HELISIM 直升机模拟器

概述

在直升机模拟器的开发过程中，针对不同类型的直升机，构造一系列不同的运动学和动力学方程的过程是它的一个重要组成部分。尽管这些运动学方程已较成熟，且为专业人士所熟知，但要做一个特定的模拟器，仍然是比较费时、费力的。

通过HELISIM, 用户将精力集中在如何控制直升机的行为，输入各种空气动力学方程系数，代替自己为各种空气动力学方程写源代码。

HELISIM是什么

 是开发低成本、高精度可配置飞行模拟器的新标准。可以加快飞行模拟器的开发。

 它将用户输入的空气动力学系数曲线转化成用户想定的直升机性能相匹配的飞行模拟器。

 为用户开发模拟器提供友好的、灵活的、可靠的实时环境。它提供飞行参数的配置环境。

 允许用户通过虚拟输入控制 (排档、总距杆，油门杆等)。

 如果用户希望加入基本程序未提供的模块或修改现有模块，可以购买开发环境。

直升机模拟领域

HELISIM能够用于模拟大量类型的直升机，如：大的运输机/高灵敏度战斗机 /小商用机。HELISIM需要以下三类人员：

建模人员：提供直升机特性和空气动力学参数，应具有飞行动力学的专业知识。

开发人员：应具有C语言的编程能力。因为开发者需实时访问相应的数据结构。

最终用户：应具有直升机和控制部件的操作的基本知识。

硬件要求：HELISIM可以运行在SGI工作站上或Windows/NT。

软件要求：HELISIM是一个完全独立的软件包。但是，当使用开发环境时，它将要求Unix工作站上的C编译/连接器或Windows/NT工作站上的Visual C++ V5.0。

HELISIM特点

 Motif图形用户界面；

 空气动力学系数的图形化曲线定义；

 显示单元可以通过编辑ASCII文件简单调整，额外负载能够模拟外挂油箱，货物重量和武器装备，而能够实时模拟丢弃(发射武器等)；

 能够将用户应用程序集成到标准内核中；

 和VAPS Runtime-Environment或CCG有标准接口；

 具有录制、回放和重新开始功能；

 具有捕获和恢复功能(记录和重放)；

 空气动力学模型通过主旋翼、机身、水平稳定器，垂直尾翼的提升或拖动系数指定，主旋翼由浆片之模块模拟，尾翼由Bailey模块模拟；

 主旋翼包括浆片拍打和lead-lag 自由度；

 大气模块包括完全由用户定义的阵风，温度/压力等；

 风湍流模型包括：

Dryden 湍流/Von Karman 湍流/TCO-C117风剪模型；

 椭圆地球模块考虑了地球自转速度和重力，向心力等；

 飞行管理系统包括时间预定，交叉轨迹错误，轨道角度错误；

 自动降落和起飞；

 VOR （全向信标系统）伏尔跟踪；

 自动驾驶系统协调工具；

 增加稳定性模拟模块；

 具有ARINC 424导航数据库输入能力；

 以下导航设备可以模拟

 TACAN 塔康测距和测向导航系统

 VOR （全向信标系统, 108MHz-118MHz）

 ADF (自动测向器，150kHz-2MHz)

 DME 测距机 (962MHz-1213MHz)

 VORDME VORTAC

 NDB(地面导航台，发射无方向无线电波)

 ILS 仪表着陆系统

 为以下几种助航系统提供两个接收器支持

 VOR （全向信标系统）伏尔测向

 DME 测距机

 TACAN 塔康测距和测向导航系统

 NDB(地面导航台，发射无方向无线电波)

