基于工程模拟器的民机飞行品质评估研究

吴胜亮

摘 要：分析飞行员在环试验对工模软硬件仿真度的技术要求，提出将适航条款中有关飞行品质的定性要求转化为可量化计算指标的思路，研究采用定性分析和定量分析对基于工程模拟器的民机飞行品质进行综合评估的方法，以便在民机设计过程中即可进行飞行品质的预测和评估，保证满足适航要求。以纵向操纵-速度恢复试验科目为例，详细介绍飞行品质评估试验的过程及采用定性分析和定量分析对飞行品质进行综合评估的方法，对飞行品质评估时需要注意的关键点进行总结分析，供相关工程设计人员参考。

关键词：飞行品质；民用飞机；定性分析；定量分析；工程模拟

DOI：10.11907/rjdk.172422

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2018）005-0157-05

Abstract：The technical requirements of fidelity of engineering simulator hardware and software for pilots in the loop test were analyzed. The idea of transforming qualitative requirements of relevant airworthiness terms into quantitative calculation was proposed. The method of using qualitative analysis and quantitative analysis to evaluate handling quality of civil aircraft based on engineering simulator was studied so that we can predict and evaluate handling quality in the process of civil aircraft design in order to meet the requirements of airworthiness terms. Taking the test item of longitudinal control for speed recover as an example， the paper introduced the procedure of handling quality test， the method of using qualitative analysis and quantitative analysis to evaluate handling quality. Some key issues of handling quality evaluation were summarized and analyzed so as to offer reference for other relevant engineers and designers when necessary.

Key Words：handling quality；civil aircraft； qualitative analysis ； quantitative analysis； engineering simulator

0 引言

飛行品质贯穿于飞机设计、实验以及执行任务的全过程，是飞机设计、特别是飞控系统设计的核心内容。飞行品质是飞机质量至关重要的组成部分，在很大程度上决定了人机系统协同工作的协调性，对飞行安全和完成飞行任务具有决定性作用。对飞行品质的评价，最终是通过飞行员根据执行各种任务时的感受和主观体会形成。好的飞行品质，飞行员评价为“有效”、“安全”、“好飞”。“有效”指飞机快速准确地响应飞行员的指令，能有效跟踪和控制飞行轨迹；“安全”指飞行中没有威胁飞行安全的现象出现，飞行员做动作很放心；“好飞”指飞行时不易疲劳，节省体力和脑力。总之，一架飞机如果连飞行员都是满意的，那么其飞行品质应该是良好的[1]。

民机控制律功能的测试、结合控制律的飞行品质评估是飞机研发、验证过程中的重要环节。对于采用复杂闭环控制律的飞机，其动力学特性往往与经典形式有较大差异，单靠桌面仿真分析不足以判断飞机的飞行品质是否达到预期，需要通过飞行员在环飞行品质和控制律评估试验，由飞行员参与实时操纵，形成一个闭环的人机交互系统，再根据试验结果和飞行员评语对飞行品质加以验证，以降低控制律研制风险。工程模拟器试验的目的是验证所有控制律（正常、辅助、直接控制律）的功能是否达到设计要求。飞行员对控制律和飞行品质的评估意见将反馈回控制律的设计，以便做进一步的优化。设计人员不断对控制律进行迭代优化，设计出优良的控制律，从而获得良好的飞行品质。

本文从在工程模拟器上开展飞行品质评估角度出发，首先分析飞行员在环试验中对工模软硬件仿真度的技术要求，其次提出将适航性条例中有关飞行品质的定性要求转化为可量化计算的指标的思路，并研究采用定性分析和定量分析对基于工程模拟器的民机飞行品质进行综合评估的方法；接着以纵向操纵-速度恢复试验科目为例，详细介绍飞行品质评估试验的过程，以及采用定性分析和定量分析对飞行品质进行综合评估的方法；最后对飞行品质评估时需要注意的关键点进行总结分析。

