針對我國自行研制的某型飛機(jī)進(jìn)行工程飛行模擬器研制，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對飛機(jī)各分系統(tǒng)進(jìn)行工程飛行仿真建模，使之能夠用于不同大氣環(huán)境條件下，對不同的飛行狀態(tài)進(jìn)行人機(jī)閉環(huán)工程飛行仿真，并實(shí)現(xiàn)飛機(jī)多種飛行動力學(xué)構(gòu)型和故障仿真、飛行品質(zhì)評定、仿真過程記錄、回放等功能。工程飛行仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以設(shè)置不同飛機(jī)的各種飛機(jī)構(gòu)型的氣動參數(shù)及模擬飛行故障，并可對工程模擬器實(shí)施監(jiān)控、維護(hù)、測試和應(yīng)急控制處理，還可以為工程飛行仿真控制人員提供友好的圖形化人機(jī)界面以及調(diào)試、監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理環(huán)境。

1 飛機(jī)仿真模型

    飛機(jī)仿真模型主要包括：六自由度非線性飛機(jī)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型、空氣動力模型、發(fā)動機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)模型、油箱模型、飛行控制系統(tǒng)模型、起落架模型、地面作用模型、質(zhì)量系統(tǒng)模型、大氣環(huán)境模型、數(shù)據(jù)傳輸模塊和信號采集模塊等主要仿真數(shù)學(xué)模型，各系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及流程如圖1所示，各系統(tǒng)模型采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，使程序與數(shù)據(jù)相分離，以提高軟件的重用性和開發(fā)效率，本文構(gòu)建了飛機(jī)仿真模型框架，使用MySql數(shù)據(jù)庫將飛機(jī)各種模型特性數(shù)據(jù)組織起來，用戶只需修改數(shù)據(jù)庫文件中有關(guān)飛機(jī)各系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)不同飛機(jī)構(gòu)型的仿真。

圖1 工程仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程圖

2 工程飛行仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

    工程仿真管理系統(tǒng)主要為工程師提供一個單獨(dú)的工程飛行仿真建模的平臺，數(shù)據(jù)傳輸及模型結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，把數(shù)據(jù)及模型算法分離，為了能夠簡單、迅捷地修改飛機(jī)各系統(tǒng)參數(shù)和處理模擬飛行得到的數(shù)據(jù)，并與真實(shí)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，工程仿真管理軟件既要有強(qiáng)大的功能，也需具有友好的人機(jī)界面，特別是具有可視化效果和結(jié)果反饋功能。如圖1(b)所示，工程仿真管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)工程飛行仿真設(shè)計(jì)，同時將設(shè)計(jì)結(jié)果（工程飛行仿真數(shù)據(jù)）分發(fā)給飛行實(shí)時解算計(jì)算機(jī)。飛行實(shí)時解算系統(tǒng)在教員管理系統(tǒng)指揮下進(jìn)行實(shí)時仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)可根據(jù)教員管理系統(tǒng)的指令將記錄參數(shù)發(fā)送回實(shí)時解算計(jì)算機(jī)和工程仿真管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真結(jié)果回放，飛機(jī)各個模型數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用及編輯仿真數(shù)據(jù)庫處理過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫建模原理

    工程飛行仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件包括工程仿真數(shù)據(jù)編輯管理模塊和飛行數(shù)據(jù)實(shí)時顯示模塊，如圖3所示。工程仿真編輯管理是指工程飛行仿真前對仿真的創(chuàng)建、分系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)的定義、編輯及加載；實(shí)時顯示指的是仿真過程中對飛行數(shù)據(jù)的二維實(shí)時顯示、飛機(jī)空中姿態(tài)及位置的三維顯示，工程師可以實(shí)時觀察想要監(jiān)視的仿真結(jié)果。

圖3 飛行仿真數(shù)據(jù)管理及顯示界面

    采用易于用戶操作的人機(jī)界面(見圖3(a))對底層數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯修改，然后通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終形成一套提供給飛行解算計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時解算的數(shù)據(jù)。該軟件界面特點(diǎn)是能以曲線或三維曲面的形式顯示飛機(jī)數(shù)據(jù)(見圖3(b))，給用戶最直觀的感受。

3 仿真測試結(jié)果與討論

    本測試是在所開發(fā)的某型工程飛行模擬器上進(jìn)行的，對飛機(jī)的幾種典型飛行狀態(tài)（起飛、著陸及轉(zhuǎn)彎）進(jìn)行仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析。下面列出飛機(jī)滾轉(zhuǎn)過程的幾組典型仿真數(shù)據(jù)，所記錄的典型數(shù)據(jù)包括滾轉(zhuǎn)角速率、滾轉(zhuǎn)角、偏航角速度和俯仰角隨時間變化曲線，如圖4所示，通過數(shù)據(jù)分析可研究飛機(jī)的飛行性能，與真實(shí)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，并依此來改進(jìn)仿真模型數(shù)據(jù)。

圖4 仿真結(jié)果隨時間變化曲線

    設(shè)置仿真與試飛相同的初始狀態(tài)條件為飛機(jī)在4000m高度以400km/h速度平飛，圖4中的虛線為飛機(jī)真實(shí)試飛數(shù)據(jù)曲線，實(shí)線為采用本模型的仿真數(shù)據(jù)曲線，從對比圖可以看出，在15s到約23s時為飛機(jī)平飛狀態(tài)，在23s時飛機(jī)的副翼偏轉(zhuǎn)后出現(xiàn)了滾轉(zhuǎn)力矩，飛機(jī)左傾，向左轉(zhuǎn)彎，滾轉(zhuǎn)角速度增加產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)角，側(cè)向力和偏航力矩使飛機(jī)向左偏航，由于側(cè)向力的出現(xiàn)，飛機(jī)轉(zhuǎn)向時垂直方向上的升力變小，飛機(jī)會產(chǎn)生低頭俯仰角減小，當(dāng)穩(wěn)定到接近40°滾轉(zhuǎn)角度時，飛機(jī)不繼續(xù)滾轉(zhuǎn)，以基本穩(wěn)定的偏航角速率向左轉(zhuǎn)彎飛行。由圖4可以看出，仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)飛行數(shù)據(jù)在整個試驗(yàn)過程中匹配度比較理想，從而證明整個飛行數(shù)據(jù)及模型比較準(zhǔn)確，接近真實(shí)飛機(jī)性能，試驗(yàn)表明，本飛機(jī)模型的建立是有效的，模型可以近似模擬該型號飛機(jī)飛行。

4 結(jié)語

    飛行仿真模型是飛行模擬器的核心部分。本文介紹了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的工程飛行仿真模型建立的方法、模型的組織和數(shù)據(jù)交換，此工程飛行仿真模型具有較大的通用性，通過改變數(shù)據(jù)庫中的飛機(jī)參數(shù)和氣動數(shù)據(jù)可模擬不同構(gòu)型的飛機(jī)。

    本文工程飛行模擬器的飛行仿真管理系統(tǒng)為研究設(shè)計(jì)人員完善飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)平臺，同時也能夠在地面上對飛行員進(jìn)行仿真訓(xùn)練。本仿真軟件已作為產(chǎn)品交付用戶使用，獲得用戶的好評。

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