飞机飞行品质规范发展综述_董彦非
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根据 “八五 ”期间国家 军用标准编制任 务的要 求 , 1995年 底 , “ 7210 办 公室 ”飞 行力 学组 完成 了 “国军标 ———电传操纵系 统飞机飞行品 质规范 ”的 送审稿 , 1996年完成报批稿 , 1997年 5月 23 日 , 国 防科学技术工业委员会批准颁发了 GJB-2874-97《电 传操纵系统飞机的飞行品质 》, 其内容主要参考美国 AFWAL-TR-3081《建议的军用标准和手册 ———大气 飞行器飞行品质 》[ 7] , 适用于 高增益电传飞 行操纵 系统的高性能飞机 。 GJB-2874-97 在正文部分的各 项要求中 , 均以填空的形式出现 , 无具体指标要求 。 在附录中提供了标准正文中各项要求的编制依据和 建议值 。
先地位 , 其发展过程最具代表性 。 1908年 , 美国发布的陆军信号部队第 486号规
范第 10项要求可以视为世界上第一部飞行品质规 范 [ 4] 。该要求为 :“在合理长度的时间段内 , 飞机的 构造和 操纵 必 须 足够 简 单 以使 一 个 正常 人 成 为 专家 。”
1936年 , 美国国家航空咨询委员会 (NACA)承 担了对飞机飞行品 质提出定量设 计标 Nhomakorabea的研 究任
务 。通过试飞实验 , NACA对 60多架飞机的飞行品 质做了测试并综合飞机设计分析 、飞行品质数据和 驾驶员的评价 , 形成了最初的飞行品质规范基础 。
在二战前后 , 美国出现了很多具有特殊要求的 飞机 , 但由于没有官方统一的飞行品质规范 , 对它们 的飞行品质 要求也五花八 门 。 基于 前期的研 究成 果 , NACA在 1943年发布了第一份适用于民航和军 用飞机的飞行品质规范 (NACAReport755)。 基于 NACA的 研究 , 美 国空 军和海 军又 分别 提出 了 C1815和 SR-119细则 , 其中包括了试飞程序 , 以检验 飞机是否符合规范的要求 。 1954年 , 美国在总结二 战经验 的基 础上 , 颁布 了飞 机飞 行品 质规 范文 件 MIL-F-8785(ASG)。
2 无人机飞行品质规范的发展
2.1 无人机飞行品质规范发展现状 在过去的几十年中 , 世界各国装备的无人机数
量不断增加 , 但航空部门对无人机飞行品质规范的 研究却一直滞后 , 无人机的飞行品质评价很大程度 上依赖于有人驾驶飞机的飞行品质规范标准 。这与
第 5期
董彦非等 .飞机飞行品质规范发展综述
1976年 12月 , 美国发布的 《无人机飞行品质设 计规范 》(AFFDL-TR-76125)是当前世界上唯一针对 无人机飞行品质发布的规范 , 然而这部由美国空军 飞行动力学实验室和空军莱特航空实验室等单位制 定的规范很大程 度上仍然 依赖于 MIL-F-8785B, 难 以适应当前和今后无人机的发展需要 。
MIL-STD-1797吸取了 MIL-F-8785C的精华 , 还 参考了大量 的实践 经验 、试飞 实验和 柯柏 -哈伯 等 级 。 MIL-STD-1797A对纵向短周期俯仰动态反应的 要求是把对电传操纵系统的高阶标准加入到 MIL-F8785C等效低阶系统的标准中 。增加的准则包括频 率 响 应 应 用 Nichols图 、 Bihrle的 操 纵 期 望 参 数 (CAP)、Hoh的带 宽准则 及 N-S闭 环判 定标准 等 。 MIL-STD-1797后来经 过了修 改 , 于 1997 年重新 发 行 , 即 MIL-HDBK-1797。
目前涉及无人机的飞行品质规范没有考虑到传 感器和任务载荷需求 , 也没有对一些基本的飞行品 质规范做出调整 , 以便在不削弱适航性和任务性能 的情况下给无人机设计者更灵活的空间 。 例如 , 保 证安全裕度的失速告警装置 , 在无人机上就可以改 为对传感器和软件的要求 , 以使无人机发现并改出 失速等危险状态 。
