飞机动力学虚拟样机分析研究环境

188飞机动力学虚拟样机分析研究环境王江云王行仁（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083）摘要飞机动力学虚拟样机分析研究环境是一个以研究飞机的动力特性为核心，利用飞机多学科设计优化理论，由底层支撑信息技术和标准组成的，对飞机的稳定性、操纵性、机动性、敏捷性、对抗性等进行综合分析研究的集成环境。研究了其三个子环境（数学仿真环境、人在回路仿真环境、虚拟战场仿真环境）的结构、特点和功能。关键词动力学虚拟样机数学仿真人在回路多学科优化现代飞机设计是一个多学科交互作用的复杂过程，对飞机的设计要求越来越多，越来越高，传统的飞机研制过程，特别是设计过程面临着严峻的考验。20世纪90年代以来国际上在机械、电子、计算机、航空航天和武器设计制造领域，开始进行虚拟样机（VP，VirtualPrototyping）的研究，为这些领域中复杂系统设计提供了强有力的支持，取得了明显的效果。虚拟样机是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品，可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估。对于我国来讲，探索基于虚拟样机技术的新设计方法，缩短飞机系统研制周期，降低研制风险，提高研制质量，将对航空工业的发展具有特别重要的意义。1.飞机动力学虚拟样机基本概念飞机动力学虚拟样机主要着重于飞机的动力学特性，以飞机的动力学/运动学模型、综合航空电子系统模型、动力系统模型为基础，辅以其它相关模型，利用先进建模与仿真技术和多学科设计优化方法，建立飞机的动力学虚拟原型样机，对所设计飞机的稳定性、操纵性、机动性、敏捷性、对抗性等进行综合分析研究。仿真模型是动力学虚拟样机的基础。飞机动力学虚拟样机以飞机六自由度非线性全量动力学/运动学方程、飞行控制系统模型、动力系统模型、航空电子系统模型等为基础，建立飞机动力学虚拟原型系统，在虚拟样机分析研究环境中对飞机动力学系统进行设计、分析与综合。189利用虚拟样机技术开发飞机动力学虚拟样机的过程是围绕飞机各系统的动力学/运动学模型的建立与集成展开的，是一种基于动力学/运动学模型的不断提炼与完善的过程，是对传统飞机设计过程的一种革新。飞机的设计过程虽然是一个反复迭代、逐次逼近的过程，但只占总研制工作量20％～30％的论证和方案阶段，对设计方案的技术可行程度却占70％～80％。因此，论证和方案阶段对研制新飞机的成功率是至关重要的。利用飞机动力学虚拟样机，在论证和方案阶段尽可能多地综合考虑飞行控制、气动力、推力、航空电子等方面的相互作用，进行多学科优化设计，可大大提高飞机的整体性能。2.飞机动力学虚拟样机分析研究环境飞机动力学虚拟样机分析研究环境是一个以研究飞机的动力特性为核心，利用飞机多学科设计优化理论，由底层支撑信息技术和标准组成的，为飞机研发提供全生命周期的综合设计分析和性能评估支持的集成环境。本文主要以下一代歼击机的研制开发为背景，研究动力学虚拟样机研究环境的特点及关键技术。2.1.飞机动力学虚拟样机分析研究环境结构飞机动力学虚拟样机分析研究环境的构建具有通用性和可重用性，能完成多种飞机类型的动力学虚拟样机的设计与研制。图1所示是飞机动力学虚拟样机分析研究环境结构。190图1飞机动力学虚拟样机分析研究环境飞机动力学虚拟样机分析研究环境由分布式数据库管理系统和三个分析研究子环境系统组成。其主要特点如下：1）数据库系统内容丰富，主要为虚拟样机研究环境提供各类资源，包括飞行器动力学模型，气动数据，飞行器性能数据，环境数据，仿真数据以及工具库等。动力学模型库由粗粒度到细粒度模型构成，虚拟样机所反映的飞行动力学系统的性能，视虚拟样机模型的粒度所定；气动数据库不仅管理不同型号飞机的全机气动数据，还管理各部件（机身、机翼、平尾、垂尾、副翼、升降舵、方向舵）的气动数据。环境数据库中是有关综合自然环境的数据和模型，典型的包括大气、海洋、地形、电磁等。工具库中是集成到分析研究环境中的相关建模、仿真与评估工具，如MATLAB/SIMULINK、HLA/RTI以及自行研制开发的数据收集分析评估工具等。虚拟样机模型是整个虚拟样机环境的核心,所有的设计、分析、评估过程都是围绕虚拟样机模型进行的。虚拟样机模型中提供了该样机各侧面的信息。虚拟样机模型有可重用性、可存取性、可扩展性的特点。2）三种飞机动力学虚拟样机分析研究环境分别是数学仿真研究环境、人在回路仿真研究环境和虚拟战场仿真研究环境。这三个环境构建在相同的信息平台上，对动力学虚拟样机的分析研究各有侧重，互相补充。1912.2.数学仿真分析研究环境数学仿真分析研究环境无需昂贵的系统，完全由动力学/运动学仿真模型和其它软件工具组成。图2所示是飞机动力学虚拟样机数学仿真原理图。飞行动力学仿真分系统的主要功能是对飞机空气动力特性进行仿真，解算飞机的六自由度非线性全量运动方程，仿真飞机在地面上运动的特性以及进行大气环境对飞机影响的模拟，具体由“气动模块”、“运动方程解算模块”、“起落架力和力矩解算模块”等组成。