持續(xù)載荷飛行模擬器過失速機動過載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

持續(xù)載荷飛行模擬器過失速機動過載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

對新型的持續(xù)載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)模擬過失速機動過載的方法進行了研究.針對過失速機動中飛機角運動劇烈的特點，推導(dǎo)了考慮飛機轉(zhuǎn)動帶來的附加過載的飛機飛行員過載計算公式.在SGFS過載模擬數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用此公式，以典型的過失速機動動作.Herbst機動為例，對機動時的飛行員過載進行了仿真研究.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛行員三軸過載指令，最大誤差小于0.2g.研究結(jié)果表明:過失速機動時飛機轉(zhuǎn)動引起的附加過載不可忽略，同時也表明SGFS可較好地用于對過失速機動飛行員過載的模擬.

離心機;加速度;飛行模擬器;持續(xù)載荷飛行模擬器;過失速機動;Herbst機動

過失速機動是新一代戰(zhàn)斗機的典型技術(shù)特征之一.過失速機動中飛機速度、迎角、姿態(tài)角的變化率和范圍均較大，并可在多個方向上對飛行員造成持續(xù)性的過載作用，極大地影響到飛行員的空間感及飛機的飛行安全［1］.在地面飛行模擬器上進行過失速機動飛行的模擬訓(xùn)練可使飛行員熟練地掌握過失速機動動作，從而在空戰(zhàn)中充分發(fā)揮先進戰(zhàn)斗機高機動的優(yōu)勢.

現(xiàn)有的普通固定基座飛行模擬器不能產(chǎn)生過載，采用Stewart六自由度運動平臺的飛行模擬器［2］只能產(chǎn)生瞬時的小過載，這兩種模擬器都不具有持續(xù)過載模擬能力，無法滿足過失速機動飛行訓(xùn)練的要求.新型的持續(xù)載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)以載人離心機為運動平臺，可對持續(xù)性的高過載進行模擬，綜合視景和運動仿真，飛行模擬的逼真度較高.目前，國外已開始采用SGFS進行飛行員的過失速機動飛行訓(xùn)練［3］，國內(nèi)尚未研制出實用的SGFS，但對相關(guān)的仿真原理開展過一些有價值的研究［4－6］.

本文詳細推導(dǎo)了考慮飛機轉(zhuǎn)動附加過載的飛機飛行員過載計算公式，并在SGFS過載模擬模型中應(yīng)用該公式，通過對Herbst機動過載進行仿真，研究了SGFS對過失速機動中飛行員三軸過載的模擬能力.

1 飛機飛行員過載

飛行員過載G定義為作用于飛行員的合加速度ap和重力加速度g之差與重力加速度常數(shù)g 之比［7］，表達式為

飛機飛行員過載指實際飛行時飛行員在飛機座艙內(nèi)感受到的過載，其3個分量記為Gxa(胸-背向過載)，Gya(右-左向過載)，Gza(頭-足向過載).過失速機動過程中飛機角運動劇烈，考慮到飛機座艙與飛機質(zhì)心并不重合，則飛行員除承受飛機質(zhì)心過載n(平動過載)外，還承受由飛機角運動引起的附加過載(轉(zhuǎn)動過載).

設(shè)飛機飛行員心臟位置Op在機體坐標系下的坐標為(xp，yp，zp)，如圖 1所示，地面坐標系Ogxgygzg為慣性參考系，機體坐標系Obxbybzb為運動參考系，Op為運動參考系中固定的一點，由理論力學(xué)推導(dǎo)可得Op處的慣性加速度［apxapyapz］T為

式中，ax，ay，az為飛機質(zhì)心加速度，可由飛機質(zhì)心動力學(xué)方程確定.飛行員與飛機的相對位置固定，即xp，yp，zp均為常值，其對時間的一階、二階導(dǎo)數(shù)均為0.對于單座飛機，飛行員處于飛機縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，則yp=0，式(2)可化簡為

圖1 飛機飛行員加速度

重力加速度矢量g在機體坐標系Obxbybzb的投影為

將式(3)、式(4)代入式(1)，并結(jié)合飛行員過載方向的定義，整理得到飛機飛行員過載表達式:

由式(5)可見，飛機飛行員過載由飛機質(zhì)心過載［nxnynz］T和飛機角運動引起的附加過載［ΔGxaΔGyaΔGza］T兩部分組成.式(5)也適用于其他需要精確解算飛機飛行員過載的情況.

2 SGFS過載模擬模型

如圖2所示，SGFS以載人離心機為運動平臺，并在其旋臂末端安裝有可進行滾轉(zhuǎn)、俯仰偏轉(zhuǎn)的二自由度飛行仿真吊艙，模擬飛行座椅安裝在俯仰框內(nèi).改變旋臂角速度ωc可以改變SGFS過載的大小;改變仿真吊艙滾轉(zhuǎn)角φc與俯仰角θc可以改變SGFS受訓(xùn)飛行員相對SGFS過載矢量的體位，進而可以模擬對應(yīng)于實際飛行的真實過載.

SGFS飛行員過載的3個分量記為Gxc，Gyc，Gzc，利用SGFS進行過載模擬即是通過控制SGFS的運動，在SGFS上復(fù)現(xiàn)實際飛行時飛行員所感受的過載環(huán)境.對于SGFS難以模擬的小于1g的Gza過載，采用“基礎(chǔ) G 值”的方法［8］進行近似模擬(Gza在輸入SGFS進行模擬前先轉(zhuǎn)換為G'za).本文采用文獻［6］建立的SGFS過載模擬模型，在解算飛機飛行員過載時采用了本文推導(dǎo)的更為精確的式(5)，模型框圖如圖3所示.