1 评估试验对工模软硬件仿真度的技术要求分析

1.1 飞行仿真系统软件

飞行仿真系统软件包括与控制律设计和飞行品质评估试验密切相关的飞机动力学和运动学方程、气动力数据库、质量特性数据库和地面控制模块，通过数学模型解算飞机在地面和空中的运动状态，需考虑地面效应的影响、收放机构（如起落架、襟缝翼等）和刹车机构的作用对飞机运动的影响，仿真结果要尽可能准确地反映飞机的实际响应特性。

1.2 机载系统仿真软件

机载系统仿真软件包括飞控系统、动力系统、燃油系统、液压系统、起落架系统、航电系统、电源系统和环控系统等仿真软件，各系统仿真软件模拟实现的功能和性能应与实际飞机真实系统的响应一致或存在差异的部分不影响对试验结果的分析。

为了准确地建立反映飞机实际系统功能的各系统数学模型，各系统机载供应商必须提供能准确反映系统功能和特性的相关数据，或采用Re-host方式实现机载软件在一般工业控制计算机上的加载运行。

1.3 驾驶舱环境模拟

为了使飞行员对控制律设计和飞行品质评估的结果更为有效，驾驶舱内部结构要尽量与所评飞机的状态保持一致；驾驶舱仿真设备的外形、尺寸、材质以及驾驶舱的布置要与所评飞机的状态尽可能保持一致；驾驶舱照明和调光尽量要与所评飞机的状态保持一致；仿真驾驶舱系统的眼位设计安装，需保证驾驶舱和视景系统理论眼位重合，即视景系统的眼位与飞行员眼位要保持一致。

如果条件允许，驾驶舱内各设备可以使用所评飞机的真实试验件，以增强飞行员评估意见的准确性。

1.4 时间延迟特性模拟

现代飞行控制系统的时间延迟源于数字计算机的采样及处理运算、系统滤波、速率限制等因素。模拟器整机综合后的时间延迟指标过快或过慢都会对评估结果直接产生影响，因此各仿真系统在建模时要充分考虑所评飞机的各相关系统的延迟指标，并按照所评飞机的实际延迟特性进行系统建模。民用飞机工程模拟器的系统传输延迟指标可参考《飞行模拟器设备的鉴定和使用规则（CCAR60）》附件1第60.A.1.3条关于D级模拟器传输延迟时间（150ms）[2]要求。

1.5 视景和过载特性模拟

为了给飞行员提供实时逼真的视觉和过载感受，一般工程模拟器需配备视景仿真系统和六自由度运动系统。

视景系统利用计算机图像生成技术，产生逼真的窗外景象，模拟大气条件包括大气参数、风和大气紊流；黎明、白天、黄昏、夜间带纹理视景图像；机场地面昼夜变化、机场空域昼夜变化；雨雪雾天、结冰气象、雷雨气象等，还包括云底高和能见度设置、机场选择和机场灯光等；干跑道、湿跑道以及跑道长度、宽度、坡度、场高以及跑道材质和粗糙度等。

六自由度运动系统可实现模拟飞机六个自由度的运动，包括俯仰、滚转、偏航、垂直升降、横向和纵向直线运动；飞机各种飞行条件的变化引起的运动；着陆接地姿态和碰撞以及使用刹车时出现的运动；在接近真实飞机频率处的振动和抖振以及大气紊流和风在对应自由度上引进的抖振和相对于起落架收放时的动态特性以及不同地面的滑跑特性等。

2 民机飞行品质评估方法

飞机的飞行品质研究始于1903年，发展历程具有以下几个主要特点：

（1）突出人作为飞行品质评价的主体。飞行品质最初的指标只有一条：飞机结构足够简单，并且能够使飞行员在合理的时间内能熟练的使用，充分地肯定了人作为飞行品质的主体地位，随着飞行品质的发展，这种主体地位越来越强。

