飞行仿真技术在模拟飞行实习与训练中的应用

贾慈力, 隋成城, 匡江红, 党淑雯, 顾　莹

(上海工程技术大学 航空运输学院(飞行学院), 上海　201620)



飞行仿真技术在模拟飞行实习与训练中的应用

贾慈力, 隋成城, 匡江红, 党淑雯, 顾莹

(上海工程技术大学 航空运输学院(飞行学院), 上海201620)

为降低飞行实习与训练成本、提高训练效率,实现民航飞行员训练模式的改革,上海工程技术大学研制了三自由度飞行模拟器和固定飞行模拟器,以替代真实飞机进行模拟器飞行实习与训练。利用该模拟器能进行开关车、起落飞行、空域特技飞行、大航线飞行、暗舱仪表飞行、昼间复杂气象飞行、夜航简单气象飞行等普通民用飞机90%的飞行课目和特殊情况处置训练,为民航飞行学员的选拔、培养提供了一种安全、高效、经济的训练手段。

飞行模拟器； 仿真技术； 飞行训练

飞行模拟器训练能够显著降低飞行训练成本、提高训练效率,已部分替代真飞机空中训练的内容,是培养初级飞行学员、职业飞行员复训评估等必不可少的重要环节。联合国国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)向各成员国推行多人制机组驾驶员执照(multi-crew pilot license,MPL)训练新模式[1],国家民航局已正式推广,并于2012年发布了《多人制机组驾驶员执照训练和管理办法》,规定在完成110小时真飞机飞行和20次起降外,还需在各个等级的飞行模拟器上训练230小时[2],才能获得MPL,参加航线飞行。此举大大减少了空中飞行时间、提高了安全性、降低了培养成本。

1　飞行仿真技术与飞行模拟器

飞行仿真技术是集成了飞行仿真建模与解算、运动系统仿真、仿真计算机及网络、座舱设备仿真、视景系统仿真、航空电子系统仿真、航空气象和环境仿真等多项技术的综合性技术[3]。

通过仿真技术,依据飞机性能和机载设备状态参数,对飞机的运动进行实时仿真计算,模拟飞机的动态飞行性能、空中飞行的视听觉和座舱环境[4],以及滑行、颠簸、空中气流等动感[5],使飞行模拟器在飞机的性能、系统工作状态、信息显示、特殊情况告警以及飞行员操作等方面与真飞机上实际状况一致[6]。目前,飞行仿真技术已经在航空航天、民航运输、军事训练等领域得到了广泛应用。

飞机模拟器主要分为工程模拟器和飞行模拟器两大类。

工程模拟器主要用于飞机研制过程中,对飞机性能以及各种机载设备工作状态进行仿真、计算、试飞、检验[7],确保飞机系统与结构设计的安全性和可靠性,从而缩短飞机研制的设计周期、节约成本、提高开发效率[8]。很多飞机制造商(例如波音公司、空客公司)每一个新型号飞机的研制,都要首先研制工程模拟器。

飞行模拟器按等级又分全任务飞行模拟器和飞行训练器两类,主要用于飞行员飞行训练、转换机型、技术升级、年度复训、熟练检查。飞行模拟器不受场地、天气等条件的制约,可以缩短飞行员训练周期,且不消耗航油、无危险、环保经济,尤其适合在真飞机上无法进行的绝大多数特情处置训练。通常,民用航空公司每20～25架飞机需配1台飞行模拟器。

2　三自由度民航飞行模拟器系统结构

上海工程技术大学是上海市唯一一所培养民航飞行技术人才的普通高校,2010年该校飞行技术专业被列为教育部首批卓越工程师教育培养计划试点专业。为选拔、培养飞行学员,进行航理实验教学和飞行训练,学校在上海市教委、科委、经信委的支持下,研制了三自由度民航飞行模拟器。该模拟器以某型民航大型运输机为仿真对象,由飞行性能仿真系统、座舱系统、视景系统、音响系统、动感系统、综合环境系统、计算机与网络系统、系统控制台系统、辅助系统等共9个分系统组成,系统原理如图1所示。

图1　三自由度民航飞行模拟器系统原理框图

飞行性能仿真系统是模拟器系统的核心,主要用于飞机飞行系统的数学建模和解算、实现飞机飞行性能的仿真计算、为其他系统提供飞行参数及对外设进行控制[9]。

视景系统由直径7 m/220°球带形投影幕、Matrix3000型短焦距投影器、可调节式投影器支架等组成,采用5通道实像直投方式,投影区域水平视场角210°、垂直视场角45°,以飞行员视点高为垂直视场角界线,上视角20°、下视角25°。

舱内设备主要有主操纵机构、中央仪表板、中央操纵台、两侧控制台、操纵负荷系统等。其中,驾驶盘机构静态位置误差≤2%,负荷精度≤0.1%,最大输出力纵向127 N,横向89 N,行程最大角度前推17°、后拉20°、左右各90°,脚蹬机构静态位置误差≤2.5%,负荷精度≤0.1%,最大输出力179 N,前后极限位置相对位移100 mm。

动感系统采用三自由度电动平台(如图2所示),动载能力指标垂直位移±100 mm,俯仰角±5.3°,倾斜角±9.1°,垂直瞬时线加速度0.5g,瞬时速度300 mm/s,通频率2 Hz,产生俯仰、偏航、横滚3个方向的动态载荷感觉,模拟飞机在地面滑跑和空中飞行的动感。

