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在人机闭环操纵情况下，由于人机系统相互作用而导致的非期望的振荡或发散运动，这种现象被称为驾驶员诱发振荡。在民机设计安全性、经济性和舒适性要求中，安全性是首要和关键要求，而驾驶员诱发振荡（PIO）一直是关乎航空飞行器安全的重要因素之一。历史数据表明，几乎所有部分或完全采用电传飞控系统的飞机在研制阶段都发生过PIO。特别是近年来航空技术的飞速发展及电传飞控系统、主动控制技术的应用，使得飞行控制系统越来越复杂。在一定的使用和飞行条件下，由于操纵系统中的非线性、不被驾驶员感觉到的舵机速率、飞机响应的延迟、飞控模式的转换等各种因素，更易导致PIO事件。 CCAR25部§25.143(a)和(b)规定，在任何可能的使用条件下飞机必须可安全操纵和机动，而不需要超常的驾驶技能，也不会有超过飞机限制载荷系数的危险。历史事件表明，在某些使用条件下，现代运输类飞机可能易受飞机-驾驶员耦合（APC，AircraftPilot Coupling）的影响而不满足该条款规定。因此，飞机型号合格证申请人需要通过飞行试验等方式确定飞机遇到不利PIO趋势的可能性为最小。 1 典型PIO事件及PIO的分类 国外早在上世纪就开展了PIO的研究。图1为某型电传飞机发生PIO时的杆力-俯仰姿态历程曲线 。如图所示，从35秒开始，由于驾驶员的杆输入和俯仰姿态出现延迟，驾驶员继续增加输入的幅值，从37秒开始，飞机的输入达到最大并和俯仰姿态呈反相，最终发展成严重PIO事件。 图1 某型电传飞机PIO事例 为了更好地理解PIO事件，Duane McRuer根据PIO产生的原因将PIO事件分成了三类：I型PIO为线性的人机系统振荡，此类PIO是由过大的时间延迟、各种滤波器产生的过大的相位滞后和不适当的控制／响应灵敏度等引起的。II型PIO为准线性人机系统振荡，带有一定的非线性因子如速率或位置限制，此类PIO存在非线性引起的附加延迟。III型PIO为瞬态变化的非线性人机系统振荡，此类PIO事件高度非线性，难于辨识，很少发生但通常很严重，它是由飞行力学、飞机或驾驶员状态发生变化而引起的振荡。 经过多年的研究，国内外先后形成了比较成熟的PIO预测准则。常用的I型PIO预测准则主要有：带宽/俯仰速率超调准则、Neal-Smith准则、时域Neal-Smith准则、Gibson相位速率/增益准则等。II型PIO预测准则主要有：带宽/俯仰速率超调准则、开环触发点OLOP准则、时域Neal-Smith准则等。 2 适航条款要求及分析 2.1 适航条款 CCAR-25-R4在25.143(a)(b)中对飞机的操纵性和稳定性提出了如下要求： (a) 在下述过程中，飞机必须可以安全地操纵并可以安全地进行机动： (1) 起飞；(2) 爬升；(3) 平飞；(4) 下降；(5) 着陆。 (b) 必须能从一种飞行状态平稳地过渡到任何其它飞行状态，而不需要特殊的驾驶技巧、机敏或体力，并且在任何可能的使用条件下没有超过飞机限制载荷系数的危险，这些使用条件包括： (1) 临界发动机突然失效； (2) 对于三发或三发以上的飞机，当飞机处于航路、进场或着陆形态，临界发动机停车并已配平时，第二台临界发动机突然失效；和 (3) 形态改变，包括打开或收起减速装置。 2.2 条款分析 §25.143(a)和(b)规定，在任何可能的使用条件下飞机必须可安全操纵和机动，而不需要超常的驾驶技能，也不会有超过飞机限制载荷系数的危险。 为表明对本条款的符合性，需在任何可能的使用条件下进行相应的操纵性和稳定性飞行试验。条款没有明确规定速度范围和包线范围，而航线运行时，正常情况下飞行速度不会超过VMO/MMO或VFE，高度不会超过巡航高度。根据航线运行需求和以往试飞经验，PIO评估任务设置应包括起飞安全速度V2或着陆参考速度VREF到VMO/MMO或VFE的速度包线，并考虑机动时的速度变化，一般留有10kts的速度安全余量。 为表明对本条款的符合性，PIO试飞可以分为两类：一类是PIO专项试飞，指专门针对PIO进行的试飞，其任务的设计应针对可能存在的任何PIO趋势；一类是非PIO专项试飞，包括所有与飞行品质或者飞行特性相关的闭环试飞，试飞时对此类试飞进行全程跟踪和分析。CCAR25部未给出PIO具体评定指标的条款，其符合性主要通过驾驶员依据飞行品质评定方法（HQRM）与PIO评定准则的主观评定来实现。 