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[摘 要]计算机仿真，是将被研究的对象按其特征抽象成模型，通过计算机技术对模型的仿真操作及仿真结果的分析，探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律的一门综合性学科。民机性能工程中引入仿真技术可大大提高工作效率和计算准确性，为民机研制工作提供有力保障。本文针对典型性能仿真模型的建立方法进行了探讨。
[关键词]计算机仿真，民机性能计算， 仿真模型
中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0143-02
引言
计算机仿真技术（computer simulation technology），是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。
本文根据民机性能工程的需求，对仿真技术在其中的应用进行了研究，对典型性能计算模型的建立进行了介绍。
1 仿真技术简介
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系 ；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征 ，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的 ；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。
2 性能分析中仿真模型的建立
将性能计算与仿真技术相结合，需要对性能计算方法进行建模。
根据前文所介绍的性能计算原则，并结合计算机仿真理念，建立性能计算分析仿真模型。本文选取起飞、着陆、爬升、飞行计划四个典型模型进行介绍。
2.1 起飞模型
起飞性能计算是指从松刹车到起飞至35ft高度的情况，包括起飞速度确定，起飞距离、起飞滑跑距离、加速停止距离和时间计算。
起飞性能计算的顺序：先确定起飞速度，然后计算距离和时间。
1 起飞速度确定
根据试飞获得的速度增量及起飞速度之间的限制关系要求，通过迭代的方法确定起飞速度，所有起飞速度均为校正空速。当获得单发和双发起飞速度VR，VLOF，V2及V1的速度范围后，采用这些速度根据试飞获得的时间增量确定起飞空中段时间△t。然后进行距离计算。
2 起飞距离和起飞滑跑距离确定
根据CCAR25.113（a）（b）规定的起飞距离定义，确定干跑道和湿跑道的起飞距离如下。
TOD（dry）=MAX（1.15TODAEO（dry）， TODOEI（dry）） （2.1）
TOD（wet）=MAX（TOD （dry）， TODOEI（wet）） （2.2）
根据CCAR25.113（c）规定的起飞滑跑距离定义，确定干跑道和湿跑道的起飞滑跑距离。
无净空道情况：
TOR（dry）=TOD（dry） （2.3）
TOR（wet）=TOD（wet） （2.4）
有净空道情况：
TOR（dry）=MAX（1.15TORAEO（dry）， TOROEI（dry）） （2.5）
TOD（wet）=MAX（1.15TORAEO（dry）， TOROEI（wet）） （2.6）
距离和时间计算可分为地面加速段和空中段分别进行计算。
3 加速-停止距离确定
根据CCAR25.109规定计算加速-停止距离。
加速-停止距离和时间计算可分为地面加速段和减速段分别进行计算。
a） 加速段距离和时间
（2.7）
（2.8）
（2.9）
式中为速度步长，为速度步长内的平均速度值，a为对应时的加速度。
b） 减速段距离和时间
（2.10）
（2.11）
（2.12）
式中为速度步长，为速度步长内的平均速度值，a为对应时的加速度。
当起飞过程出现单发停车、加速-停止过程采用减速措施时，要考虑此时飞机的气动力产生的变化，通常为时间的函数，因此在这些阶段的计算建议采用时间步长积分，对气动力和发动机数据稳定阶段建议采用速度步长积分。
2.2 着陆模型
着陆距离分为三部分：着陆空中段距离、着陆过渡段距离、着陆刹车段距离。着陆距离定义为以上三段距离之和：
S = Seg1+Seg2+Seg3 （2.13）
2.3 爬升模型
