搜索
393第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机飞行训练模拟器的关键技术及发展趋势高煊1裴鑫2郭俊丽3（1,3.陆军航空兵学院模拟训练中心，北京,101123；2.陆军航空兵学院直升机机械工程系，北京，101123）摘要：文章叙述了直升机飞行训练模拟器系统的组成及工作原理，然后分析了实现直升机训练模拟器的关键技术，最后对飞行训练模拟技术的发展趋势进行了展望。关键词：直升机；飞行训练模拟器；诱导速度1引言模拟训练不受自然环境、气象条件和时间的影响，是各国军队目前普遍采用的一种高效、安全、经济、可重复的辅助训练方式。飞行训练模拟器就是其中一种模拟训练装置。目前，在驾驶真实飞行器之前必须通过相应模拟器的训练和考核已经成为必不可少的训练程序。直升机飞行训练模拟器是一种复杂的地面仿真设备，主要用于直升机飞行员的地面模拟训练。它能提供基本驾驶技术飞行训练、特情处置训练和武器攻击训练，可以复现空中飞行环境。本文就直升机飞行训练模拟器的系统组成、关键技术和发展趋势等，作初步的探讨和研究。2直升机飞行训练模拟器系统组成及工作原理直升机训练模拟器用于直升机飞行员的驾驶训练，模拟器能复现空中飞行环境，用于对飞行员进行垂直起降、悬停、爬升、转弯、机动飞行及特情飞行等科目的训练，尤其是一些实装机难以实现的危险训练科目，不易处理的特情故障，如空中发动机停车、尾桨卡滞等都可在模拟器中实现。直升机训练模拟器由飞行动力学仿真系统、模拟座舱/仪表系统、运动平台系统、视景系统、音响系统、操纵负荷系统、管理系统及电源系统组成，其系统结构及工作原理框图如图1所示。(1)运动平台系统：运动平台系统主要是真实地模拟直升机的各种低频和中频运动，给飞行员提供瞬时过载感觉。同时能够对直升机上特殊效果进行仿真，如：仿真大气扰动、起落架/机轮触地以及地面效应等特殊运动效应。(2)视景系统：视景系统包括图形计算机、幕布、图像拼接单元、投影仪和地形数据库等，用来为飞行员提供逼真的舱外模拟景象，产生和显示飞行悬停、起落、低空飞行、武器发射、攻击及其它所需要的视觉信息。(3)操纵负荷系统：操纵负荷系统逼真地模拟被模拟机型的操纵系统的静、动态响应和操纵感觉。操纵负荷系统分为电动操纵负荷系统和液压操纵负荷系统。(4)飞行系统实时仿真系统：通过对被模拟对象的真实数学建模，真实地模拟被模拟机型的飞行动力学特性；还包括实时计算的算法和外围完善的通讯接口。(5)管理系统：包括实时飞行仿真管理软件和控制中心。飞行管理软件的主要作用是协调所有系统共同工作,它需要具有强实时的操作系统和强大的处理能力的计算机支撑。控制中心应由监视通话系统、操作台、计算机和控制页面等组成。控制中心可设置飞行科目、初始条件与故障状态，实时监控、显示、记录飞行过程和结果，使模拟飞行方便、快捷、有序地进行。394管理系统飞行实时仿真系统座舱/仪表系统视景系统音响系统抖振系统运动平台系统飞行员操纵系统操纵负荷系统图1直升机飞行训练模拟器原理方框图(6)座舱/仪表系统：座舱仿真系统主要为飞行员提供逼真的座舱驾驶环境，包括座舱舱体、座舱内操纵部件和各种机载设备，均按实际1:l仿制。与飞行相关的主要仪表采用仿真软件，来重现座舱内部各种仪表的信息。(7)抖振系统：主要用于仿真直升机在飞行时的高频振动，给飞行员更逼真的运动感觉。它可以采用多种形式实现，例如：抖振座椅、振动平台等。(8)音响系统：模拟直升机在地面及空中的各种声音，使飞行员有身临其境的感觉、并帮助飞行员正确的判断直升机的飞行状态和工作情况。