CN115719557B - 一种飞机模拟机全失速改出训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机模拟训练技术领域，尤其涉及一种飞机模拟机全失速改出训练方法，包括基于机动的训练方法及基于场景的训练方法，具体包括如下训练流程：教员操作平台进行失速设置，并将数据传入模拟主机的失速响应模块；失速响应模块接收并处理失速请求数据，并判断是基于机动的训练还是基于场景的训练后将飞机设置到给定失速状态便于飞行员进行操作训练。本发明提供的方法可以使飞机自动进入失速状态，并提供多种常见失速场景、失速构型及不同程度失速状态的快速设置，以训练飞行员对失速状态的观察和响应能力。

Description

一种飞机模拟机全失速改出训练方法

技术领域

本发明涉及飞机模拟训练技术领域，尤其涉及一种飞机模拟机全失速改出训练方法。

背景技术

失速，是指翼型气动迎角(Angle of attack)增加到一定程度(达到临界值)时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的，但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。失速可以在任何姿态和空速下发生，并可通过持续的失速警告加上至少下列一种情况来加以识别：

(1)抖振，有时候会较强；

(2)俯仰失控和/或滚转失控；

(3)不能控制下降速率。

全失速改出，是指飞机首次失速指示(例如失速警告系统激活和抖杆等)已出现，且超过临界迎角进入失速之后的失速机动改出。全失速改出训练是针对上述失速状态所进行的预防观察和改出操作的针对性训练，预防性训练可以时刻让飞行员准备好避免出现失速或加剧失速，而改出训练可以让飞行员在失速状态出现时避免造成事故。近年来，飞行中超出航空器正常运行包线或进入极端天气条件等因素(例如深度失速、进入复杂状态、结冰、阵侧风等)已经成为航空运行不安全事件或坠机事故的重要诱因，因此有必要在飞行训练中增加与飞机复杂状态和恶劣天气运行有关的扩展包线训练，包括全失速改出、复杂状态预防和改出、发动机和机身结冰、阵侧风和着陆弹跳改出等训练科目，以提高飞行员的操纵技能和情景意识等基本功，培养良好的心理承受能力，让安全运行平稳可控。

由此可见，全失速改出训练是航空安全中的重要一环，为了保证飞行训练质量，避免因飞行模拟机的功能、性能缺陷或教员不当使用对飞行员训练造成负迁移，中国民用航空局对用于全失速改出训练的飞行模拟机制定了相应的鉴定标准，只有满足该鉴定标准的模拟机，才可用于全失速改出训练。

当前全失速改出训练多以手动设置训练场景为主，即教员手动将飞机(模拟机)飞到失速或将要失速状态，再由学员进行改出或提前预防操作，学员有预设，且反应时间充分，无法有效训学员提前发现并预防失速，若由学员手动操作进入失速状态，则容易产生训练负迁移，且这两种方式均需手动设置训练场景，并手动进入失速状态，不仅效率较低，而且无法准确重复失速状态，对训练效率和训练效果均有不利影响。同时，缺少有效的真实训练场景中突发的失速状况，无法有效训练飞行员针对失速状况即时的观察、反应及决策能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种飞机模拟机全失速改出训练方法可以使飞机自动进入失速状态，且可配置多种不同程度的失速状态，并提供多种常见失速场景和失速构型的快速设置，以训练飞行员对失速状态的观察和响应能力。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其包括基于机动的训练及基于场景的训练两部分，具体包括如下训练流程：

S1:教员操作平台通过失速场景、飞机构型、失速类型的接口进行失速设置，并将设置的数据传入模拟机主机的失速响应模块；

S2:模拟机主机的失速响应模块接收并处理失速请求数据，并判断是基于机动的训练方法还是基于场景的训练方法后将飞机设置到给定状态；

S3:若判断是基于机动的训练方法则将飞行模拟机冻结，将选定构型的飞机快速置于选定的失速训练场景中，并在解除冻结后，通过超控操纵杆使飞机自动进入设置的失速状态后跳转至S5；

S4:若判断是基于场景的训练方法，则飞机不冻结，飞机在真实运行场景中，通过激发故障，使飞机进入失速状态后跳转至S5；

S5:飞行员进行失速的预防或改出操作；

S6:模拟机主机将飞行员所做出的响应发送给教员操作平台进行失速状态显示和记录，用于评估训练质量。

进一步，基于机动的训练方法包括失速状态设置、失速响应、飞行员改出及训练数据展示过程。

进一步，失速状态设置过程通过在教员操作平台上以排列组合方式进行包括飞行阶段、飞机构型、失速程度的失速条件设置，选择飞机失速后掉翼尖的方向及强度后将数据统一发送到模拟机主机内进行失速响应。

