训练型飞行模拟器系统设计及仿真研究
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摘要
飞行模拟器是一种能比较逼真地复现飞机在空中的飞行状态和环境的地面设备，包括工程型飞行模拟器、研究型飞行模拟器和训练型飞行模拟器三种，是新机研制、飞行理论研究、飞行控制研究和飞行员训练不可缺少的设备。本人参与的是民航总局项目．全任务飞行模拟器研制，开发用于对飞行员进行飞行训练的模拟仿真设备。论文是对项目中所做工作的一个总结。
论文的主要工作如下：
1、论文对训练型飞行模拟器的需求形势、国内外技术现状进行了分析总结，给出了我国目前在该领域存在的差距。
2、采用GL Studio软件对空中客车A320发动机的飞行仪表界面、操纵装置进行了仿真；给出了仪表仿真界面的动态变化结果；总结了仿真过程中的一些技巧；仿真的发动机操纵装置和ECAM(中央电子监控系统)两个程序之间采用共享内存技术进行数据通讯，编制了相应的通讯程序。
3、介绍了发动机系统的仿真方法和发动机模块的组成，给出了训练型飞行模拟器的故障设置分类、要求和实现办法，复现了发动机的部分典型故障，给出了相应的仪表界面显示。
4、应用改进变步长2阶Runge-Kutta法求解了某型飞机在定直平飞状态下纵向小扰动全量运动方程组，给出了求解过程和参数的变化曲线，实际计算表明该方法能够满足飞行仿真精度和实时性的要求。该部分主要从理论上对飞行仿真的参数计算进行了探讨。
5、给出了飞行仿真视景系统设计时应考虑的因素，通过MultiGen Creator软件建立了空中客车A320的飞机三维模型和机场模型，利用视景仿真软件开发工具Vega，给出了视景仿真的流程图，模拟了飞机的起飞、降落过程。所开发的视景仿真系统能支持四级能见度。为适应飞行训练和教学演示的多种需求，视点可支持双视窗、机窗外和飞行员视景三种类型视点，并在视景上叠加了显示／隐藏飞机飞行数据功能。视景系统能真实反映飞机的位置与姿态变化，并实现了夜航模式。
论文解决了在模拟器开发初期没有油门杆等操纵硬件的问题，同时也是系统
The flight simulator is the ground equipment which can make the flying condition and environment when the aircraft is in the air reappear vividly. It includes the engineer flight simulator, the research flight simulator and the training flight simulator. It is indispensable for the research and manufacture of the new aircraft, the flight theory study, the flight control study, and the pilot training. The project that I attend is the research and manufacture of the full-task flight simulator, which exploits the simulation equipment used to train the pilot and is one of the projects of CAAC. This paper is the summarization of the work that I have done.
The main content of the paper is as follows:
1. Analyzing and summarizing of the requirement situation of the training flight simulator and the status quo of the national and foreign technology; and stating the gap of our research in this field at present.
2. Using the GL Studio software to simulate the engine's flight instrument board and the control device of Airbus A320; giving the dynamic change result of the instrument simulation board; summarizing the skills in the simulation process; The two programs of the simulation engine control device and ECAM (Electronic Centralised Aircraft Monitor) adopt the share memory technology to make the data communication and program the corresponding communication program.
3. Introducing the simulation method of the engine system and the composing of the engine module; providing the classification, requirement and realization method of the malfunction setting for the training flight simulator; reproducing some typical malfunctions of the engine and giving the corresponding display of the instrument board.
论文的主要工作如下：
1、论文对训练型飞行模拟器的需求形势、国内外技术现状进行了分析总结，给出了我国目前在该领域存在的差距。
2、采用GL Studio软件对空中客车A320发动机的飞行仪表界面、操纵装置进行了仿真；给出了仪表仿真界面的动态变化结果；总结了仿真过程中的一些技巧；仿真的发动机操纵装置和ECAM(中央电子监控系统)两个程序之间采用共享内存技术进行数据通讯，编制了相应的通讯程序。
3、介绍了发动机系统的仿真方法和发动机模块的组成，给出了训练型飞行模拟器的故障设置分类、要求和实现办法，复现了发动机的部分典型故障，给出了相应的仪表界面显示。
4、应用改进变步长2阶Runge-Kutta法求解了某型飞机在定直平飞状态下纵向小扰动全量运动方程组，给出了求解过程和参数的变化曲线，实际计算表明该方法能够满足飞行仿真精度和实时性的要求。该部分主要从理论上对飞行仿真的参数计算进行了探讨。
5、给出了飞行仿真视景系统设计时应考虑的因素，通过MultiGen Creator软件建立了空中客车A320的飞机三维模型和机场模型，利用视景仿真软件开发工具Vega，给出了视景仿真的流程图，模拟了飞机的起飞、降落过程。所开发的视景仿真系统能支持四级能见度。为适应飞行训练和教学演示的多种需求，视点可支持双视窗、机窗外和飞行员视景三种类型视点，并在视景上叠加了显示／隐藏飞机飞行数据功能。视景系统能真实反映飞机的位置与姿态变化，并实现了夜航模式。
论文解决了在模拟器开发初期没有油门杆等操纵硬件的问题，同时也是系统
The flight simulator is the ground equipment which can make the flying condition and environment when the aircraft is in the air reappear vividly. It includes the engineer flight simulator, the research flight simulator and the training flight simulator. It is indispensable for the research and manufacture of the new aircraft, the flight theory study, the flight control study, and the pilot training. The project that I attend is the research and manufacture of the full-task flight simulator, which exploits the simulation equipment used to train the pilot and is one of the projects of CAAC. This paper is the summarization of the work that I have done.