3
世界各国对无人机研制和使用的高涨热情相比很不 相称 。
目前应用于无人机设计的典型规范主要包括美 国的 MIL-F-8785系列 、MIL-HDBK-1797系列以及各 国制定的有人机飞行品质规范 。 这些文件在应用于 无人机时 , 并没有做出修订以适用于无人机的特殊 需求 。 由于有人机和无人机的设计和操纵存在不同 之处 , 因此现行的飞行品质规范并不完全适用于无 人机 。
董彦非 1 , 荣 康 2 , 高 杰 2
(1.南昌航空大学 飞行器工程学院 , 江西 南昌 330063; 2.空军工程大学 工程学院 , 陕西 西安 710038)
摘 要 :首先阐述了国内外 有人驾驶飞机飞行品质 规范的 发展历 程 ;然后对 无人机 飞行品质 规范的 发展现 状进行了分析 , 介绍了国外无人机飞行品 质规范的研 究前沿 ;针对飞 行品质规 范的强 制性问 题进行 了分析 ;最 后总结了对我国飞行品 质规范发展的几点启示 。 关 键 词 :飞机 ;无人机 ;飞行品质 ;标准 ;规范 中图分类号 :V212.1;V279 文献标识码 :A 文章编号 :1002-0853(2010)05-0001-04
1998年 , 美国国防部发布了一套三军通用指导 规范 (JSSG), 进一步改革了 航空采办策略 , 从面向 设计转为面向性能 。 基于性能的方法忽略了一些细 节上的要求 , 主要关注于顶层任务目标 。 JSSG使研 究机构能面向自己研制的飞机 , 提出适合的相应的 飞行品质 规范 。 JSSG-2001(飞 行器 )和 JSSG-2008 (控制和管理系统 )是关于飞 行品质规范的 指导性 文件 。 这些文件面向高层次任务性能 , 飞行品质要 求仍然很大程度上依赖于 MIL-STD-1797。 同样 , 采 办机构和飞机制造商需遵照 MIL-HDBK-516来定义 适航性标 准 。 MIL-HDBK-516 参考 了很多 稳定 性 、
目前 , 随着航空科技的飞速发展 , 对飞行品质规 范发展提出了更多新的要求 , 本文旨在通过对国内 外飞行品质规范发展的综述 , 对飞行品质规范的发 展提出 启示 和建议 , 为 规范 制定 和相 关研 究提 供 参考 。
1 有人机飞行品质规范发展历程
1.1 国外有人机飞行品质规范历程 美国在飞行品质规范的发展过程中一直处于领
1977年 , 国防科工委航空气动力协作攻关办公 室飞行力学组为适应我国飞机研制的需要 , 正式成 立了 “飞行品质规范编写研究组 ”, 于 1981年完成了 《军用飞机飞行品质规范 (试 用本 )》的编制和研究 工作 , 1982年以航空工业部航空技 (1982)1449号文 正式颁发了该规范及其背景材料和使用说明 。 “六 五 ”期间 , 航空工业部与空 、海军一起 , 在该规范的基 础上 , 一起编制完成了国家军用标准 ———有人驾驶 飞机 (固定翼 )飞行品质 , 1986年 11 月正式颁发为 GJB185-86《固定翼 有人驾驶飞机 飞行品质 规范 》。 GJB185-86是根据国内在飞 行设计 、飞行实践 中有 关飞行品质方面的经验教训 , 参考 MIL-F-8785B和 MIL-F-8785C制 定 的[ 6] 。 该规 范 基本 参 照 MIL-F8785的标准体系 , 适用于机械操纵系统飞机 , 在 “等 效系统 ”的帮助下 , 也可以用于增稳操纵飞机 、控制 增稳飞机和电传操纵飞机 。
控制和操纵性等飞行品质的评判标准 , 这些标准和 作为补充材料的 JSSG和 MIL-STD-1797一起供设计 者参考 。