图2　动感系统及座舱结构组成

模拟器整体设计为双层阶梯式半封闭结构,如图3所示。该模拟器能进行飞行开关车练习、起落飞行、空域特技飞行、大航线飞行、暗舱仪表飞行、昼间复杂气象飞行、夜航简单气象飞行等普通民用飞机90%的飞行课目和特殊情况处置训练,具有安全可靠、使用方便、训练成本低廉、可重复训练、不受气象条件限制等优点,且具有训练过程回放和智能评分功能,便于教员进行技术分解讲评。

3　模拟器飞行实习与训练

模拟器飞行是飞行技术专业学生必修的实验实习教学内容。上海工程技术大学以自主研发的固定飞行模拟器和三自由度飞行模拟器装备了飞行模拟器训练中心,为学生提供了飞行模拟器实习实训平台,用于飞行技术专业基本飞行技能训练阶段和初级训练阶段的实习实训教学。可进行飞行员操作规范实训、飞行程序实习、仪表飞行、五边飞行等基本飞行技能实习实训。对于不正常飞行状态改出、发动机火警、发动机停车、起落架收放故障等在真飞机飞行时不可能进行的特情处置训练课目,更是利用飞行模拟器进行飞行实习的主要教学内容,对培养飞行学员的应急处置、威胁和差错管理能力具有不可替代的作用。

图3　三自由度飞行模拟器

此外,利用飞行模拟器开设了飞行仪表功能与指示实验、驾驶舱资源管理实验、飞行检查单实验、操纵系统与飞机姿态实验等通用性实验课程,同样也适用于航空机务维修专业,还可开设民用航空器维修基础培训大纲的部分实验实习教学内容。以真实飞机数据包为基础,利用仿真技术逼真地模拟实际工作场景,有利于培养学生解决复杂问题的技术能力和工程创新意识[10-12]。

4　结语

模拟器飞行训练风险低、收益高,能大幅减少空中飞行训练时间,且安全可靠,不受气候环境等因素影响,缩短训练周期。模拟飞行训练可大量节省航空燃料,减少燃烧尾气和二氧化碳的排放量,环保效益巨大、经济效益可观。随着民航业的迅速发展,对飞行员的需求急剧增加,航校训练量和对飞行模拟器的需求也将快速增长。我校开展飞行仿真技术研究和飞行模拟器研发、飞行实习与训练,积累了一定的研制经验和教学经验,获得了较好的社会效益和经济效益。

取得三自由度飞行模拟器与固定飞行模拟器、六自由度工程/飞行模拟器等系列成果的“运输机飞行仿真系统研发及应用”项目,已于2010年7月通过教育部科技成果鉴定。鉴定委员会认为该项研究成果达到国际先进水平,为国产大型飞机研制和飞行模拟器研发打下了坚实的基础,建议加快形成产业化推广和应用。

References)

[1] Allerton D．飞行仿真原理[M]．刘兴科,译．北京:电子工业出版社,2013．

[2] AC-61-FS-2012-13R1．多人制机组驾驶员执照训练和管理办法[S]．北京:中国民用航空局飞行标准司,2012．

[3] 汪泓,谢东来．运输机飞行仿真技术及应用[M]．北京:清华大学出版社,2013．

[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] 李小奇,卢颖．动感仿真技术[M]．长春:吉林人民出版社,2002．

[6] 赵旭东,贾荣珍．ARJ21飞机工程模拟器关键技术研究[J]．系统仿真学报,2009,21(21):56-59．

[7] 汪泓,隋成城,谢晨．某型运输机工程飞行仿真研究[J]．上海工程技术大学学报,2013,27(2):97-100．

[8] 张玲,陈宁,姬云,等．飞行模拟器飞行仿真系统集成与方法研究[J]．飞行力学,2010,28(3):39-42．

[9] 孙振宇,隋成城,陈曦,等．某型飞机工程飞行仿真数据管理系统[J]．上海工程技术大学学报,2013,27(2):107-110．

[10] 何伟刚,吴其琦,黄亚群．仿真技术应用于移动通信实验教学的创新实践[J]．实验技术与管理,2014,31(10):132-135．

[11] 陈丽霞,范士勇,刘鑫．虚拟仿真技术在现代通信网实验教学中的应用[J]．实验技术与管理,2015,32(4):133-135．

[12] 初汉芳,朱燕空．创业虚拟仿真实验教学中心的实践与探索[J]．实验技术与管理,2014,31(12):97-100．

Application of flight simulation technology in flight simulation practice and training

Jia Cili, Sui Chengcheng, Kuang Jianghong, Dang Shuwen, Gu Ying

(School of Air Transportation/Flying, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

To keep up with the improvement of airline pilot training mode, by researching and using flight simulation technology, several levels of flight simulators are developed for flight simulator practice and training instead of real aircraft. In order to know how to practice on the simulator, and how to fly on real aircraft, the simulator should meet the requirements of flight procedures practice, instrument flight training, basic flying skills training, and provide safe, efficient and economic training means for civil aviation students’ selection and training.

flight simulator; simulation technology; flight training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.030

2015- 08- 20

上海市科委科研计划项目(14170501400)；上海市地方高校“十二五”内涵建设项目(nhjx-2014-09)；上海工程技术大学教育科学研究项目(y201408001)

贾慈力(1966—),男,上海,硕士,副教授,副院长,研究方向为机械制造、交通运输工程.

E-mail:jiacili@sues.edu.cn

G484；V323.11

B

1002-4956(2016)3- 0120- 03