由俊生刘森
(空军第四研究所北京100036)
摘要应用飞行力学理论，进行飞行仿真研究，建立飞行动力学仿真模型.针对当代高性能战斗机的发展和飞机的高速特技飞行操纵特性进行重点研究.应用航空生物动力学理论，对飞行员的感知觉和飞行经验进行研究，建立动态飞行人体感知觉模型，将飞机产生的非常速度、加速度和角运动刺激对飞行员操纵能力的影响进行仿真研究.将飞行人体感知觉模型与飞行动力学模型拟和处理，得到动态飞行仿真模型.应用载人离心机技术，实现高过载(-5G一十15G)动态感觉模拟，并以实例验证这种建模方法的准确性和实用性. 该系统能进行先进飞机的高过载训练研究:飞行员生理、心理研究:空间定向障碍研究和新型战斗机的战术战法研究。为新一代战机的研究和飞行训练提供了全新的动态飞行仿真系统。
新一代高性能歼击机成为主战飞机，特技飞行、战术飞行动作产生的非常速度、加速度和角运动刺激，将会严重影响飞行员的操纵技术、体能状况和心理状态。对飞行员进行高过载模拟飞行训练和高过载状态的生理心理检测，成为现代飞行仿真的发展要求。
飞行模拟器的运动平台，一般只能模拟低过载动态感觉，为追求其主要战术技术指标，在战斗机飞行模拟器中大都把运动平台舍弃，但一直没有放弃高过载动态模拟的探索。作为飞行员高过载能力检测的离心机的发展，提供了飞行高过载( -6G-+15G)仿真环境，用载人离心机技术实现模拟飞行的高过载运动，是飞行仿真技术的新发展。
近几年以美国为首的先进国家，率先进行“离心机动态飞行模拟(DFS)”的研究，把空战环境模拟(ACES)和战术模拟系统(MSS)作为离心机应用的主要内容，实现了载人离心机一飞行模拟器的高过载接轨，取得了显著的科研和训练效果。
1 动态飞行仿真系统的构成
动态飞行仿真系统由主动力系统:旋转臂(臂长一般8-15米):俯仰一滚转运动万向架:吊兰一模拟飞机座舱等部分组成。
吊兰内壁作为视景的球形屏幕与装于吊兰内的飞行座舱构成球形视景飞行模拟器，吊兰安装在旋转臂的端点，吊兰一飞行座舱在主动力控制下作水平旋转运动(旋转半径一般8-15米)与俯仰一滚转运动合成3自由度运动，使离心力作用于飞行员产生高过载刺激。
主动力系统由大功率((2兆瓦左右)交流同步电机和交流变频控制器组成，能输出高扭矩(2000千牛米左右)，并保证转速范围内(转速适应G值要求)整机控制跟踪性能适应高过载模拟飞行要求。
旋转臂结构由旋转臂十支架结构+配重臂(含配重)组成，以支架结构与主电机联结，旋转臂支持二自由度(俯仰一滚转)运动吊兰，水平旋转。刚性符合要求，自然频率大于10赫兹/秒，工作寿命30年。尽量减轻重量以保证整机最小的转动惯量，获得最佳的控制跟踪性能，提高动态模拟飞行的动感逼真度。
吊兰内的飞行座舱装有飞行模拟仪表:飞机操纵杆、舵和油门;平显一下显模拟显示系统;模拟音响系统;飞行员通过前风档看到的运动的视景，三通道视景垂直视场600水平视场大于1200，球形视景屏幕粘贴在吊兰内壁上。
如图:
动力控制系统电力液压源运动控制系统
图中给出了动态飞行仿真系统的内部控制关系，在这里飞行员操纵模拟飞行在视觉一视景仪表:听觉一模拟音响;触觉一操纵杆、舵和油门力感与位置感觉。而仿真解算的三个轴向线加速度((a， ,a功, a:。)三个角速度和角加速度(P,9,r,六打)三个姿态角(O,V,P )，经过人体感知觉模型和六自由度(6DOF)/三自由度(3DOF)模型等一系列变换与滤波，控制离心机三自由度运动，产生的离心力作用于飞行员，形成逼真的高载荷飞行动感刺激，成功的把离心机航空医学生理心理检测技术与飞行仿真技术结合在一起，这就是近几年国际飞行仿真领域新发展的离心机动态飞行模拟器一DFS(DYNAMIC FLIGHT SIMULATOR)
2 动态飞行模拟(DFS)主要技术要求:
2.1高保真的座舱环境模拟:
座舱布局(模仿xx型飞机，可根据不同的机型进行更换)以及驾驶杆、脚蹬、油门的力度感觉模拟。视景显示模块(计算机成像系统，在卫星的实际探测数据的基础上对窗外视景进行实时处理和显示，包括地形、地貌、飞行目标、不同气象条件的模拟);平显一下显系统模块(模拟xx型飞机平显一下显功能画面);仪表显示系统模块(计算机生成xx型飞机仪表，仪表的显示与运动对应);音响模拟模块(立体声模拟系统可以同步地对引擎及气流声音进行模拟)。
2. 2先进的飞行仿真与控制系统:
飞行仿真算法(xx型飞机的运动方程，结合空气动力学模型、飞机本体控制特性以及气象等一系列模型和6DOF到3DOF的高保真运动转换);人体感知觉算法(结合视觉、前庭、本体感觉的数学模型，协调视觉和运动感觉间的运动刺激，并通过试验修正获得人体感知觉的控制算法);运动平台控制算法(运动转换算法，引入前馈控制系统FORWARVD FEED BACK能有效的提高运动系统的整体跟踪特性，但也对飞行仿真模型的解算精度提出更高的要求)。
控制系统特点是在包括人的闭环控制环节中(man- in- loop)加入包括运动转换和人体感知觉模型在内的控制算法。通过这一算法的处理，对离心机的控制既参照了飞机的运动，也强调了操纵和运动感受的一致，在整体上保证了飞行员感受到与实际飞行环境尽可能接近的运动刺激。
2.3重要的科研与训练作用:
动态飞行仿真系统能进行先进的高过载特技飞行训练:与人体生理相关的研究;空间定向障碍研究和空战模拟研究;能对特定xx型飞机的模拟，对飞行品质和人员因素进行定量分析以及和G有关的空间向障碍和运动病的研究。
比起固定与部分运动平台的模拟器来说，离心机能提供更为连续的运动保真，为研究和训练准备了更广范的运动环境。而且，现代高性能战斗机的复杂动作对前庭的刺激，业已影响到了人体加速度耐力。所以发展高性能战斗机，动态飞行模拟研究具有极其重要作用。
2.4动态飞行仿真系统主机性能要求:
旋转臂长(旋转半径)-15米:自然谐振频率)10 Hz
加速度连续可调范围:Gx:-10G一‘10 g;Gy:-6G一+6 g;Gz:-5G一+15 g
最大滚转角加速度 rad/S’:最大俯仰角加速度:15 rad/ S’
最大平均增长率:10G/s;系统延迟时间-<80m s
离心机结构设计寿命:设计寿命6万小时，30年。
2.5动态飞行仿真系统DFS主要飞行数据:
适应xx型飞机飞行数据要求.
3 动态飞行仿真系统功能:
3.1 动态模拟飞行课目:
能进行xx型飞机全部过载包线范围内的特技飞行训练，实时提供逼真的过载感觉刺激。
例如:平飞一爬升一下降;俯冲一跃升;大坡度盘旋;横滚;斤斗:失速与螺旋等动态飞行训练。而且可以在飞行中由飞行员自由组合飞行。
3.2医学检侧项目:
进行心电图;呼吸率;脑电:脉搏一血氧饱和度:无创血压:跨颅血流等项生理监测和检测。在动态飞行状态对飞行员进行心理状态监测。
4 动态飞行仿真系统主要技术问题
4. 1主动力电机控制
为了获得所需的总体跟踪性能，适应动态飞行的技术要求，电机一般选用直流力矩电机或变频调速交流同步电机。
电机符合国标GB755-2000与国际标准idt IEC60034-1:1996
主动力控制系统采用DTC一直接力矩控制技术，可以对交流电机所有的核心变量进行直接控制，它从零速度开始就可以实现电机速度和转矩的精确控制，在DTC中定子磁通和转矩被作为主要的控制变量，高速的数字处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新4万次。
4.2飞行仿真
飞行仿真系统与当前常用的飞行模拟器基本一致，由飞机模拟操纵系统:飞行仿真模型解算系统:模拟平显一下显，仪表系统;模拟飞行音响系统;飞行视景系统等组成。
离心机转动的吊兰实际上是一个球形全视景飞行模拟器，在吊兰的内部固定着xx型战斗机的座舱，座舱内装有与真实xx型飞机一样的设备，通过飞机座舱风档可以看见投射在吊兰内壁上的兰天白云、大地景物与空中地面目标，给飞行员以逼真的飞行环境。飞行员在座舱内操纵着飞机，通过计算机的解算与控制，座舱外的景物与座舱内的仪表、显示器、开关手柄均与飞行状态一致。给飞行员以在蓝天飞行的感觉刺激。
所不同的是与此同时输出运动信号，经过变换控制离心机运动，给飞行员以逼真的动感刺激，与飞行仿真感觉刺激相协调。
4.3离心机与飞行仿真的动感交联
离心机的三自由度运动形成的离心力，通过动感交联变换，使飞行员感觉到与真实飞行一致的动感刺激，离心机成为飞行模拟器的运动平台。动感交联变换主要通过六自由度(6DOF)‘三自由度(3DOF)模型变换与人体感知觉模型变换实现。
如图:
反馈调整
飞行仿真模型
6DOF前馈调核
人体感知觉控制算法
加速度指令
Gxn
俯仰滚转指令
PQ
运动模型
人体响应模型
加速度指令
Gxn
俯仰滚转指令
PQ
人体响应模型
加速度比较器
离心机运动模型
300F
俯仰雄转角
比较器
Gerror
加速度、俯仰、滚转误差目标调整(误