鉴于飞行品质研究领域对飞行品质规范的重新 关注 , 2006 年 , 美 国 国防 部又 发行 了 改进 版 MILSTD-1797B。 1797B中指出 :“不管设计如何实现 , 以 及怎样设计控制系统 , 都要保证飞行品质能提供足 够的任 务 性 能 和 安 全 裕 度 。 这 些 基 本 要 求 是 不 变的 。” 1.2 我国有人机飞行品质规范状况
引言
飞行品质规范在飞机的设计 、开发 、试飞和生产 中占有举足轻重的地位[ 1-3] 。 衡量有人驾驶飞机 (以 下简称有人机 )飞行品质好坏的标准是驾驶员能否 以较小的工作负荷准确地完成战斗 、巡航或起降等 飞行任务 。 对于无人驾驶飞机 (以下简称无人机 ), 由于没有驾驶员在飞机上操纵飞机 , 因此驾驶员的 操纵感觉不在研究范围之内 。但由于无人机使飞机 在飞行过程中大部分时间处于按预先编制的程序或 在地面操纵人员的操纵下飞行 , 所以飞机的操纵性 与稳定性更显重要 。
1969年 , 美国颁布的 MIL-F-8785B是现代飞行 品质规范的开端 , 成为世界上最具影响力的一部规 范 。该规范第一次详细描述了飞机的模态特性 , 用 无阻尼自振频率 、长周期 、短周期 、荷兰滚模态的阻 尼比定量描述了飞机的动态反应 。
根据现役飞机的研究经验 , 需要根据飞机的种 类给出不 同的飞 行品 质规范 指标 , 故 美国 在 1980 年 , 对 MIL-F-8785 进 行 了 完 善 , 颁 布 了 MIL-F8785C, 大大扩展了飞机的任 务范围 。 MIL-F-8785C 的一大亮点是 :用低阶等效系统来评价复杂的飞机 控制系统 。 设计者通过满足相应的低阶等效系统的 规范要求 , 就可以使飞机获得满意的飞行品质和动 稳定性 [ 4] 。
2
飞 行 力 学
第 28卷
室 、空军系统司令部等单位与美国系统技术公司签 订合同 , 由 McDonnell飞机公司担任顾问 , 对 MIL-F8785C进行了全面的改编和修订 , 为 新的飞机飞行 品质规范提出建议稿 。
1982年 7月 , 美国系统技术公司以 AFWAL-TR82-3081报 告的 形 式 提 出 《建 议 的 军用 标 准 和 手 册 ———大气飞行器飞行品质 》, 并发至美国工业界 、 政府和陆海空三军 , 广泛征求意见和建议 。 AFWALTR-82-3081相对 8785C具有以下两个主要特点 [ 5] : (1)具有很大 的灵活性和实用性 , 是 一本纯推荐性 和指导性的标准 ;(2)将 8785C中按 纵向飞行品质 要求 、横航向飞行品质要求和主 、次操纵系统特性等 要求改编为对俯仰 、法向 、滚转 、偏航 、纵向 、侧向 6 个轴分别提出飞行品质要求 , 并增加了不少新的内 容 。这样更适应于现代高机动性 、高增益飞机和直 接力控制技术的发展 。 5 年之后 , 美国空军 正式颁 布了一项新的标准 ——— 《军用标准 ———有人驾驶飞 行器飞行品质 》 (MIL-STD-1797)。 1990年 , 推出修 订版 1797A, 成为美 国三军通用的 标准 。 MIL-STD1797是 AFWAL-TR-82-3081 的终结稿 , 是美国空军 广泛征求陆海空三军 、工业部门和政府机关之后颁 布的 。 1797除了具有 3081的以上两个特点外 , 还有 以下特点[ 5] :(1)编制格式比 3081更标准化 ;(2)应 用范围比 3081更广泛和明确 ;(3)内容比 3081更全 面 , 更强调各项要求的验证 。
20世纪 80年 代 , 美军关 于飞行品质规 范的思 想发生了转变 , 从以往要求 “严格 、明确 ”变为 “提供 设计指导 ”[ 5] 。 1980 年 , 美国空军 的飞行动力实验
收稿日期 :2009-12-22;修订日期 :2010-06-02 基金项目 :国家自然科学基金资助 (70671106);国家 863高技术研究发展计划基金资助 (2004AA7520110103) 作者简介 :董彦非 (1970-), 男 , 河南开封人 , 副教授 , 博士 , 主要从事飞行仿真 、飞行品质和航空武 器系统的效能评估研究 。