优化的，失速响应过程包括失速条件设置响应、自动失速响应及掉翼尖设置响应。

进一步，失速条件设置响应时，通过失速条件设置响应模块接收教员操作平台失速设置数据，并对数据进行解析，判断属于基于机动的训练方法后，首先进行复位初始化，并设置控制法则及失速程度，然后按照激活的飞机构型和飞行条件对飞机进行重定位及配平，将飞机置于设置的训练场景中。

进一步，自动失速响应采用式(1)进行PID控制运算，使用当前俯仰变化率及目标俯仰变化率作为输入来控制飞机抬头，偏差为目标俯仰变化率与当前俯仰变化率的差值，执行机构为俯仰操作杆，根据不同飞机构型选择不同的常数用于计算，经过PID控制算法后的输出作为俯仰操作杆的输入，控制飞机抬头：

其中：y(t)为系统的输出；n(t)为给定值；e(t)为控制的输入，即偏差：e(t)＝n(t)-y(t)被控量与给定值的偏差；u(t)为控制的输出；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，t为时间，E(t)为偏差累加值。

进一步，自动失速过程中，模拟机主机时刻监控飞行员操作输入，若飞行员有操作，证明飞行员已发现飞机正在逐渐失速或已经失速，进行了预防或改出，自动失速模块接收到这一信息后退出超控，将飞机操作权交还给飞行员,若飞行员无操作，则持续失速至达到设定的失速程度，并保持当前的失速状态。

优化的，训练数据展示包括飞行模拟机的训练包线、飞行数据显示、训练数据记录与回放。

进一步，飞行模拟机的训练包线来源于飞行模拟机的验证包线，验证包线分为试飞数据验证区域、风洞分析数据区域及外推区域。

进一步，模拟机主机对基于场景的训练时，激活基于场景的失速模型后，模型在当前飞行状态下，持续激活俯仰配平偏离-抬头故障，将飞机逐步置于失速状态，且全程不进行飞行冻结。

发明的有益效果

本发明提供的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，具有如下优点：

1.本发明包含了基于机动的训练方法和基于场景的训练方法，功能全面，通用性强，可应用于多种机型。

2.本发明设计的基于机动的训练，通过组合方式，提供多种常见失速训练场景、多种飞机构型、多种失速程度的快速设置，充分满足飞行员对不同飞行场景下失速改出操作技巧的训练需求。

3.本发明设计的基于机动的训练，设计了自动失速模块，可使飞机自动进入设定的失速状态，无需教员或飞行员手动将飞机飞至失速状态，有效解决手动进入效率较低、无法准确重复失速状态、易产生训练负迁移等问题。

4.本发明设计的基于场景的训练中，设计了基于故障的自动失速模型，可在训练中一键激活，增加失速训练的随机性，改善训练的规律性问题，加强了飞行员观察、识别和即时决策能力的训练。

5.本发明设计兼顾全失速训练的预防和改出，自动失速过程中，飞行员可通过观察，识别失速状况，随时进行预防操作，也可等飞机充分进入失速状态后，训练失速状态下的改出操作技巧，充分满足飞行员的多种训练需求。

附图说明

图1是本发明总的流程图；

图2是失速响应模块总体流程图；

图3是基于机动的训练失速状态设置流程图；

图4是基于机动训练失速条件设置响应模块；

图5是基于机动的训练自动失速模块基本流程；

图6是基于场景训练失速响应模块具体流程图；

具体实施方式

一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其总流程示意图如附图1所示，其包括基于机动的训练及基于场景的训练两部分，具体包括如下训练流程：

S1:教员操作平台通过失速场景、飞机构型、失速类型的接口进行失速设置，并将设置的数据传入模拟机主机的失速响应模块；

S2:模拟机主机的失速响应模块接收并处理失速请求数据，并判断是基于机动的训练方法还是基于场景的训练方法后将飞机设置到给定状态；

S3:若判断是基于机动的训练方法则将飞行模拟机冻结，将选定构型的飞机快速置于选定的失速训练场景中，并在解除冻结后，通过超控操纵杆使飞机自动进入设置的失速状态后跳转至S5；