The main content of the paper is as follows:
1. Analyzing and summarizing of the requirement situation of the training flight simulator and the status quo of the national and foreign technology; and stating the gap of our research in this field at present.
2. Using the GL Studio software to simulate the engine's flight instrument board and the control device of Airbus A320; giving the dynamic change result of the instrument simulation board; summarizing the skills in the simulation process; The two programs of the simulation engine control device and ECAM (Electronic Centralised Aircraft Monitor) adopt the share memory technology to make the data communication and program the corresponding communication program.
3. Introducing the simulation method of the engine system and the composing of the engine module; providing the classification, requirement and realization method of the malfunction setting for the training flight simulator; reproducing some typical malfunctions of the engine and giving the corresponding display of the instrument board.
引文
[1] 周自全，刘兴堂，余静等．现代飞行模拟技术[M]．北京：国防工业出版社，1997．
[2] 汪元辉 主编 安全系统工程[M]．天津大学出版社，1999年
[3] 《飞行模拟设备的鉴定和使用规则》(CCAR-60) 中国民用航空总局
[4] 王维翰 干线飞机飞行模拟器研制初探[J]．飞行力学，1994，12(3)：1-4
[5] 章伯定．飞行模拟的新进展[J]．飞行力学，1994，12(1)：1-5．
[6] 王知中 飞行模拟器的发展及作用[J]．航空科学技术，1993，18-20
[7] 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，1998
[8] 刘兴堂，吕杰，周自全．空中飞行模拟器In-Flight Simulators(IFS)[M]．北京：国防工业出版社，2003．
[9] 韩蕾，飞行模拟器运动机构及系统仿真研究[D]：[硕士学位论文]．天津：中国民用航空学院，2004。
[10] 贾立山．基于全量运动方程的飞行系统数值模拟研究[D]：[硕士学位论文]．天津：中国民用航空学院，2005．
[11] 李庆勋．飞行模拟器视景系统的研究与开发[D]：[硕士学位论文]．天津：中国民用航空学院，2003．
[12] 张国峰．有人驾驶飞行模拟器仿真系统的实现[J]．系统仿真学报，2000，12(4)：305-307．
[13] 熊端琴，刘宝善，郭西．现代飞行模拟的进展[J]．人类工效学2004，10(3)：69-71
[14] 姜世发．飞行模拟器的回顾及其发展[J]．电光与控制，1998，71(3)：8-12．
[15] 黄家骅，冯国泰 航空发动机特性仿真技术的进展与展望[J]．推进技术2002，23(4)：346-351
[16] Fishbach L H. Computer simulation of engine systems [R] AIAA 80-0051.
[17] Szuch J R. BYDES-a generalized hybrid computer program for studying turbojet or turbofan engines [R]. NASA TM X23014, 1974.
[18] Daniele C J1 Sellers J F. DYNGEN-a program for calculating steady state and transient performance of turbojet and turbofan engines [R]. NASA TN D-7901, 1975.
[19] Adolf H Wbos. Intake-engine matching for high-speed civil transport powerplant design and analysis [J]. Aircraft Design, 1999, (2): 95～104.
[20] Milt Davis, William Baker, Greg Power, et al. A proposal for integration of wind tunnel and engine test programs for the evaluation of airframe-propulsion compatibility using numerical simulations [R]. ASME 99-GT-345, 1999.
[21] Schobeiri M T, Attia M, Lippke C. GETRAN: a generic, modularly structured computer code for simulation of dynamic behavior of nero-and power generation gas turbine engines[J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 1994, 116: 483～494.
[22] Schobeiri M T, Attia M, Lippke C. Nonlinear dynamic simulation of single and multispool core engin , Part Ⅰ: computational metho [J]. AIAA Journal of Propulsion and Power, 1994, 10(6): 855～862.