（2）在飞行品质发展过程中采取典型的模态特性对飞机进行评价。从1969年修订MIL-F-8785B的飞行品质开始，采用了长短周期荷兰滚螺旋滚转等模态特性对飞機的动态响应特性进行了量化描述，进一步明确了飞行品质的具体内容。

（3）重视飞机的高阶特性。从MIL-STD-1797开始，针对电传飞机的出现，飞行品质中考虑了飞机的高阶特性。

飞行品质是飞机设计人员与飞行员最为关心问题，在飞机的设计、研发、测试和使用中始终扮演着重要角色。因此，为了实际评估的需要，需采用定性分析和定量分析相结合的方式对民机飞行品质进行综合评估，获取良好的飞行品质，确保飞机安全飞行及顺利完成既定飞行任务。

2.1 定性分析

在评价飞行品质时，只有飞行员的评估才能确切反映出人-机系统性能与执行任务的工作负担之间的相互关系。为使飞行员的评估有一个共同的衡量尺度和描述术语，采用库伯-哈伯准则[3]作为试验的评估尺度，这个尺度从飞机的操纵性和飞行员完成飞行任务的工作负担两个方面，用文字描述给出了10个不同的评价尺度。经过40多年军机和民机的实践检验，被公认为是飞行员在环评估所采用的一种标准化方法和评判尺度[4-5]。库伯-哈伯准则如图1所示。

进行飞行品质计算时，必须给出不依赖于飞行员直接评分且与飞行环境无关的客观评分标准。美国军用规范中规定了3个等级，在民机飞行品质评估中可以借鉴并使用[1]。3个等级分别具有的飞行品质如下所示：

等级1：飞行品质明显地适合完成任务的飞行阶段；

等级2：飞行品质适合于完成任务的飞行阶段，但飞行员的工作负担有所增加，或完成任务的效果有所降低，或两者兼而有之；

等级3：飞行品质满足安全操纵飞行的要求，但飞行员工作负担过重，或完成任务效果不好，或两者兼而有之。

上述3个等级与C-H评价尺度的关系如图1所示。

CCAR-25-R4中有关民机飞行品质要求需要经过试飞员、试飞工程师和适航部门综合评定，只有满意和不满意之分。虽然C-H评价尺度和飞行品质等级概念是针对军机提出来的，在民机飞行品质分析和预测时，仍然可以借鉴使用该评价体系。在飞行控制律设计阶段使用3个等级评价飞行品质，其优点在于有助飞行控制系统设计者了解修改飞行控制律之后，飞行品质的改善趋势和改善程度，并容易在多个飞行品质中取得平衡。

2.2 定量分析

中国民用航空规章第25部是“运输类飞机适航标准”（CCAR-25-R4）[6] ，包含了民机飞行性能、飞行品质、结构与构造、动力装置和机载设备等方面的适航性要求，其中对民机飞行品质的要求主要集中在CCAR-25-R4的B部分。民机飞行品质的适航性要求主要包括飞机的操纵性和机动性、配平、稳定性、失速特性、地面和水面操纵性、抖振、高速特性和失配平八大飞行品质指标[6-9]。

CCAR-25有关飞行品质的要求大都是定性的，不便于在新机飞行控制系统设计中贯彻实施。为了便于在设计阶段评估飞机的飞行品质，需将这些定性要求定量化。CCAR-25-R4的定量化就是将定性的要求转化为可计算、量化的指标，这些指标通常可用飞机及飞行控制系统的性能参数表示。量化的目的是便于在飞机及飞行控制系统数学模型的基础上进行计算，进而评估其飞行品质是否达到适航条例的要求。适航性条例定量化可分为两个步骤，其一是将适航性的各个定性要求转化为对飞机及飞行控制系统某些参数的要求，其二是根据各种试飞试验以及飞机本身的设计要求，确定各参数的具体数值要求。

