(3)人-机系统飞行品质及评价技术研究;(4)舰载机飞行动力学研究;(5)导弹攻击区及弹丸、弹头落点精度研究;(6)导弹弹道优化设计和制导律研究;(7)航天器运行、返回轨道的测量、确定和控制技术研究;(8)飞行器飞行模拟和仿真技术及应用研究;(9)飞行器飞行试验技术和方法研究;(10)飞行器试验数据处理方法研究;(11)军机作战模式及作战效能评价技术研究;(12)飞行器适航性及验证评价技术研究;(13)无人飞行器系统设计及飞行试验评价技术研究;(14)飞行器设计及试验相关指南和规范研究;(15)近年来国外飞行力学与飞行试验的发展趋势和动态;(16)其他有关的飞行力学与飞行试验问题。

二、论文要求:(1)未在公开出版物或在全国性学术会议上交流过的论文;(2)全文以8000字为限,论文摘要100～300字;(3)论点明确,数据可靠,文责和保密自负,请作脱密处理;(4)论文请采用Word 2003排版,并注明“2016飞行力学年会论文”;(5)征文截止时间:2016年3月31日。

三、投稿方式及注意事项:(1)本次年会只接收电子投稿,不收取打印稿;(2)请按时间要求将论文原稿、作者信息表以及论文保密审查证明发送至电子邮箱:feixinglixue@163.com;(3)“论文模版及撰写要求”、“作者信息表”均可从《飞行力学》网站下载(http://fhlx.cbpt.cnki.net);(4)联系人:李怡(029-86838449;QQ:494816773);张斌(029-86837411)。

欢迎从事飞行力学和飞行试验研究的科研人员、院校师生踊跃投稿,也请有关单位科技部门及本专业委员会委员、办公室成员和小组成员积极组稿报送。

《飞行力学》编辑部

Handling quality rating technology with system failure based on HQRM

ZHANG Hai-ni, JIA Xiao-peng, CHENG Wei-hao

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In China, the HQRM was first applied to the certification of civil airplane successfully when the handing quality test of a civil airplane with system failure was carried out. Based on the test, this paper researched and summed the process of the handing quality rating and calculation method of the probability based on HQRM, discussed the selection principles of the test method, test mission and control surface jamming position based on the method, and brought out a more reasonable criteria for test result assessment, which can provide an important reference for other transport category airplanes.

civil airplane; electronic flight control system (EFCS); system failure, handling quality rating; HQRM

2015-04-18;

2015-08-30;

时间:2015-09-25 16:10

张海妮(1985-)，女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事飞机飞行品质试飞研究。

V212.1; V217

A

1002-0853(2015)06-0555-05