陕西飞机工业有限责任公司 陕西汉中 723000
摘 要：本文对飞行模拟器飞行仿真系统进行了设计与研究。给出了飞行仿真系统的整体架构，对其中飞行仿真软件的功能、对外输入输出接口、仿真原理、模块组成、软件流程等进行详细叙述，并结合相关数据，对飞机配平以及飞行员的操纵响应进行了仿真分析。该飞行仿真系统已经应用到了飞行模拟器上，经过测试与使用，系统具有仿真度高、实时性好等特点，起到了良好的训练效果，得到了飞行教员和学员的认可。
关键词：飞行仿真系统 飞行仿真软件 飞行训练模拟器
1引言
飞行模拟器是典型的人在回路飞行实时仿真系统，能够对飞机空中飞行情况进行复现[1]。飞行模拟器通常由操作人员、飞行员在系统回路中进行操纵，需要对作为对象的飞机实体动态特性建立数学模型，其预编好的程序在计算机上运行，此外，需要模拟生成人的感觉环境，包括视觉、听觉、触觉、动感等人能感知的物理环境[2]。
飞行模拟器主要包括飞机性能仿真、座舱模拟、视景、教员控制台等分系统。其中，飞行性能仿真软件又为飞机性能仿真软件的核心，主要完成飞机在正常飞行情况下飞行包线以内的飞行过程仿真。本文将对飞行性能仿真软件的仿真原理、模块组成等进行设计，并定性对飞行操纵的动态响应进行验证。
2飞行仿真软件的设计
飞行仿真软件通过接收教员控制台分系统、座舱模拟分系统、发动机仿真模块、燃油仿真模块、教员控制台、飞控系统仿真软件等输入，通过质量系统模型、空气动力模型、飞机动力学和运动学模型等模块，进行飞行性能参数解算，对外输出飞机的状态参数，将结果送给座舱模拟分系统、视景分系统、航空电子模拟分系统，联合其他分系统提供给飞行员逼真的飞行模拟。飞行仿真软件原理如图1所示。
图1 仿真原理
根据飞行仿真软件所要实现的功能，结合软件流程，可以划分为初始化模块、教员台指令处理模块、飞机运动学模块、质量模块、毁坏模块、地面作用力模块、动力动力学模块、配平模块、结冰特性模块、通信输入与输出模块。各个模块的标识和功能描述如表1所示。
表1 模块组成
序号 | 模块 | 模块描述 | |
1 | 初始化模块 | 用于完成本软件本地变量的初始化。 | |
2 | 教员台指令处理模块 | 本模块接收教员台指令，处理各种任务请求。完成各种锁定和冻结，选择标准或非标准大气，设置机场跑道条件，选择飞机重量、重心等。 | |
3 | 飞机运动学模块 | 运动学方程模块一 | 本模块计算相对于飞机机体轴的线加速度、角加速度和角速率。 |
运动学方程模块二 | 本模块计算飞机真空速以及机体轴的三个速度分量，并加入风和紊流的扰动速度影响，本模块还积分计算俯仰、滚转和偏航速率。 | ||
运动学方程模块三 | 本模块计算爬升率、压力高度 、马赫数、空气动压、静压、当量空速、校正空速等参数。 | ||
4 | 质量模块 | 本模块计算不同构型配置情况下飞机的重量、重心和惯矩并考虑了起落架收放、燃油消耗对飞机质量特性的影响。 | |
5 | 毁坏模块 | 本模块监控并响应可能造成飞机毁坏的情况。 | |
6 | 地面作用力模块 | 地面作用力模块1 | 本模块建立飞机起落架几何关系模型计算机轮摩擦力并处理轮胎爆破故障。 |
地面作用力模块2 | 本模块计算起落架纵向力和力距特性。包括起落架支反力、支反力矩、 刹车力、拖胎处理，同时给出支柱压缩量以及飞机从静止到滚动状态的模拟计算。 | ||
地面作用力模块3 | 本模块首先计算有航向偏转运动时的轮胎侧力，然后给出起落架产生的横向合力以及偏航和滚转力矩。 | ||
7 | 空气动力学模块 | 气动系数计算模块 | 本模块计算气动系数,包括升力系数、阻力系数、侧力系数、俯仰力矩系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数。 |
空气动力解算模块 | 本模块通过建立空气动力模型，计算空气动力与力矩。 | ||
8 | 发动机模块 | 本模块计算发动机产生力和力矩。 | |
9 | 配平模块 | 本模块计算飞机的配平状态。 | |
10 | 结冰特性模块 | 本模块建立结冰模型，计算结冰对气动参数的影响增量。 | |
11 | 大气环境模拟模块 | 本模块主要建立紊流、风切变、离散突风模型，计算大气环境中的风对飞机产生的力与力矩。 | |
12 | 通信输入模块 | 本模块从共享内存读取所需的外部数值。 | |
13 | 通信输出模块 | 本模块将本地的交联变量保存到共享内存中。 | |
3系统仿真结果
本章将结合试飞数据，集联其他系统对飞机在正常飞行情况下的动态操纵响应进行仿真。通过对飞行员的操纵响应的仿真，测试模拟器的动态效应。
选取飞机为中重心，总重量为典型重量，处于巡航状态，襟翼角度0度的配平状态下，模拟飞行员进行升降舵阶跃操作，其升降舵偏转角度和飞机俯仰角变化如图2所示。
图2 升降舵阶跃输入和俯仰角变化
4结论
本文详细介绍了飞行训练模拟器飞行仿真软件的设计方案，对系统总体架构、仿真原理、模块设计等进行了详细阐述。该飞行仿真软件采用模块化设计，实现了飞机在正常飞行情况下飞行包线以内的飞行过程仿真。该软件目前飞机已经完成和其他系统的联试，通过试验，该软件实时性好、逼真度高，能满足了飞行仿真的需求。
参考文献：
[1] 高亚奎，朱江，林皓，等.飞行仿真技术[M].上海交通大学出版社.
[2] 李林，翁冬冬，王宝奇，等.飞行模拟器[M].北京理工大学出版社.
客服QQ：30444492琼网文【2021】1550-113号
增值电信业务经营许可证：琼B2-20210322
出版物经营许可证：新出发龙华出字第(2021)009号
广播电视节目制作经营许可证：(琼)字第00779号
版权所有 ©2002-2024 期刊网(www.qikanchina.com) 琼ICP备2021005105号
