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无尽的前沿:模拟飞行的今生与未来
2019-11-26   来源:飞商网   阅读次数:68   

世界上最安全的交通工具是什么?

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哪个飞行阶段最不安全?东航董事长刘绍勇先生有过一个经典回答:去机场的路上最不安全。虽然这句话听起来像是一个玩笑话,但这确是一个事实,航空的安全系数远高于其它交通工具。

根据2018年的事故统计,全球致命飞行架次是15架,按照全球飞行架次总量来计算,致命的事故率是250万分之一。一次安全的运营离不开各个部门的协调工作,例如飞行员受过训练、地面有调度、飞机上先进的设备以及飞机要定期做检查,但是今天我想作为一名飞机设计师来跟大家聊一下为什么飞机是安全的。

蜘蛛网图


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这张图俗称为“蜘蛛网图”,这张图上有三个同心圆,圆点向外辐射的这些线是飞机的飞行参数,比如说速度、过载等等。

绿色的圆是正常飞行包线,在这个圆上飞机不仅是安全的,还必须具备一级的飞行操纵品质和乘坐品质。

黄色的圆是操纵飞行包线,在这个包线上首先是安全的,第二飞机是可操纵的。在这个圆上飞机可能会有不稳定的趋势,所以我们会在这个包线上设置一些告警。

红色的圆是限制飞行包线,它是飞行安全底线,超出去有可能就是不安全的,但是这个包线以内,包括这个包线上是安全的。同时在这个包线上设置一些升级的告警以及保护功能,提醒飞行员现在你可能在不安全的、在往外发展的趋势上,飞行员要操纵飞机回到这个圆以内。

比如超速的时候会设置一个超速保护,使减速板自动升起,降低飞机的速度;当飞机失速的时候会设置一个高迎角保护,让飞机自动低头,远离这个边界。飞机设计和适航试飞演示的过程当中,这三个圆上对应的飞行品质都要做测试,必须满足适航的规章。

在红色的圆上进行的科目称为高风险试飞科目。正常运营的时候是在绿色的这个圈上运行,航空公司和飞行员往往只被允许在绿色的圈上运行,偶尔会超出这个绿圈,但是绝对不会触碰黄圈,一旦触碰黄圈就会告警,这将会启动一个事故调查。

重量重心包线

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这张图是重量重心包线,红色的两条线代表能够安全运行的重心最前限和最后限。绿色的区域是航空公司航班使用的包线,它考虑到了航班上不同乘客数量、行李重量、空中燃油消耗对重心的影响,以及空中人员走动、去上厕所等等场景下都不会超出这个包线的边界。从蜘蛛网图和重量重心包线图能够看到,我们乘坐的航班安全度是非常高的。

人机大战

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现在的航空事故,还是会让很多人对航空出行有忧虑,因为它的致死率有可能是100%。

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从官方公布的飞行数据,可以看到这两起事故的最后一刻发生了什么。这两张图分别是狮航和埃航的迎角和速度的曲线,左图是狮航的速度和高度,右图是埃航的速度和高度。我们可以看到速度是逐渐增大的,但是高度却没有办法维持,甚至还在快速的下降,如果我们能够把这个数据还原成画面,我们现在就能够看到这两起航班正以高速冲向地面。

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是什么导致了这起空难?根据业内的解读,我们认为这两起空难的罪魁祸首就是风标,风标是装在机头两侧的探测飞机迎角的设备,它相当于是飞机的传感器,它会告诉飞机你现在的状态是否安全。因为迎角增大到某一个临界值飞机将不能够稳定地飞行,当风标告诉飞机你的迎角处于比较大的状态的时候,飞机就会触发自我应急保护,使飞机自动低头,这个功能称为MCAS功能,在所有设备工作正常的时候这绝对是友军,而一旦某一个设备故障了它就是空难的执行者。