3直升机飞行训练模拟器的关键技术由于直升机的结构和飞行特点决定了直升机飞行模拟器比飞机飞行模拟器复杂得多,并且较飞机有许多特殊的问题。首先是直升机飞行动力学建模问题。直升机飞行仿真中最关键、最复杂的就是建立飞行仿真数学模型。直升机飞行动态特性不仅决定于飞行状态，更主要的是旋翼升力面。其次是直升机近地飞行时的视景仿真问题。直升机具有垂直起降、近地悬停的特点,相对固定翼飞机,其飞行速度小,飞行高度低,飞行员视域宽,给视景仿真提出了更高的要求。3.1直升机飞行动力学仿真建模与飞机飞行模拟器一样，直升机飞行仿真的建模包括直升机气动模型、飞行控制系统模型、操纵系统模型、直升机发动机模型、起落架模型和综合航空电子系统模型等。但是与飞机最大的不同是在气动模型的建模上。直升机气动模型采用部件模块化设计，影响直升机气动力的部件包括旋翼、尾桨、机身、平尾和垂尾。因此相应的部件模型包括旋翼模型、尾桨模型、机身模型、平尾模型、垂尾模型等部分。但旋翼、尾桨等部件为直升机上所独有,旋翼对机身的气动力、旋翼对尾桨的干扰作用以及机身对尾桨的影响等因素,决定了气动建模在直升机仿真模型中具有较强的特殊性和难点,其中又以旋翼气动模型和机身气动模型最为重要。3953.1.1旋翼气动模型旋翼是直升机的升力面、操纵面和推进器,这就决定了它具有复杂的空气动力特性。旋翼气动力建模包括建立翼型的气动力模型、旋翼诱导速度模型和桨叶动力学模型。这三者相互作用、相互影响,且旋翼的转速变化和发动机模型紧密耦合,其中诱导速度模型在旋翼气动建模过程中具有极其关键的作用。而Peters-He广义的动态入流模型已被广泛应用于直升机飞行动力学领域，该模型是目前少数可以兼顾计算精度和计算实时性的诱导速度模型之一，并能计算旋翼的整个流场。该理论模型中，诱导速度被描述为：NrrSrrjrjrjrjirrrxtx012...3,1)]sin()cos()[ˆ(),,ˆ(其中，xˆ代表桨叶上的径向坐标，代表周向方位角坐标，t代表时间；)ˆ(xrj代表诱导速度沿旋翼半径方向的分布，称之为径向型函数，rj和rj是诱导速度沿旋翼周向的分布影响系数。3.1.2机身气动模型直升机飞行仿真所关注的气动干扰问题集中在旋翼对机身、平尾、垂尾和尾桨的下洗或侧洗效应、机身对尾桨的阻塞效应及机身对平尾的下洗效应。同时由于直升机机身布满鼓包、空洞、管件等，流场不稳定，机身流线型很差，导致机身有较大的气动阻力和额外的俯仰、滚转和偏航力矩，气动力中非定常成分也占有较大的比重。目前大多采用１：１机身风洞吹风实验数据和理论计算、经验修正相结合的办法到平均的气动载荷。建模时,应根据直升机飞行状态和各部件的实际几何外形体实时计算并确定其中的哪些部件进入了旋翼尾迹,哪些部件已经脱离旋翼尾迹的影响。在研究直升机的过渡飞行和机动飞行时还应考虑飞行过程中某一部件进入和改出尾迹区的瞬态变化情况。另外，直升机更多地执行低空、低速飞行任务，风对直升机的飞行和驾驶员操纵产生的影响很大。建立各种风的模型，增加直升机驾驶员在飞行模拟时的修正操纵，可使驾驶员评价更加真实、训练效果更加逼真。3.2直升机近地飞行时的视景仿真直升机特有的低空、低速特性决定了直升机训练模拟器的视景系统必须具有大视场角、高分辨率的特点，必须包括真实的地形轮廓、地面的“风吹草动”、活动目标、攻击武器效应、目标损坏的结果以及烟、雾、火等特效。从模拟器建设方面考虑,视景系统的视场角应达到水平180°和垂直90°(其中上视场60°、下视场30°)，并利用边缘融合技术和畸变修正实现投影面之间无缝拼接和线性过渡，为飞行员提供大视场视景。另外，直升机训练模拟器的视景系统应尽可能采用高分辨率，以获得逼真的视觉效果。