DO I :10.13645/j .cnki .f .d.2010.05.001 第 28卷 第 5期 飞 行 力 学 Vol.28 No.5
2010年 10月
FLIGHTDYNAMICS
Oct.201 0
飞机飞行品质规范发展综述
先地位 , 其发展过程最具代表性 。 1908年 , 美国发布的陆军信号部队第 486号规
范第 10项要求可以视为世界上第一部飞行品质规 范 [ 4] 。该要求为 :“在合理长度的时间段内 , 飞机的 构造和 操纵 必 须 足够 简 单 以使 一 个 正常 人 成 为 专家 。”
1936年 , 美国国家航空咨询委员会 (NACA)承 担了对飞机飞行品 质提出定量设 计标 Nhomakorabea的研 究任
务 。通过试飞实验 , NACA对 60多架飞机的飞行品 质做了测试并综合飞机设计分析 、飞行品质数据和 驾驶员的评价 , 形成了最初的飞行品质规范基础 。
在二战前后 , 美国出现了很多具有特殊要求的 飞机 , 但由于没有官方统一的飞行品质规范 , 对它们 的飞行品质 要求也五花八 门 。 基于 前期的研 究成 果 , NACA在 1943年发布了第一份适用于民航和军 用飞机的飞行品质规范 (NACAReport755)。 基于 NACA的 研究 , 美 国空 军和海 军又 分别 提出 了 C1815和 SR-119细则 , 其中包括了试飞程序 , 以检验 飞机是否符合规范的要求 。 1954年 , 美国在总结二 战经验 的基 础上 , 颁布 了飞 机飞 行品 质规 范文 件 MIL-F-8785(ASG)。
2 无人机飞行品质规范的发展
2.1 无人机飞行品质规范发展现状 在过去的几十年中 , 世界各国装备的无人机数
量不断增加 , 但航空部门对无人机飞行品质规范的 研究却一直滞后 , 无人机的飞行品质评价很大程度 上依赖于有人驾驶飞机的飞行品质规范标准 。这与
第 5期
董彦非等 .飞机飞行品质规范发展综述
1976年 12月 , 美国发布的 《无人机飞行品质设 计规范 》(AFFDL-TR-76125)是当前世界上唯一针对 无人机飞行品质发布的规范 , 然而这部由美国空军 飞行动力学实验室和空军莱特航空实验室等单位制 定的规范很大程 度上仍然 依赖于 MIL-F-8785B, 难 以适应当前和今后无人机的发展需要 。
MIL-STD-1797吸取了 MIL-F-8785C的精华 , 还 参考了大量 的实践 经验 、试飞 实验和 柯柏 -哈伯 等 级 。 MIL-STD-1797A对纵向短周期俯仰动态反应的 要求是把对电传操纵系统的高阶标准加入到 MIL-F8785C等效低阶系统的标准中 。增加的准则包括频 率 响 应 应 用 Nichols图 、 Bihrle的 操 纵 期 望 参 数 (CAP)、Hoh的带 宽准则 及 N-S闭 环判 定标准 等 。 MIL-STD-1797后来经 过了修 改 , 于 1997 年重新 发 行 , 即 MIL-HDBK-1797。
目前涉及无人机的飞行品质规范没有考虑到传 感器和任务载荷需求 , 也没有对一些基本的飞行品 质规范做出调整 , 以便在不削弱适航性和任务性能 的情况下给无人机设计者更灵活的空间 。 例如 , 保 证安全裕度的失速告警装置 , 在无人机上就可以改 为对传感器和软件的要求 , 以使无人机发现并改出 失速等危险状态 。
3
世界各国对无人机研制和使用的高涨热情相比很不 相称 。
目前应用于无人机设计的典型规范主要包括美 国的 MIL-F-8785系列 、MIL-HDBK-1797系列以及各 国制定的有人机飞行品质规范 。 这些文件在应用于 无人机时 , 并没有做出修订以适用于无人机的特殊 需求 。 由于有人机和无人机的设计和操纵存在不同 之处 , 因此现行的飞行品质规范并不完全适用于无 人机 。