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通过这张图可以完整的看到人机大战的过程,当飞机开始加速之后升空离地,左侧的风标迎角出现了故障,迎角已经达到二三十度,已经超过了MCAS功能触发的门限值,飞机开始自动往低头的方向配,飞机开始持续的低头,这时飞行员知道有危险,而飞机自认为它在帮你改错,飞行员看到飞机在低头俯冲,他想把飞机拉起来,除了手动按平尾电动配平开关,还有就是拉升降舵,但是升降舵只占平尾面积的1/10,它是不能抵抗得了的。后面这个过程就是人机大战,飞行员手动往抬头方向配,系统一直往低头方向配,最后偏度保持在很大的低头状态,很遗憾的是,人机大战人类失败了。

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这个功能能否把它切断,飞行员是有第一权限的,通过这张图可以看到,机舱内有很多的操纵开关。有自动配平开关、有驾驶杆、平尾切断开关,把自动触发的配平功能切断以后,就可以用手动配平飞行。

这个故障源是我们在地面上,看着数据很容易知道迎角故障。但是在飞机上风标迎角故障会在飞机上提供一个间歇性的杆抖,失速之后会抖杆,座舱里会有告警声音、会断开自动驾驶仪,同时也会带来空速不一致,高度不一致,感觉压差等等,这样的语音告警和视觉告警,那个时候飞行员所处的环境是非常复杂的,他当时很难判断真正让飞机俯冲的原因是什么,因此而错失了改错的良机,如果当时能很快就知道是这个在起作用,他可以快速的用安定面电动配平电门改平飞机,再把平尾配平切断就能改变这种状态,但是这需要飞行员精准的判断和快速的操作,一旦他错过这个时机结局就是我们现在看到的这个事故,它的容错率是非常低的。

空难能否避免?

这两起事故发生以后,国内外很多飞行员自发的在Max模拟器上做试验,结果非常可怕有一部分飞行员即使知道这个故障,依然不能把飞机救回来,这说明它的容错率是比较低的,这种空难在地面就可以预测,可能设计师在地面就能够解决这个问题,但是可惜我们没有做好。

工程模拟器的前生

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飞行员用的是飞行模拟器,工程师用的设备就是工程模拟器,工程模拟器最早也是从飞行模拟器发展而来的,最早是1929年一个美国人林克先生发明的,他从小就特别喜欢飞行,但是家里没有条件送他去培训,他就自己用设备建了一个模拟器。当时在二战期间,美国的很多飞行员可能车都不会开就要去开飞机,由于对飞机的设备不熟练和特性不熟练,经常会摔,最后他们买了这个飞行模拟器。

现在过去90年了,模拟器已经做到了安全、可靠、高效,也不受气象的限制。这90年来发展飞速,从飞行员使用的场景过渡到了飞机设计师、工程人员的使用场景,它从原来的机械式发展到数字式,由原来的单自由度发展到六自由度。现在每一个飞机设计单位,在研制一个机型的时候,都会做一个机型工程模拟器配套的建设

工程模拟器的现在

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现在过去90年了,模拟器已经做到了安全、可靠、高效,也不受气象的限制。这90年来发展飞速,从飞行员使用的场景过渡到了飞机设计师、工程人员的使用场景,它从原来的机械式发展到数字式,由原来的单自由度发展到六自由度。现在每一个飞机设计单位,在研制一个机型的时候,都会做一个机型工程模拟器配套的建设。

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这是C919的飞行模拟器,右边这两张图,上面是工程模拟器的样子,下面这个图是里面的一些场景,左边这张图是这个模拟器的构成。它现在的发展是六自由度,相当于飞机的翅膀、还有中央的操纵台、声音的模拟、视景、各系统数字化的模拟。

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目前,这个模拟器除了它不能真的离地,其它的功能都很接近于真实的飞行感受,为了让飞行员更加真实地去感受,很多的操纵部件都是用真件来代替的。比如说油门杆、脚蹬、侧杆、前轮转弯的设备、驾驶舱的一些内饰等等,都是用真件来构建模型,飞行员在上面飞行的时候,尤其是把六自由度全动打开,跟在真实空中飞行没有太大的差异。