爬升是飞机在垂直平面内作无侧滑的质点运动，其动力学方程： （2.14）
（2.15）
由式1、2可得：
（2.16）
（2.17）
其中，T为发动机推力，D为阻力，L为升力，G为重力，S为机翼面积，为下滑角，为迎角，为发动机安装角，为空气密度，为升力系数。
若为直线爬升，则；若为等真速爬升，则。
可得，爬升段距离为：
（2.18）
爬升段时间为：
（2.19）
爬升段油耗为：
（2.20）
其中H1为爬升初始高度，H2为爬升终止高度，t为爬升段时间，m为爬升段油耗，为小时燃油消耗量。
2.4 飞行计划模型
飞行计划模型综合了整个飞行剖面的各个飞行阶段，因此，在每个单独的飞行阶段模型建立后，可根据飞行剖面的形式，按需调用相应的飞行阶段，组合成整个飞行计划模型。系统框图如图2所示：
3 仿真技术与试飞数据分析
在民用飞机试飞取证的工作中，试飞工程师需要从大量的试飞数据中获取有用的数据信息，来判断飞机飞行性能是否满足设计要求。传统的做法是根据试飞监控时记录的需要观察的时刻点，在数据中挑选需要进行分析的片段；或将数据导入EXCEL等分析工具中进行二次处理。而试飞数据通常以文本或二进制格式进行存储，这样就加大了分析的难度和数据处理的时间。
对于民机飞行性能试飞科目而言，数据的处理分析还有更高一层的要求。不同的性能试飞科目，需要根据不同的公式，对原始数据进行扩展计算分析，得到有用的结果。
因此，将计算机仿真技术与性能试飞数据分析相结合，可以为性能分析工作提供极大的便利。
4 结束语
结合民机性能工程的需要，将计算及仿真技术引入其中，对仿真技术在民机性能工程中的应用进行了研究，对性能分析中典型模块的建模方法进行了介绍。并提出了将仿真技术用于性能试飞数据处理工作中的益处。
参考文献
[1] 常亚振等，飞机飞行性能计算手册，飞行力学杂志社，1987.
[2] 黄太平，飞机性能工程，科学出版社，2005.8.
[3] 运输类飞机适航标准，中国民用航空规章第25（CCAR-25-R3），中国民航总局，2001.5.
[4] Getting to grips AC Performance， AIRBUS Customer Services， 2002.
[5] 飞机飞行仿真系统核心模块设计研究，龚松波，飞机设计，2009.
[6] 一种用于飞机起飞性能计算的数值仿真模型，税清才，飞行力学，2001.
[关键词]计算机仿真，民机性能计算， 仿真模型
中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0143-02
引言
计算机仿真技术（computer simulation technology），是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。
本文根据民机性能工程的需求，对仿真技术在其中的应用进行了研究，对典型性能计算模型的建立进行了介绍。
1 仿真技术简介
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。
传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系 ；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征 ，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的 ；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。
2 性能分析中仿真模型的建立
将性能计算与仿真技术相结合，需要对性能计算方法进行建模。
根据前文所介绍的性能计算原则，并结合计算机仿真理念，建立性能计算分析仿真模型。本文选取起飞、着陆、爬升、飞行计划四个典型模型进行介绍。
2.1 起飞模型
起飞性能计算是指从松刹车到起飞至35ft高度的情况，包括起飞速度确定，起飞距离、起飞滑跑距离、加速停止距离和时间计算。
起飞性能计算的顺序：先确定起飞速度，然后计算距离和时间。
1 起飞速度确定
根据试飞获得的速度增量及起飞速度之间的限制关系要求，通过迭代的方法确定起飞速度，所有起飞速度均为校正空速。当获得单发和双发起飞速度VR，VLOF，V2及V1的速度范围后，采用这些速度根据试飞获得的时间增量确定起飞空中段时间△t。然后进行距离计算。