董彦非 1 , 荣 康 2 , 高 杰 2
(1.南昌航空大学 飞行器工程学院 , 江西 南昌 330063; 2.空军工程大学 工程学院 , 陕西 西安 710038)
摘 要 :首先阐述了国内外 有人驾驶飞机飞行品质 规范的 发展历 程 ;然后对 无人机 飞行品质 规范的 发展现 状进行了分析 , 介绍了国外无人机飞行品 质规范的研 究前沿 ;针对飞 行品质规 范的强 制性问 题进行 了分析 ;最 后总结了对我国飞行品 质规范发展的几点启示 。 关 键 词 :飞机 ;无人机 ;飞行品质 ;标准 ;规范 中图分类号 :V212.1;V279 文献标识码 :A 文章编号 :1002-0853(2010)05-0001-04
1998年 , 美国国防部发布了一套三军通用指导 规范 (JSSG), 进一步改革了 航空采办策略 , 从面向 设计转为面向性能 。 基于性能的方法忽略了一些细 节上的要求 , 主要关注于顶层任务目标 。 JSSG使研 究机构能面向自己研制的飞机 , 提出适合的相应的 飞行品质 规范 。 JSSG-2001(飞 行器 )和 JSSG-2008 (控制和管理系统 )是关于飞 行品质规范的 指导性 文件 。 这些文件面向高层次任务性能 , 飞行品质要 求仍然很大程度上依赖于 MIL-STD-1797。 同样 , 采 办机构和飞机制造商需遵照 MIL-HDBK-516来定义 适航性标 准 。 MIL-HDBK-516 参考 了很多 稳定 性 、
目前 , 随着航空科技的飞速发展 , 对飞行品质规 范发展提出了更多新的要求 , 本文旨在通过对国内 外飞行品质规范发展的综述 , 对飞行品质规范的发 展提出 启示 和建议 , 为 规范 制定 和相 关研 究提 供 参考 。
1 有人机飞行品质规范发展历程
1.1 国外有人机飞行品质规范历程 美国在飞行品质规范的发展过程中一直处于领
1977年 , 国防科工委航空气动力协作攻关办公 室飞行力学组为适应我国飞机研制的需要 , 正式成 立了 “飞行品质规范编写研究组 ”, 于 1981年完成了 《军用飞机飞行品质规范 (试 用本 )》的编制和研究 工作 , 1982年以航空工业部航空技 (1982)1449号文 正式颁发了该规范及其背景材料和使用说明 。 “六 五 ”期间 , 航空工业部与空 、海军一起 , 在该规范的基 础上 , 一起编制完成了国家军用标准 ———有人驾驶 飞机 (固定翼 )飞行品质 , 1986年 11 月正式颁发为 GJB185-86《固定翼 有人驾驶飞机 飞行品质 规范 》。 GJB185-86是根据国内在飞 行设计 、飞行实践 中有 关飞行品质方面的经验教训 , 参考 MIL-F-8785B和 MIL-F-8785C制 定 的[ 6] 。 该规 范 基本 参 照 MIL-F8785的标准体系 , 适用于机械操纵系统飞机 , 在 “等 效系统 ”的帮助下 , 也可以用于增稳操纵飞机 、控制 增稳飞机和电传操纵飞机 。
控制和操纵性等飞行品质的评判标准 , 这些标准和 作为补充材料的 JSSG和 MIL-STD-1797一起供设计 者参考 。
鉴于飞行品质研究领域对飞行品质规范的重新 关注 , 2006 年 , 美 国 国防 部又 发行 了 改进 版 MILSTD-1797B。 1797B中指出 :“不管设计如何实现 , 以 及怎样设计控制系统 , 都要保证飞行品质能提供足 够的任 务 性 能 和 安 全 裕 度 。 这 些 基 本 要 求 是 不 变的 。” 1.2 我国有人机飞行品质规范状况
引言