针对电传飞控系统稳定性与操作性的要求，可采用纵向低阶等效系统拟配方法、纵向带宽准则（人机闭环稳定性）、闭环尼尔-史密斯准则、俯仰角速率准则、时域-频域Gibson响应准则等进行纵向飞行品质定量分析；采用横航向低阶等效系统拟配方法、横航向时域准则（俄罗斯准则）等进行横航向飞行品质定量分析；另外，考虑采用航迹角峰值超调评价准则、回路分离参数法、波音公司的人-机闭环系统品质要求等对民机起飞着陆特性进行分析；采用俯仰机动杆力梯度和短周期阻尼比检查、俯仰PIO相位滞后准则、俯仰PIO幅值准则、Smith-Geddes准则和Gibson相位速率准则等对飞行员诱发振荡（PIO）进行预测分析。

由于影响飞行品质的因素很多，加之每种准则都有一定的局限性，目前尚没有一种准则能单独胜任，因此建议使用多种准则同时评价。但是，使用多种准则可能会使评估结论发生不一致的情况，大量经验表明，一种准则暴露出其它准则不能暴露的飞行品质缺陷，如果飞机能满足多种准则要求，多数飞行员满意的可能性就会大一些。

3 飞行品质评估示例

本文以纵向操纵-速度恢复为例，介绍民机飞行品质评估过程及分析方法。

3.1 试验目的

演示在1.23VSR 和失速标志（判明速度）之间的任何速度，必须有可能使机头下沉，以便很快加速到选定的配平速度。

3.2 验证条款

验证CCAR-25.145（a）。

3.3 约束条件

确定失速速度和失速特性之后。

3.4 可接受判据

飞机在失速或接近失速时的推杆机动，要求飞机具有足够的机头下俯操纵效能，使飞机恢复到原始配平速度。

3.5 HQR任务

在失速速度操纵飞机附近恢复初始速度。

3.6 试验平台

民机工程模拟器。

3.7 试飞内容

（1）试验状态点。参考AC25-7C[11] ，挑选试飞试验点状态如表1所示。

（2）试验方法。①工程模拟器复位后，正常运行且处于初始状态；②设置工程模拟器“飞行冻结”状态；③通过综合控制台及驾驶舱相关操纵器件，设置试验科目所要求的飞机状态；④在规定状态下配平飞机到稳定直线平飞；⑤以1节/秒 的减速率使飞机保持机翼水平减速到失速速度附近；⑥迅速使机头下俯，加速到初始配平速度，不改变配平位置；⑦对于最大连续推力试验，机动不必进行到超过失速警告开始后1s；⑧记录相关试验数据；⑨完成試验科目后，工程模拟器“飞行冻结”；⑩工程模拟器复位。

3.8 定性分析

在飞行员在环评估试验过程中，飞行员按照试验科目的动作要求完成试验动作，参试人员根据库伯-哈伯准则解释评分依据对试验科目评分，同时全面、详细记录飞行员的评估意见，以便评估结束后进行讨论和确认。

3.9 定量分析

从操纵性和机动性及安全的角度来看，该条款就是要求飞机在失速速度Vs或者失速迎角αs的附近有足够的纵向操纵效能或俯仰能力，以免在失速迎角αs附近出现不可抑制的机头上仰，造成飞机失速。纵向操纵效能可以分解为以下量化指标：

①单位过载所需杆力Fnze、杆位移dnze、升降舵偏度δnze；②杆力-杆位移特性Fe=f（de）。

对于采用电传飞行控制系统的飞机，操纵杆与对应气动舵面之间没有直接机械连接，杆力-杆位移特性由人感系统提供。杆力、杆位移与升降舵偏度的关系可通过纵向通道增益进行调节，因此，纵向操纵效能应重点考察单位过载所需的升降舵偏度δnze。在过载不便于计算时，也可用单位俯仰角加速度所需升降度偏度表征纵向操纵效能。

由以上分析可知，纵向操纵效能可由单位过载所需升降舵偏度δnze表征。

考察飞机由定常平飞转入以一定过载做定直拉升运动的情况。与同飞行高度、飞行速度的定直平飞相比，为增加法向过载实现轨迹上弯，须相应增加迎角Δα；同时，为保持飞行器高度拉升过程中迎角不变，飞行器的俯仰角速度q必须与圆周运动角速度Ω相等。而Δα和q的大小均与法向过载增量Δnz有关。