2 起飞距离和起飞滑跑距离确定
根据CCAR25.113（a）（b）规定的起飞距离定义，确定干跑道和湿跑道的起飞距离如下。
TOD（dry）=MAX（1.15TODAEO（dry）， TODOEI（dry）） （2.1）
TOD（wet）=MAX（TOD （dry）， TODOEI（wet）） （2.2）
根据CCAR25.113（c）规定的起飞滑跑距离定义，确定干跑道和湿跑道的起飞滑跑距离。
无净空道情况：
TOR（dry）=TOD（dry） （2.3）
TOR（wet）=TOD（wet） （2.4）
有净空道情况：
TOR（dry）=MAX（1.15TORAEO（dry）， TOROEI（dry）） （2.5）
TOD（wet）=MAX（1.15TORAEO（dry）， TOROEI（wet）） （2.6）
距离和时间计算可分为地面加速段和空中段分别进行计算。
3 加速-停止距离确定
根据CCAR25.109规定计算加速-停止距离。
加速-停止距离和时间计算可分为地面加速段和减速段分别进行计算。
a） 加速段距离和时间
（2.7）
（2.8）
（2.9）
式中为速度步长，为速度步长内的平均速度值，a为对应时的加速度。
b） 减速段距离和时间
（2.10）
（2.11）
（2.12）
式中为速度步长，为速度步长内的平均速度值，a为对应时的加速度。
当起飞过程出现单发停车、加速-停止过程采用减速措施时，要考虑此时飞机的气动力产生的变化，通常为时间的函数，因此在这些阶段的计算建议采用时间步长积分，对气动力和发动机数据稳定阶段建议采用速度步长积分。
2.2 着陆模型
着陆距离分为三部分：着陆空中段距离、着陆过渡段距离、着陆刹车段距离。着陆距离定义为以上三段距离之和：
S = Seg1+Seg2+Seg3 （2.13）
2.3 爬升模型
爬升是飞机在垂直平面内作无侧滑的质点运动，其动力学方程： （2.14）
（2.15）
由式1、2可得：
（2.16）
（2.17）
其中，T为发动机推力，D为阻力，L为升力，G为重力，S为机翼面积，为下滑角，为迎角，为发动机安装角，为空气密度，为升力系数。
若为直线爬升，则；若为等真速爬升，则。
可得，爬升段距离为：
（2.18）
爬升段时间为：
（2.19）
爬升段油耗为：
（2.20）
其中H1为爬升初始高度，H2为爬升终止高度，t为爬升段时间，m为爬升段油耗，为小时燃油消耗量。
2.4 飞行计划模型
飞行计划模型综合了整个飞行剖面的各个飞行阶段，因此，在每个单独的飞行阶段模型建立后，可根据飞行剖面的形式，按需调用相应的飞行阶段，组合成整个飞行计划模型。系统框图如图2所示：
3 仿真技术与试飞数据分析
在民用飞机试飞取证的工作中，试飞工程师需要从大量的试飞数据中获取有用的数据信息，来判断飞机飞行性能是否满足设计要求。传统的做法是根据试飞监控时记录的需要观察的时刻点，在数据中挑选需要进行分析的片段；或将数据导入EXCEL等分析工具中进行二次处理。而试飞数据通常以文本或二进制格式进行存储，这样就加大了分析的难度和数据处理的时间。
对于民机飞行性能试飞科目而言，数据的处理分析还有更高一层的要求。不同的性能试飞科目，需要根据不同的公式，对原始数据进行扩展计算分析，得到有用的结果。
因此，将计算机仿真技术与性能试飞数据分析相结合，可以为性能分析工作提供极大的便利。
4 结束语
结合民机性能工程的需要，将计算及仿真技术引入其中，对仿真技术在民机性能工程中的应用进行了研究，对性能分析中典型模块的建模方法进行了介绍。并提出了将仿真技术用于性能试飞数据处理工作中的益处。
参考文献
[1] 常亚振等，飞机飞行性能计算手册，飞行力学杂志社，1987.
[2] 黄太平，飞机性能工程，科学出版社，2005.8.
[3] 运输类飞机适航标准，中国民用航空规章第25（CCAR-25-R3），中国民航总局，2001.5.
[4] Getting to grips AC Performance， AIRBUS Customer Services， 2002.
[5] 飞机飞行仿真系统核心模块设计研究，龚松波，飞机设计，2009.
[6] 一种用于飞机起飞性能计算的数值仿真模型，税清才，飞行力学，2001.