飞行控制系统根据导航系统、火控系统的信息进行决策判断。在数学仿真分析研究环境中，主要完成以下几方面的工作。（1）飞机多操纵面功能分配现代飞机性能不断提高，飞机的气动布局比传统飞机布局发生了很大的变化。为了使操纵性、可靠性达到要求，飞机采用了越来越多的操纵舵面来满足要求，形成了很大的控制冗余，怎样配置操纵舵面发挥其昀大优势就形成了关键问题（2）多学科设计优化多学科设计优化（MDO，MultidisciplinaryDesignOptimization）是一种系统设计方法，系统中必须考虑几个学科之间的交互作用。飞机设计是一个多学科交互作用的复杂过程，涉及空气动力、发动机、结构、飞行控制等。多学科设计优化技术的进步和成熟将对获得昀优飞机设计方案提供有力的分析支持。利用飞机动力学虚拟样机数学仿真环境可进行飞机多学科的综合优化设计，如：空气动力—飞行控制—推进系统；火力控制—飞行控制—推力控制；气动布局—进气—发动机—排气等。图2飞机动力学虚拟样机数学仿真原理图192（3）先进飞行控制系统设计未来一代军用飞机的基本特征是具有较四代机更先进的翼平面构型的无尾布局，采用创新控制效应器的主动气流控制、射流矢量推力和多变量重构控制等。这种布局的飞机对飞控技术提出了挑战：基于射流原理的多轴矢量推力控制、采用创新气动效应面的主动气流控制、多操纵面解耦控制、多变量重构控制、智能型抗损伤自适应控制等。利用飞机动力学虚拟样机数学仿真环境研究快速飞行控制原型机技术是研究先进飞控系统和综合航电系统的一种十分有效的途径。2.3.人在回路仿真分析研究环境人在回路仿真分析研究环境是操作人员、飞行员在系统回路中进行操纵的仿真环境。人在回路仿真分析研究环境需要通过特定的物理效应设备，生成人需要的感知环境，构成完整的闭环仿真系统。如通过仪表系统实时显示飞机的飞行参数、导航参数、电气系统参数、发动机参数等；通过视景系统为操作人员提供逼真丰富的景象，显示白天黑夜的变化，显示机场跑道信息等；通过操纵负荷系统，使操作人员获得驾驶杆、脚蹬、开关按钮等近似真实系统的操纵力和力反馈；通过运动系统使操作人员获得动感和过载信息。图3所示是北京航空航天大学自行研制开发的SU-27人在回路仿真系统。人在回路仿真系统可用于对飞机飞行性能、飞机操纵品质、机载系统性能进行分析研究。同数学仿真环境相比，人在回路仿真系统需要物理效应设备生成操作员的感知环境。物理效应设备是实现仿真系统所需要的中间环节，它的动态特性、静态特性和时间延迟都将对仿真系统的置信度和精度产生影响，要有严格的相应技术指标要求。2.4.虚拟战场仿真分析研究环境虚拟战场仿真分析研究环境提供了一个武器平台体系对抗的作战环境，在这个环境中，可验证飞机动力学虚拟样机的飞行品质及作战效能。建立通用的、可扩展的、符合分布交互仿真技术规范的虚拟战场仿真环境是军用仿真图3人在回路仿真环境193领域的研究热点之一，满足分析、训练、采办的需求。在虚拟战场仿真环境中，直接验证飞机动力学虚拟样机的操纵性、机动作战能力，验证新战法的可行性，验证信息时代新的作战理论。图4是虚拟战场仿真分析研究环境结构图。虚拟战场仿真分析研究环境遵循HLA/RTI规范，由多个联邦成员构成：仿真管理成员、分析评估成员、人在回路仿真成员、计算机生成航空兵力成员、计算机生成导弹成员等，构成对抗双方。对抗双方也可完全由人在回路系统组成，形成一对一、二对二的格斗局面，检验飞机机动性能。或由人在回路系统与计算机生成兵力系统联合组成编队。3.结束语（1）飞机动力学虚拟验机技术是研制新型气动布局飞机的关键技术；（2）数学仿真研究环境、人在回路仿真研究环境、虚拟战场仿真研究环境三者相辅相成，基于相同的信息平台，从不同侧面验证新型飞机操纵性、稳定性、机动性；（3）飞机研制部门与飞机虚拟样机环境研制部门的合作是形成我国飞机产业的有效途径；（4）飞机动力学虚拟样机研究环境的支撑技术适应其它飞行器的研究开发，是一个通用的可扩展的分析研究环境。参考文献1．顾诵芬，飞机总体设计[M]，北京：北京航空航天大学出版社，20032．王行仁，飞行实时仿真系统及技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，19983．张汝麟，飞行控制与飞机发展[J]，北京航空航天大学学报，Vol.29,No.12,2003，P1077～10834．IlanKroo,SteveAltus,RobertBraun,PeterGageandIanSobieski,Multidisciplinary图4虚拟战场仿真分析研究环境194OptimizationMethodsforAircraftPreliminaryDesign[J].AIAA94-43255．BennettJ,FenyesP,HaeringW,NealM,IssuesinIndustrialMultidisciplinaryOptimization[J].AIAAPaper98-4727,