直升机在近地悬停、起飞、着陆、贴地飞行时，视景地形纹理必须非常精细,一般的卫片或航片不能满足要求。为了开发高精地形视景，不但需要较高精度的高程数据,而且需要高精度的航拍纹理照片，特别是在直升机的起降区域还需要手工拍摄高分辨率的数码照片作为高精度的地形纹理。4直升机飞行训练模拟器技术发展趋势直升机模拟器训练以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制、既能常规操作训练，又能培训处理各种特情的应变能力以及训练的高效性等独特优势，一直受到各396国军方的高度重视并竞相发展直升机模拟训练技术。结合作好当前军事斗争准备和打赢未来高技术局部战争的需要，我军用直升机模拟训练必将朝着如下方向迅速发展：(1)直升机模拟器基础性研制不同机型模拟器研制及应用是模拟训练的基础性工作，特别是要适应今后模拟器列装需要，直升机飞行训练模拟器将朝着更规范化、系列化、标准化和通用化的方向发展。(2)任务覆盖率将不断提高飞行训练将由基本驾驶技术，向模拟实装机的所有训练科目发展，如空中特情、夜航、武器发射、编队、对地攻击和空中机动等战术训练。(3)组织模拟训练中心、进行基地化训练集中组织训练,集中维护,以提高使用模拟训练效率,同时降低费用,加强训练质量控制与考核。(4)分布式任务训练网络的发展分布式模拟交互技术(DIS)是飞行训练模拟器发展的主流技术。高技术条件下的作战,合同程度高,要求训练模拟器的发展适应这一特点。DIS技术能有效促进单武器平台的模拟向多武器平台模拟和多兵种武器体系模拟的发展,可实现多台飞行模拟器异地联网，完全采用模拟手段，即可进行一定规模的战术对抗训练。(5)模拟训练向战法研究、作战效能评估等深层拓展随着交互仿真技术的不断发展，不同军种、不同类型的模拟训练装备相互交联变为可能。从而能够通过实兵与计算机作战模拟相结合的方式，为多军兵种战役训练、作战应用研究和作战效能评估提供可靠的手段。5结束语直升机飞行模拟器有其自身的特点和要求，其关键技术的解决和模拟仿真技术的发展将对飞行员的培训质量会有质的提高。同时随着网络的快速发展，飞行训练模拟训练向多机化，网络化、异地化的发展有着积极的意义。参考文献[1]Padfield.HelicopterFlightDynamics:ModelingandSimulation[M].USA:AIAAPress,1995[2]王行仁主编.飞行实时仿真系统及技术.北京:北京航空航天大学出版社,1998[3]刘兴堂,万少松,张双选.论军用模拟器/系统的发展趋势[J].系统仿真学报,2002,14(5):647-649TheKeyTechniqueandDevelopmentTrendofHelicopterFlightTrainingSimulatorGAOXuanPeiXinGUOJunli(SimulationTraningCenterofArmyAviationInstitute,Beijing,101123)Abstract:Thispaperintroducesthesystemcomposeandtheroyofhelicopterflightsimulator,anditmainlyanalyzesthekeytechniqueofHelicopterflighttrainingsimulator.Finally,thedevelopingtendenciesofflighttrainingtechniqueinthefuturearepresented.Keywords:helicopter;flighttrainingsimulator;inducedvelocity