S4:若判断是基于场景的训练方法，则飞机不冻结，飞机在真实运行场景中，通过激发故障，使飞机进入失速状态后跳转至S5；

S5:飞行员进行失速的预防或改出操作；

S6:模拟机主机将飞行员所做出的响应发送给教员操作平台进行失速状态显示和记录，用于评估训练质量。失速响应模块总体流程图如附图2所示。

进一步，基于机动的训练方法主要包括失速状态设置、失速响应、飞行员改出模块及训练数据展示过程。

进一步，失速状态设置过程通过在教员操作平台上以排列组合方式进行包括飞行阶段、飞机构型、失速程度的失速条件设置，选择飞机失速后掉翼尖的方向及强度后将数据统一发送到模拟机主机内进行失速响应，具体基于机动的训练失速状态设置流程图如附图3所示。其中失速条件的设置具体包括：飞行阶段设置、飞行高度设置、襟翼构型设置、起落架构型设置和失速程度设置。针对基于机动训练的训练特点，具体的失速条件设置方式为常用配置快速设置方法，通过广泛收集飞行教员关于失速训练的需求，选择其中常用的、有代表性的、对训练飞行员改出技巧最有帮助性的场景、高度、构型、强度因素，将其做成快捷键的形式，方便教员一键设置。

飞行阶段设置主要包括起飞、巡航、进近、降落，飞行高度设置为5000英尺、15000英尺、35000英尺以及飞机的升限高度。飞机的失速程度设置包括强、中、弱三个等级，以满足不同程度的失速训练要求。襟翼构型设置、起落架构型设置即为飞机本身包含的构型。

通过失速条件与失速强度排列组合的设置方式，可使任一场景都对应三种失速强度，丰富训练的多样性，充分满足飞行员对不同飞行场景下失速状态改出操作技巧的训练。同时，为减少教员操作，本方法还对失速条件设置还可以进行自动绑定，剔除了一些不常见的组合，如起飞、降落阶段自动屏蔽35000ft高度选项，巡航阶段自动屏蔽起落架放下选项等。失速后掉翼尖状态的设置包含掉翼尖方向与掉翼尖强度两部分，且两部分排列组合设置，可以增加状态的多样性。

失速响应模块是一个位于模拟机主机内的软件仿真单元，用于响应教员操作平台发送的失速状态请求，同时向教员操作平台输出响应状态。基于机动训练的失速响应过程包括失速条件设置响应、自动失速响应及掉翼尖设置响应。

进一步，失速条件设置响应过程中，教员操作平台端激活失速设置后，教员操作平台会检测激活的飞机构型与当前飞机构型是否一致，若一致，则将失速设置发送到模拟机主机端，若不一致，则会在教员操作平台上弹出提示框，并以红色字体指示出不一致的构型，提示飞行员将飞机构型设置到激活的构型，当教员操作平台监测到构型一致后，会自动关闭提示框，并将失速设置数据发送到模拟机主机端。模拟机端接收教员操作平台失速设置数据，并对数据进行解析，判断属于基于机动的训练请求后，首先进行复位初始化，并设置控制法则及失速程度，然后按照激活的飞机构型和飞行条件对飞机进行重定位及配平，将飞机置于设置的训练场景中。基于机动训练失速条件设置响应的基本流程如附图4所示。失速条件设置响应结束后，模拟机主机会将飞机置于设定好的场景中，此时，解除飞行冻结，自动失速模块开始响应，该通过超控飞机操作杆，使飞机抬头，飞机迎角逐渐增大，直到进入失速状态。

进一步，自动失速过程采用式(1)进行PID控制运算，使用当前俯仰变化率及目标俯仰变化率作为输入来控制飞机抬头，偏差为目标俯仰变化率与当前俯仰变化率的差值，执行机构为俯仰操作杆，根据不同飞机构型选择不同的常数用于计算，经过PID控制算法后的输出作为俯仰操作杆的输入，控制飞机抬头：

其中：y(t)为系统的输出；n(t)为给定值；e(t)为控制的输入，即偏差：e(t)＝n(t)-y(t)被控量与给定值的偏差；u(t)为控制的输出；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，t为时间，E(t)为偏差累加值。

