1 全飞行模拟机简介
全飞行模拟机是一个典型的人在回路的仿真系统。它能够复现真飞机在空中的各类复杂的飞行环境, 用于飞行员进行起飞、爬升、巡航、着陆以及各种复杂飞机故障处理的训练;同时也可以对飞行员在飞机的飞行性能、操纵品质及飞机的系统性能方面进行全面评估和分析。
全飞行模拟机由模拟机座舱系统、运动系统、视景系统、音响系统、操纵系统及仿真计算机组成。各种飞行系统的数学模型通过运动系统、视景系统、音响系统给飞行员提供真实的多维的的仿真环境, 使得飞行员获得如同真实飞机飞行中完全相同的飞行感知, 从而达到训练的目的。
2 六自由度运动系统
目前国际上通常采用的运动系统是六自由度 (6DOF-Degree Of Freedom) 的运动系统。采用六个相同的伺服作动筒, 通过运动计算机及相关的接口进行实时控制, 从而让模拟机座舱平台按飞行方程的计算结果进行俯仰、倾斜、偏航三个姿态角运动以及升降、纵向、侧向三个线性运动。如图1所示。
根据国家标准建立的飞行运动方程可以计算着六个自由度的各自运行量, 表示 (1) 如下:
其中, u、v、w表示飞机加速度在机体轴系中的分量;
p、q、r表示飞机角速度分量;
X、Y、Z表示在机体轴中所受的总力。
而飞机绕质心转动的动力方程为 (2) :
其中, Ixy=0, Iyz=0 (假设飞机具有对称面) ;
L, M, N表示飞机在机体轴中所受的总力矩。
飞行运动方程可以完成飞机六自由度非线性全量运动的解算, 获取飞机的姿态和位置, 同时计算其它的飞行参数, 如高度、速度等。其运算的流程如图2所示。
其中, 起落架的力和力矩模块的计算会受到前轮操纵角、刹车已经其它轮子的速度的影响。而该运动方程的模块就是根据飞行系统提供的飞机速度、加速度、高度、飞机质量等变量的数值来进行计算, 得到运动平台各个作动筒的运动行程, 指挥作动筒按不同的运动距离来伸缩, 从而使得模拟机可以真实地模拟飞机的飞行姿态。
3 液压系统简介
目前国际上最常见的运动系统包括液压和电动两种。而液压型的运动系统以其工作的超大功率和超长的稳定获得了广泛的使用。所谓的液压系统就是以液体 (即液压油) 为工作介质来传递力、运动和动力。在模拟机中, 就是将电能通过该系统转化为模拟机运动平台升起和降落的动力。全飞行模拟机的运动系统由运动平台、六个伺服作动筒、液压油缸和液压传动装置组成。每个作动筒上端通过传动轴与模拟机平台轴相连, 其下端同样通过传动轴与地基轴承组件相连。
液压系统的工作过程实际上就是能量的转换与传递过程。液压部分由电机、液压泵、各种控制阀以及液压马达组成, 主要完成将电能→机械能→液压能→机械能的转换。图3显示的是液压系统的组成和能量流向。
作动筒液压筒由液压泵、液压总管、伺服阀、活塞杆以及位移传感器组成。活塞杆主要由液压静力活塞、活塞杆以及上下两个缓冲垫组成;位移传感器是一块磁铁, 置于活塞杆下端, 位于作动筒内部, 通过测量起始与终止脉冲之间的时间差来精确地定位作动筒的运动行程。
当液压系统的液压泵向伺服作动筒充压时, 在活塞杆与轴承之间以及液压筒内腔壁之间将形成一层高压油膜, 由于全密闭的原因, 这层薄薄的液压油就能产生足够大的液压力, 用以支撑和定位活塞杆, 使得模拟机的运动平台随着活塞杆的移动来进行上下、左右、前后的运动;同时也可以防止活塞腔内外壁的接触摩擦以保护伺服作动筒。
4 结语
由于运动系统对于飞行模拟机的真实性具有至关重要的作用, 因此运动系统及液压系统的正常工作和稳定就是正常飞行训练的基本和保障。对于此系统来说, 了解它的原理和运行规律, 在日常的模拟机维护中, 将系统的检查和保养做到前面, 将故障诱因和隐患消灭在萌芽中, 就可以大大地降低故障发生的频率。研究和探索液压系统的原理, 可以力争缩短维修周期, 为模拟机维修、飞行训练管理、节约模拟机的训练成本发挥积极的作用。
摘要：本文对全飞行模拟机液压运动系统进行了详细的分析和阐述, 主要介绍了模拟机六自由度运动系统的工作原理和飞行方程;以及模拟机液压系统的能量流向原理和主要部件。针对液压系统的运行特点着重提出了相应的维护措施。
关键词：飞行模拟机,六自由度运动系统,液压系统
参考文献
[1] 彭晓源.系统仿真技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.
[2] 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, 2000.
[3] 陆望龙.液压系统使用与维护手册[M].北京:化学工业出版社, 2008.
[4] 李培兹.飞机液压传动与伺服控制[M].北京:国防工业出版社, 1980