圖2 SGFS運動平臺示意

圖3 SGFS過載模擬框圖

3 SGFS過失速機動過載模擬仿真

Herbst機動［9］是一種典型的空間過失速機動，一般被認為是檢驗飛機過失速機動能力的標準飛行動作，機動中飛行員受多軸過載作用.本文通過Herbst機動仿真來研究SGFS對過失速機動多軸過載的模擬能力.

給定SGFS旋臂半徑 R=8 m，基礎(chǔ)G值為1.4g.圖4為某次Herbst機動仿真中的飛機飛行員過載，飛機初始飛行高度1 000 m，飛行速度150m/s.機動開始后飛機迅速建立大迎角并伴隨著速度驟減，Gza最大達到了4.9g;機動中由于飛機的偏航角運動，飛機機頭指向快速改變180°，Gya最大達到了0.45g;機動后期飛機重新加油門恢復(fù)速度，Gxa最大達到了0.95g.

圖5為機動中飛機角運動引起的附加過載，對比圖4與圖5可發(fā)現(xiàn)飛行員所受的右-左向過載Gya主要由飛機角運動引起.

圖6為模擬Herbst機動過載時SGFS控制參數(shù)的變化情況.由模擬“基礎(chǔ)G值”的需要，初始時旋臂角速度 ωc為62(°)/s，吊艙滾轉(zhuǎn)角 φc為45°.ωc隨著所模擬過載的增加而增大，最大達到了140(°)/s;φc在 ωc增加時協(xié)同改變(向左滾轉(zhuǎn))，主要用于模擬較大的Gza過載，但其中也包含了用于模擬Gya的偏轉(zhuǎn)量;θc初始為0°，在模擬正的Gxa過載時θc負向增加(向后仰).

圖4 Herbst機動中的飛行員過載

圖5 Herbst機動中飛機角運動引起的附加過載

整個模擬過程中，φc與θc的偏轉(zhuǎn)范圍分別為23°～79°，－37°～12°，這與Herbst機動中飛機姿態(tài)角的變化差別較大.SGFS吊艙的滾轉(zhuǎn)和俯仰不可直接用來模擬飛機的滾轉(zhuǎn)和俯仰，僅用來模擬飛行員所受的過載，飛機角運動的模擬則主要靠視景仿真來實現(xiàn).

圖6 Herbst機動過載模擬中SGFS控制參數(shù)變化

圖7為SGFS對Herbst過載模擬的仿真結(jié)果.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛機飛行員過載指令 Gxa，Gya，G'za.Gzc相對指令 G'za有一定的滯后，主要是由SGFS旋臂驅(qū)動系統(tǒng)的慣性造成的，延遲時間約為150ms，符合運動基座飛行模擬器的時延標準［10］.

仿真開始后G'za迅速加載又很快卸載，由于模擬器驅(qū)動系統(tǒng)的功率有限，吊艙滾轉(zhuǎn)框與俯仰框不能及時偏轉(zhuǎn)改變飛行員的體位，使得Gxa，Gya的模擬均出現(xiàn)了一定誤差，但最大誤差值不超過0.2g.滿足 SGFS 產(chǎn)生 G'za時允許寄生的 Gxa，Gya過載的要求(0.3g ～0.6g)［4］.

圖7 Herbst機動過載模擬結(jié)果

4 結(jié) 束 語

本文推導(dǎo)了一種飛機飛行員過載計算公式，并以Herbst機動過載為例對SGFS過載模擬進行了數(shù)值仿真，研究結(jié)果表明采用離心機為運動平臺的SGFS可較好地對過失速機動中的飛行員多軸過載進行持續(xù)模擬，過載模擬的時間延遲及精度均符合相關(guān)要求.值得注意的是，SGFS吊艙滾轉(zhuǎn)和俯仰僅用于模擬過載，不可直接用來模擬飛機的角運動，后者主要由模擬器的視景系統(tǒng)近似模擬.

References)

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［10］CCAR-60飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則［S］CCAR-60 Qualification and use of flight simulation device［S］(in Chinese)

(編 輯:李 晶)

Simulation of G-loads in post-stall maneuver on sustained G-load flight simulator

Pan Wenjun Wang Lixin Tan Xiang sheng

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Methods of simulating G-loads in post-stall maneuvers on a novel sustained G-load flight simulator(SGFS)was studied.Considering features of intense angular motion of the aircraft in post-stall maneuvers，additional G-loads generated by the rotation of the aircraft were also counted in the calculation of G-loads on pilot，which was later employed in the mathematical model for SGFS G-load simulation.G-loads on pilot in a typical post-stall maneuver known as Herbst maneuver were simulated by using the model.SGFS tracked 3-axis G-loads command precisely with the maximal error less than 0.2g during the simulation.The results indicate that additional G-loads on pilot generated by aircraft rotation could not be neglected and show SGFS could meet the requirements of post-stall maneuver G-loads simulation.

centrifuge;acceleration;flight simulator;sustained G-load flight simulator;post-stall maneuver;Herbstmaneuver

V 216.7

A

1001-5965(2011)06-0635-04

2010-03-10

潘文俊(1985 －)，男，陜西榆林人，博士生，power@ase.buaa.edu.cn.