波音公司经过大量实验，给出了评价纵向操纵效能的定量准则[10]：

式中：δe是升降舵偏转角度，θ··表示俯仰角加速度。俯仰角加速度θ··表征飞机俯仰运动的加速能力和俯仰力矩的大小，反映了飞机规避无意机头上仰的能力。

3.10 记录参数及分析

根据定量化分析结果，记录以下试验参数并应用纵向飞行品质定量准则进行分析：①重量、重心、襟缝翼位置、起落架位置；②高度、速度；③纵向操纵力、纵向操纵位移；④升降舵偏度、水平安定面偏度；⑤俯仰角、滚转角；

⑥迎角；⑦法向过载；⑧俯仰角速度；⑨发动机油门杆位置。

4 飞行品质评估关键问题说明

4.1 评估试验对飞行员的要求

飞行员作为评估试验回路中的一个重要环节，选择飞行员时需要严格要求飞行员的资质与背景，尽量选择具有多种主流型号民用飞机飞行经验的飞行员，尽量使飞行员的飞行时间、飞机型号、年龄、身高等方面形成梯度化，并具有较大的跨度。飞行员在环评估试验对飞行员的具体要求见表2。

4.2 评估试验前准备工作

（1）构型控制。在评估试验之前，需评估其模拟器构型状态能否满足评估试验的构型要求。在模拟器硬件方面，从平台设备、试验件、仿真件对工程模拟器试验设备技

术状态及是否符合试验要求进行说明。在模拟器软件方面，从工程模拟器平台软件和工程模拟器飞机本体及系统仿真模型的版本以及技术状态进行说明。

（2）模型测试。为了确保工程模拟器代表完整与真实的飞控系统和系统环境，在工程模拟器用于评估试验之前，系统集成人员对工程模拟器的气动力、控制律、传感器、作动器、发动机推力等模型进行测试验证。

4.3 评估试验后的决策

由于飞行员在飞行时间、所飞机型、年龄以及对电传飞机操纵原理的理解等存在差异，对同一个试验科目的评估意见可能差异很大，甚至可能是完全相反的，如何在有限的飞行员意见中进行取舍，是一件非常难以抉择的事。控制律设计专业通过定量化分析试验结果数据，结合飞行员的资质以及适航规章对飞行员评估意见筛选并酌情采纳，对于会产生重大设计更改的意见，控制律设计人员将根据适航风险、型号研制进度和更改设计成本等因素对飞行员意见进行深入地权衡分析，最终形成明确的整改意见。

4.4 定量化分析的难点

飞行品质定量化分析是一项长期的工作，CCAR-25中有关飞行品质的定性要求转化为对飞机和飞行控制系统参数的要求需要大量的实际工作经验和研究；同时，要研究这些指标的具体取值范围与飞行品质好坏程度的对应关系，需要通过试飞、仿真等大量试验，才能确定飞行品质各个等级的指标要求。经过不断研究，民机飞行品质定量化评估应当遵循以下原则和方法：

（1）民机飞行品质评估必须以适航性条例为基础，应当在最大范围内将适航条例的定性要求定量化。

（2）可以借用成熟的军机飞行品质的评价方法，但必须深入研究，对具体指标进行修改，使之适合民机飞行品质评估。

5 结语

本文从工程模拟器上开展民机飞行品质评估角度出发，详细阐述了使用定性分析和定量分析相结合的方式对民机飞行品质综合评估的思路，并通过具体评估试验实例验证飞行品质评估试验分析方法的可行性、有效性和完备性，并对飞行品质评估需要注意的关键点进行了总结分析。本文介绍的飞行品质评估方法和评估流程为探究使用工程模拟器开展飞行品质的综合评估提供了参考，具有工程实践意义。

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（责任编辑：江 艳）