在自动失速过程中，使用俯仰变化率作为输入来控制飞机抬头，即系统输出为当前俯仰变化率，给定输入为目标俯仰变化率，偏差为目标俯仰变化率与当前俯仰变化率的差值，执行机构为俯仰操作杆，Kp、Ti、Td分别为PID算法的比例、积分、微分时间常数，模块会根据不同飞机构型选择不同的常数用于计算，经过PID控制算法后的输出作为俯仰操作杆的输入，控制飞机抬头。

进一步，自动失速过程中，模拟机主机时刻监控飞行员操作输入，若飞行员有操作，证明飞行员已发现飞机正在逐渐失速或已经失速，进行了预防或改出，自动失速模块接收到这一信息后退出超控，将飞机操作权交还给飞行员,若飞行员无操作，则持续失速至达到设定的失速程度，并保持当前的失速状态。基于机动的训练自动失速过程基本流程如附图5所示。

掉翼尖设置响应模块从教员操作平台接收到掉翼尖设置数据后，对数据进行解析，读取出掉翼尖的方向和强度，并设置到对应气动模型的接口。

基于机动的训练，激活某一失速场景，将飞机重定位于该场景后，飞机处于冻结状态下，这有助于新学员对训练科目的适应和准备，也为教员讲解留出了时间。飞行冻结解除后，飞机会自动抬头，迎角会逐渐增大，直到进入设定的失速状态，飞行员在此过程中，可随时进行操作，进行失速状态的预防或改出，用于训练飞行员对失速状态的观察和识别，以及预防和改出失速状态的操作技巧。

优化的，训练数据展示包括飞行模拟机的训练包线、飞行数据显示、训练数据记录与回放。通过记录飞行员改出过程中所有的操作输入，以及主要相关状态量，用于教员评估学员训练质量。

进一步，飞行模拟机的训练包线来源于飞行模拟机的验证包线，验证包线分为试飞数据验证区域、风洞分析数据区域及外推区域。

试飞数据验证区域的飞行包线已被试飞数据所验证，在此区域内，飞行模拟机的性能和动态响应与飞机相似，具有高可信度。

风洞分析数据区域此区域的飞行包线未与试飞数据进行对比，而是通过风洞测试或使用其它可靠的预测方法(一般由航空器制造商提供)来定义空气动力模型。在此区域内，飞行模拟机的性能和动态响应与飞机相似，具有中可信度。

外推区域是在试飞验证和风洞或分析数据区域以外的推算区域。外推可以是对可靠数据的线性推算，同时保留开始推算之前的最后数值，或是其它一些集值。在此区域内，飞行模拟机的性能和动态响应与飞机相似，具有低可信度。有效的全失速改出训练应当在飞行模拟机验证包线的高可信度和中可信度区域内完成。

进一步，模拟机主机在基于场景的训练时，激活基于场景的失速模型后，模型在当前飞行状态下，持续激活俯仰配平偏离-抬头故障，将飞机逐步置于失速状态，且全程不进行飞行冻结。

基于场景的训练方法，是指通过仿真训练把某种机动飞行融入到真实飞行环境，以培养在某种运行环境下的飞行技能。基于场景训练方法的目标是培养学员具备失速状态预防、识别和改出所需的洞察力和决策技能，同时在逼真的场景训练中将基于机动的技能加以应用。在初始、转机型、升级训练以及复训中，基于场景训练通常在基于机动的训练之后。

基于场景的训练与基于机动的训练不同，不需要在教员操作平台上设置飞机的高度、速度、位置和飞机构型等参数，只需激活基于场景的失速模型即可，模型会在当前飞行状态下，通过一定规则的持续激活俯仰配平偏离-抬头故障，将飞机置逐步置于失速状态，且全程不会进行飞行冻结。基于场景的训练通过模拟真实飞行环境中可能出现的导致失速的状况，在飞行员无准备、无提示状态下，突然施加失速状况，以训练飞行员的洞察能力、决策能力和操作能力。

基于场景训练的失速状态设置也是通过教员操作平台来完成。该训练发生在真实场景中，不需要设置飞行环境，在当前训练场景中即时激活或取消失速模型即可，可通过教员激活模型的随机性实现失速训练的随机性，以达到更好的训练效果。基于场景的训练没有飞行条件响应部分，在失速响应模块收到教员操作平台发送来的失速请求后，直接进入失速响应部分。失速响应模块通过激活俯仰配平偏离-抬头故障使飞机抬头，迎角增大，同时通过监视飞机俯仰配平变化率，了解飞机当前俯仰变化状况，若飞机还未进入失速，但俯仰变化率已经很小，则取消当前的俯仰配平偏离-抬头故障后再重新激活，以使飞机能不断抬头，进而使飞机逐步失速。在失速响应过程中，若飞行员有操作，则退出当前模型，将操作权交给飞行员。基于场景训练失速响应过程具体流程图如附图6所示。