 支持分布式交互仿真协议(DIS)；

 飞行员通过串行接口(RS-2321)或模/数VME卡控制；

 网络许可证；

 对以下几类系统具有故障模拟能力

电子系统 额外负载 液压系统 推进系统 助航系统

自动驾驶 飞行仪器 供油系统 起落架

HELISIM由以下模块组成

1、 椭圆体地球模型（Ellipsoid Earth Model）

模拟地球自转、重力、向心力等，可模拟风速、风切变、环境温度、压力等

2、 大气想定（定义温度断点、气压断点、连续风的断点、阵风柱面、扰流模型、风剪模型，通过插值求解）

 Temperature break points

 Pressure break points

 Constant wind break points

 Wind gust cylinder

 Dryden & Von Karman turbulence models

 TSO-C117 wind shear model

3、 空气数据计算机模型（模拟各种与周围条件相关的传感器：攻角、侧滑角、Match Number、动态压力、空气速度）

4、 飞行员输入模型：总距杆、周期变距杆、油门杆、尾翼叶片位置、姿态（俯仰、滚动、偏航）、旋翼刹车等

5、 自动驾驶仪逻辑模型（高度、速度、姿态、转弯条件、自动起飞、自动降落、导航定向VOR）

6、 飞行控制计算机模型

 Calculates the Outer Loops Control Laws

 Calculates the Validity Logic for the Actuators

7、 飞行管理系统

8、 Autopilot /SAS Inner Loop

 Calculates the Inner Loops Control Laws

 Drives the Outputs for the Surfaces, Nose Wheel, Brakes, Rotor and Tail Blade

9、 飞行操纵（通过实际的操纵装置控制飞行模型）

10、 Control Surfaces

11、 燃料系统（Fuel System Model）

12、 发动机模型（计算主悬翼的转速、加速度、扭矩）

13、 主悬翼模型（Main Rotor Model）

 Blade Elements Based on Equal Annuli Area

 Longitudinal Shaft Inclination Angle

 Lead-Lag and Flapping Degree of Freedom

 Fully Articulated or Hingeless

 Dynamic Inflow Model with Pitt & Peters

 Downwash Includes Ground Proximity Effects

 No Upwash Effects

 Element Pitch Angle Includes Preformed and Pilot Inputs Components

 Lift and Drag Coefficients are Obtained from Curves

 Computes Lift, Drag, and Sideforce (T, H, Y)

 Computes Rolling, Pitching, and Yawing Moments (L, M, N)

 Computes Main Shaft Torque (Q)

 Computes Wake Skew Angle

14、 机身模型（Fuselage Model）

15、 水平尾翼模型（Horizontal Tail Model）

16、 重力平衡模型（Weight and Balance Model）

17、 力的模型（Forces Model）

18、 力矩模型（Moments Model）

19、 姿态模型（Attitude Model）

20、 位置模型（Position Model）

21、 仪表模型（Instruments Model）

22、 助航系统模型（Navaids Model）

23、 故障模型（Malfunctions Model ）

24、 垂直尾翼模型（Vertical Tail Model）

25、 尾翼模型（Tail Rotor Model）

 Considers the Interference Velocity due to the Main Rotor Wash on the Vertical Tail

 Considers the Interference Velocity Due to the Fuselage Side Wash on the Vertical Tail

 Contributions from Angular Rates Due to Vertical Tail CoM, Offset from CoG are Considered

 Tail Rotor Cant Angle in Roll is Considered

 Tail Rotor does not Generate any Force Along the Body X-Axis

 Thrust Generated by the Tail Rotor is Computed from Bailey Theory Equations

 Computes Lift, Drag, Side Forces (T, H, Y)

 Computes Rolling, Pitching, Yawing Moments (L, M, N)

26、 额外负荷模型（Additional Loads Model）

27、 起落架模型（Undercarriage Model）

28、 分布式交互仿真模型（DIS Model）

29、 电子系统模型（Electrical System Model）

30、 液压系统模型（Hydraulic System Model）

31、 数据输出模型（Data Exporter Model）

可用性

HELISIM软件分为四个主要部件：

1、 HELISIM/SIM 直升机模拟模块：实时控制（同步/异步等）和在线数据通讯（通过共享内存或TCP/IP与外部进程进行通讯，如视景生成器、声音生成器、飞行仪表等）；

2、 HELISIM/DE 模型数据库编辑器，定义环境条件，初始条件，轨迹和控制等，建立飞行运动学模型；

3、 HELISIM/SCENE OTW窗外视景显示；

4、 HELISIM/VAPS_INT 模拟模块和VAPS运行环境(RE)和VAPS的特殊接口：

HELISIM提供一个高级GUI来定义直升机模型，引擎模型，天气模型等。

灵活性

HELISIM的灵活性表现在其可配置的模拟模块及与用户定义模块或函数集成的能力。HELISIM通过以太网为模拟模块与外部应用(如：可视化系统，音响系统等)提供接口。HELISIM也能够通过一个定义的数据缓存输出实时数据到应用程序。

应用实例

 Raytheon Texas Instruments

-Internal IR&D Project

 Canadian Marconi Company

-Reconfigurable Aircrew Cockpit Demonstrator

 Altech Defense Systems

-Development of Flight Simulators for South African AF