[23] 童凯生．航空涡轮发动机性能变比热计算方法[M]．北京：航空工业出版社，1991．
[24] 倪维斗，刘少英．某型双轴航空发动机的混合实时仿真[J]．航空动力学报，1992，7(4)．
[25] 曾庆福，张燕东，管彦深．并行处理双转子发动机实时仿真[J]．航空动力学报，1993，8(4)．
[26] 周淑萍，李新民，倪行强．涡喷发动机多媒体实时数字仿真[J]．推进技术，2000，21(3)．
[27] 赵子元，姚华，李维业．发动机简化数学模型及数字仿真研究[J]．航空动力学报，1993，8(2)．
[28] 刘燕，刘伟，陈辅群等．双轴涡喷发动机性能实时模拟简化模型[J]．航空动力学报，1994，9(4)．
[29] 李松林，孙建国，李健民等．求解涡扇发动机数学模型的有限域搜索方法[J]．航空动力学报，1997，12(3)．
[30] 李松林，孙建国，黄金泉等．涡扇发动机机载自适应建模技术研究[J]．航空动力学报，1998，13(3)．
[31] 谢光华，曾庆福，张燕东．航空发动机仿真模型参数自适应校正[J]．航空动力学报，1998，13(1)．
[32] 郑严．弹用涡喷发动机启动加速过程试验[J]．推进技术，2000，21(4)．
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[39] Parker Khary I, Guo Ten-Heui. Development of a Turbofan Engine Simulation in a Graphical Simulation Environment [R]. Cleveland, Ohio, USA: Glenn Research Center, 2003. NASA/TM—2003-212543.
[40] Szuch John R, Kurt Seldner, Cwynar David S. Development and Verification of Real-Time, Hybrid Computer Simulation of F100-PW-100(3) Turbofan Engin [R]. Cleverland, Ohio, USA: Lewis Research Center, 1977. NASA TP-1034.
[41] 李中群．系统仿真及其在航空发动机仿真平台设计中的应用研究[D]：[硕士学位论文]．西安：西北工业大学，2004．
[42] 邓军 飞行模拟器[J]．多媒体世界1999，第7期，70-72
[43] 陈治怀 飞机性能工程[M]2001年
[44] 刘兴堂，万少松，张双选．论军用模拟训练器／系统的发展趋势[J]．空军工程大学学报(自然科学版)，2001，2(4)：19-21
[45] 崔小宝，杨宗佑．关于飞行模拟器列装的几点认识和启示[J]．电光与控制，2002，9(3)：5-8．
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[48] 韦有双，杨湘龙，王飞 虚拟现实与系统仿真[M]．国防工业出版社2004年
[49] 吴娇蓉 交通系统仿真及应用 同济大学出版社[M]．2004年
[50] GL Studio User' s Guide Version 2.1 DISTRIBUTED SIMULATION TECHNOLOGY. INC
[51] GL Studio API Version 2.1 DISTRIBUTED SIMULATION TECHNOLOGY. INC
[53] 刘大响，陈光．等编著 航空发动机-飞机的心脏[M]．航空工业出版社 2003年pp135-137
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[55] 范作民，孙春林，白杰，航空发动机故障诊断导论[M]．科学出版社．2004年
[56] 廉莜纯，吴虎编著，航空发动机原理[M]，西北工业大学出版社，2005年
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[59] 黄顺周，王永明，江和浦，核心机及其派生发动机发展的方法研究[J]．燃气涡轮试验与研究，2005，(5)：1-5．
[60] 刘志友，高空模拟试验发动机推力的确定与应用[J]．燃气涡轮试验与研究，2005，(8)：1-5．
[61] 赵永建，航空发动机故障统计与分析数据库的建立[J]．沈阳航空工业学院学报，2005，(6)：6-7．
[62] 刘大响，航空动力发展的历史性机遇[J]．航空发动机，2005，(2)：1-3．
[63] 樊江，隋明君，孔瑞莲，基于可复用面向对象的航空发动机典型故障管理系统[J]．航空发动机，2005，(2)：55-58．
[64] 敖良忠，CFM56-3发动机控制系统故障隔离方法[J]．航空维修与工程，2005，(4)：29-34．
[65] 吴家铸，党岗，刘华峰，等视景仿真技术及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2001．
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[71] 王行仁．飞行仿真技术——第一讲 飞行仿真技术综述[J]．测控技术，1994，13(2)：47-50
[72] 贾荣珍．飞行仿真技术——第二讲 飞行系统建模与算法[J]．测控技术，1994，13(3)：43-46
[73] 贾荣珍，王行仁．飞行仿真系统的建模与验证[J]．飞行力学，1996，14(1)：80-84
[2] 汪元辉 主编 安全系统工程[M]．天津大学出版社，1999年
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[29] 李松林，孙建国，李健民等．求解涡扇发动机数学模型的有限域搜索方法[J]．航空动力学报，1997，12(3)．
[30] 李松林，孙建国，黄金泉等．涡扇发动机机载自适应建模技术研究[J]．航空动力学报，1998，13(3)．
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[68] MultiGen. Paradigm. LynX/Vega NT Version 3.7 Tutorial.
[69] MultiGen. Vega QuickStart Guide Version 3.7 for Windows 2000.
[70] MultiGen. Vega LynX User's Guide Version 3.7 for Windows 2000.
[71] 王行仁．飞行仿真技术——第一讲 飞行仿真技术综述[J]．测控技术，1994，13(2)：47-50
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[73] 贾荣珍，王行仁．飞行仿真系统的建模与验证[J]．飞行力学，1996，14(1)：80-84