由于基于场景的训练没有飞行冻结，且为教员随机触发，飞行员需要通过观察，第一时间发现飞机的不正常状态，并及时作出预防性或改出性操作，防止飞机进入更严重的失速状态，将飞机及时从失速状态中改出。

综上所述，本发明提供的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，可以使飞机自动进入失速状态，且可配置多种不同程度的失速状态，并提供多种常见失速场景和失速构型的快速设置，以训练飞行员对失速状态的观察和响应能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于：包括基于机动的训练方法及基于场景的训练方法，具体包括如下训练流程：

S1:教员操作平台通过失速场景、飞机构型、失速类型的接口进行失速设置，并将设置的数据传入模拟机主机的失速响应模块；

S2:模拟机主机的失速响应模块接收并处理失速请求数据，并判断是基于机动的训练方法还是基于场景的训练方法后将飞机设置到给定状态；

S3:若判断是基于机动的训练方法则将飞行模拟机冻结，将选定构型的飞机快速置于选定的失速训练场景中，并在解除冻结后，通过操控操纵杆使飞机自动进入设置的失速状态后跳转至S5；

S4:若判断是基于场景的训练方法，则飞机不冻结，飞机在真实运行场景中，通过激发故障，使飞机进入失速状态后跳转至S5；

S5:飞行员进行失速的预防或改出操作；

S6:模拟机主机将飞行员所做出的响应发送给教员操作平台进行失速状态显示和记录，用于评估训练质量。

2.根据权利要求1所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，基于机动的训练方法包括失速状态设置、失速响应、飞行员改出及训练数据展示过程。

3.根据权利要求2所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，失速状态设置通过在教员操作平台上以排列组合方式进行，其包括飞行阶段、飞机构型、失速程度的失速条件设置，选择飞机失速后掉翼尖的方向及强度后将数据统一发送到模拟机主机内进行失速响应。

4.根据权利要求1或2所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，失速响应过程包括失速条件设置响应、自动失速响应及掉翼尖设置响应。

5.根据权利要求4所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，失速条件设置响应通过失速条件设置响应模块接收教员操作平台失速设置数据，并对数据进行解析，判断属于基于机动的训练方法后，首先进行复位初始化，并设置控制法则及失速程度，然后按照激活的飞机构型和飞行条件对飞机进行重定位及配平，将飞机置于设置的训练场景中。

6.根据权利要求4所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，自动失速响应过程采用式（1）进行PID控制运算，使用当前俯仰变化率及目标俯仰变化率作为输入来控制飞机抬头，偏差为目标俯仰变化率与当前俯仰变化率的差值，执行机构为俯仰操作杆，根据不同飞机构型选择不同的常数用于计算，经过PID控制算法后的输出作为俯仰操作杆的输入，控制飞机抬头：

（1）

其中：y(t)为系统的输出；n(t)为给定值；e(t)为控制的输入，即偏差：e(t)=n(t)-y(t)被控量与给定值的偏差；u(t)为控制的输出；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，t为时间，E(t)为偏差累加值。

7.根据权利要求6所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，自动失速过程中，模拟机主机时刻监控飞行员操作输入，若飞行员有操作，证明飞行员已发现飞机正在逐渐失速或已经失速，进行了预防或改出，自动失速模块接收到这一信息后退出超控，将飞机操作权交还给飞行员,若飞行员无操作，则持续失速至达到设定的失速程度，并保持当前的失速状态。

8.根据权利要求2所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，训练数据展示包括飞行模拟机的训练包线、飞行数据显示、训练数据记录与回放。

9.根据权利要求8所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，飞行模拟机的训练包线来源于飞行模拟机的验证包线，验证包线分为试飞数据验证区域、风洞分析数据区域及外推区域。

10.根据权利要求1所述的一种飞机模拟机全失速改出训练方法，其特征在于，模拟机主机在基于场景的训练时，激活基于场景的失速模型后，模型在当前飞行状态下，持续激活俯仰配平偏离-抬头故障，将飞机逐步置于失速状态，且全程不进行飞行冻结。