飞行品质规范在飞机的设计 、开发 、试飞和生产 中占有举足轻重的地位[ 1-3] 。 衡量有人驾驶飞机 (以 下简称有人机 )飞行品质好坏的标准是驾驶员能否 以较小的工作负荷准确地完成战斗 、巡航或起降等 飞行任务 。 对于无人驾驶飞机 (以下简称无人机 ), 由于没有驾驶员在飞机上操纵飞机 , 因此驾驶员的 操纵感觉不在研究范围之内 。但由于无人机使飞机 在飞行过程中大部分时间处于按预先编制的程序或 在地面操纵人员的操纵下飞行 , 所以飞机的操纵性 与稳定性更显重要 。
1969年 , 美国颁布的 MIL-F-8785B是现代飞行 品质规范的开端 , 成为世界上最具影响力的一部规 范 。该规范第一次详细描述了飞机的模态特性 , 用 无阻尼自振频率 、长周期 、短周期 、荷兰滚模态的阻 尼比定量描述了飞机的动态反应 。
根据现役飞机的研究经验 , 需要根据飞机的种 类给出不 同的飞 行品 质规范 指标 , 故 美国 在 1980 年 , 对 MIL-F-8785 进 行 了 完 善 , 颁 布 了 MIL-F8785C, 大大扩展了飞机的任 务范围 。 MIL-F-8785C 的一大亮点是 :用低阶等效系统来评价复杂的飞机 控制系统 。 设计者通过满足相应的低阶等效系统的 规范要求 , 就可以使飞机获得满意的飞行品质和动 稳定性 [ 4] 。
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飞 行 力 学
第 28卷
室 、空军系统司令部等单位与美国系统技术公司签 订合同 , 由 McDonnell飞机公司担任顾问 , 对 MIL-F8785C进行了全面的改编和修订 , 为 新的飞机飞行 品质规范提出建议稿 。
1982年 7月 , 美国系统技术公司以 AFWAL-TR82-3081报 告的 形 式 提 出 《建 议 的 军用 标 准 和 手 册 ———大气飞行器飞行品质 》, 并发至美国工业界 、 政府和陆海空三军 , 广泛征求意见和建议 。 AFWALTR-82-3081相对 8785C具有以下两个主要特点 [ 5] : (1)具有很大 的灵活性和实用性 , 是 一本纯推荐性 和指导性的标准 ;(2)将 8785C中按 纵向飞行品质 要求 、横航向飞行品质要求和主 、次操纵系统特性等 要求改编为对俯仰 、法向 、滚转 、偏航 、纵向 、侧向 6 个轴分别提出飞行品质要求 , 并增加了不少新的内 容 。这样更适应于现代高机动性 、高增益飞机和直 接力控制技术的发展 。 5 年之后 , 美国空军 正式颁 布了一项新的标准 ——— 《军用标准 ———有人驾驶飞 行器飞行品质 》 (MIL-STD-1797)。 1990年 , 推出修 订版 1797A, 成为美 国三军通用的 标准 。 MIL-STD1797是 AFWAL-TR-82-3081 的终结稿 , 是美国空军 广泛征求陆海空三军 、工业部门和政府机关之后颁 布的 。 1797除了具有 3081的以上两个特点外 , 还有 以下特点[ 5] :(1)编制格式比 3081更标准化 ;(2)应 用范围比 3081更广泛和明确 ;(3)内容比 3081更全 面 , 更强调各项要求的验证 。
20世纪 80年 代 , 美军关 于飞行品质规 范的思 想发生了转变 , 从以往要求 “严格 、明确 ”变为 “提供 设计指导 ”[ 5] 。 1980 年 , 美国空军 的飞行动力实验
收稿日期 :2009-12-22;修订日期 :2010-06-02 基金项目 :国家自然科学基金资助 (70671106);国家 863高技术研究发展计划基金资助 (2004AA7520110103) 作者简介 :董彦非 (1970-), 男 , 河南开封人 , 副教授 , 博士 , 主要从事飞行仿真 、飞行品质和航空武 器系统的效能评估研究 。
DO I :10.13645/j .cnki .f .d.2010.05.001 第 28卷 第 5期 飞 行 力 学 Vol.28 No.5
2010年 10月
FLIGHTDYNAMICS
Oct.201 0
飞机飞行品质规范发展综述