我们在这上面做高风险科目的时候,飞行员有可能动作大或者是这个科目设计的参数比较临界,把“飞机”摔了,他心里会特别难受,对于他来说飞机是不能摔的,所以会主动要求再飞一次,直到安全着陆。

有了这个工程模拟器以后,飞机设计师特别幸福,因为我们可以把我们的一些设想、猜想、甚至妄想都在这上面实现,去试验获得一个结果来优化我们的设计,我们在工程模拟器上做了非常疯狂的三件大事。

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第一件事情是我们请了42位飞行员来做这个试验,包括控制律的试验、故障情况下的试验、操纵器件的试验。这些飞行员有国内的、有国外的、有试飞员、也有航线的飞行员,C919是我们第一架做主动操纵技术的飞机,很多控制律的建模、功能都比ARJ复杂很多,我们希望通过不同的飞行员在同一个科目、同一个状态上为我们做评价,那三个圆能否都满足规章的要求,从他们的经验告诉我们还有哪里可以去完善。

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第二件事情就是首飞相关的工作,C919的首飞时间是2017年5月5号,实际上两年半以前我们就已经在模拟器上开展了相关的工作,这些就是飞行员在上面,可以说是做一个筛选,也是熟练这个飞机的操纵特性。我们也把首飞的剖面、首飞的任务、动作点的设计都在上面做大量的演练。同时还考虑了一些故障,例如首飞的时候出现单发失效、双发失效怎么办,飞机离地后系统之间的交联是否完全正确无误,如果出现了故障怎么去应急。

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第三件事情是飞行品质的MOC8试验,上面我们讲到三个圆,这三个圆有它发生的概率,如果我们飞到了这三个圆上,但是相应的系统故障了怎么办;高速保护功能失效怎么办;失速保护功能失效怎么办,这都有不同的概率,这几种不同概率组合以后对应的就有一些品质等级的要求,是一类满意的,是二类足够的,还是三类可操纵的,这就是我们要去对应的一个关系。

未来工程模拟器的设想

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对于未来工程模拟器,我们有一些设想,第一是希望它能模拟得更准确,在试飞过程中我们一般会飞到失稳区,但不会飞到深失速区,民机一旦进入深失速区是非常危险的。

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第二,我们希望场景可以模拟得更加的全面,我们可以模拟不同的失效状态、不同的飞行场景、飞行员不同的纠偏手段、不同的大气条件、甚至飞行员的反应时间、反应的增益,然后自动的排列组合来看是不是满足相应的规章要求。737Max出事以后,全球的业内都在认真的反思这件事情,空客的320neo和321neo也在地面上,这件事以后他们在地面上做了大量计算机的模拟,发现在这四种场景下飞机会出现一个过度上仰的趋势,他们很快发了一个适航指令限制飞机的后重心极限,绿色的这根线往前移了。运营的过程当中只有飞控软件更新之后解决了这个问题,才会把这个限制重新放宽。所以我们希望将来的模拟器能模拟得更全面。

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第三,我们希望这个模拟器能够更智能,能够自动的学习空难发生故障的原因,也能够自动模拟,能够实现一些故障和飞行参数的设置,并识别出一些比较临界的飞行工况供飞行设计师来研究。甚至我们可以把人工智能的功能模拟器发展成虚拟试飞的总师。

国家重点实验室

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这是我们国家重点实验室的规划,包括综合实验室、强度实验室、机构功能实验室、燃油防火实验室等等,把系统的不安全的工况集合起来供飞行模拟器使用。

在这些平台上我们已经做了有一些人机功效的,比如人员的操纵,还有各个系统专业之间的交联,在接口上容易出错的有哪些。我们希望能够最终把这些数据综合起来应用于工程模拟当中。将来被解放出来的飞机设计师可能就要面临新的挑战,如何理解这些机器告诉我们的数据和信息,还有那些我们从来都不曾理解的暗知识,也许到那个时候我们才会惊叹于“疯狂实验室”真正的奥秘。











编辑:jessica   

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