3 试飞方法 AC25-7C提出，为了确保飞机达到§25.143(a)和(b)所要求的飞行品质，需通过试飞员执行高增益（宽带宽）闭环任务来对飞机进行评定，以确定遇到不利的PIO趋势的可能性为最小。主要的高增益任务包括姿态截获、俯仰跟踪、纠偏着陆、突风颠倾和防撞规避。但是，对于认为是太危险以至于不能在实际飞行中尝试的状态（即，超出使用飞行包线的某些飞行状态、在严重大气湍流中飞行、带某些失效状态的飞行等），可使用高保真度模拟器来执行闭环评定任务，前提是可证实模拟器对于所关注的飞行状态是有效的。由于按§25.143(a)和(b)进行的飞行品质评定基本上是定性的，特别是PIO敏感性评定，因此在进行合格审定试飞时，这些高增益任务应至少由3名试飞员来完成。 对于所选定的所有任务，应使用渐进法（Build-up approach）。在某些情况下，依据飞机的特性，首先考虑截获任务，然后进行精确跟踪任务，或采取粗略截获与精确跟踪任务组合的方法。 3.1 截获任务试飞方法 截获任务倾向于评估粗略截获机动飞行的飞行品质，例如俯仰姿态截获、坡度倾斜角截获、航向截获、飞行航迹角截获、迎角截获和过载g截获等都可以用来评定不同方面的飞机响应。这些捕获任务可得到飞机操纵品质的总体印象，但由于未涉及闭环精确跟踪，不能暴露出精确跟踪任务中可能出现的所有问题，因此不应将截获任务作为唯一的评定任务。 (1) 俯仰截获 在试验点（指定高度、速度）配平飞机水平飞行；从水平飞行快速截获5o（或10o，如果配平姿态角已超过5o）姿态角；然后快速操纵飞机进行俯仰姿态增量为±5o的姿态截获，持续此操纵3～5次；如飞机无异常，继续快速操纵飞机进行俯仰姿态增量为±10o的姿态截获，持续此操纵3～5次。如图2所示。具有较强能力的飞机能够以较大的俯仰偏移继续该程序。
(2) 滚转截获 在试验点（指定高度、速度）配平飞机水平飞行；从15o坡度倾斜角开始，驾驶员使飞机快速滚转而捕获相反的15o坡度倾斜角（坡度倾斜角总变化量为30o）；然后，驾驶员使飞机反向横滚并捕获原方向上的15°坡度倾斜角，持续此操纵3-5次；在试验点恢复飞机水平飞行，然后使用30o坡度倾斜角重复此程序，然后再用45o坡度倾斜角重复此程序，各坡度倾斜角下持续此操纵3-5次。如图3所示。
(3) 偏航截获 航向捕获仅可用于评定偏航控制器（通常以5°或5°以下增量间隔使航向发生小的变化）。在试验点（指定高度、速度）配平飞机水平飞行；驾驶员蹬脚蹬使飞机航向偏转5o，保持机翼水平，然后精确捕捉初始航向；然后向另一方向蹬脚蹬使飞机航向偏转-5o，保持机翼水平，再精确捕捉初始航向。如图4所示。
3.2 精密跟踪任务试飞方法 精密跟踪任务用于评定在湍流大气条件下飞行时飞机的PIO敏感性。可采取俯仰跟踪任务和纠偏着陆任务进行试验。 (1) 俯仰跟踪任务 基于历史上发生的PIO事件，俯仰跟踪任务（以大约2~5s不同的时间间隔出现的偏离配平状态高达大约±4°的俯仰偏差）对评定PIO敏感性是有效的。如图5所示，在试验点（指定高度、速度）配平飞机水平飞行，进行偏离量小于±4o的俯仰姿态精密跟踪。
在此任务中，俯仰和坡度倾斜角指令应是阶梯波形和斜坡波形的组合，且如果可能，试验时应使飞机保持试验高度±1000ft和试验速度±10kn范围内。任务指令应足够长和足够复杂（以免试飞员默记而预先执行指令），这样有助于在执行任务时保持试飞员的高增益，并排除试飞员的意外补偿。这种补偿连同降低的增益，可能掩盖PIO倾向。 (2) 纠偏着陆任务 纠偏着陆任务是为了评估飞机在进场着陆阶段遇到不利PIO的可能性。此任务的试验操作程序可设置为：在试验点（指定高度、速度）设定飞机为着陆构型；右驾驶员有意地操纵飞机至正常下滑道之上5米，偏离跑道中心线30米，并建立3o稳定下滑；在高度为某一离地高度（高度设置值可根据模拟仿真结果确定，如120m）时左驾驶员快速操纵飞机以降落在跑道中心线上。如图6所示。在执行任务时，需随机加入一些扰动信号，以提高驾驶员的紧张感和操纵增益，从而进入可能的PIO状态。
3.3 粗略截获与精确跟踪任务组合试飞方法 根据AC25-7C，颠倾和/或避撞机动对于评定飞机在距抖振起始边界有小g裕度(一般为0.3g) 的条件下作高空飞行时的PIO敏感性是有效的。 在试验点（指定高度、速度）配平飞机水平飞行，初始航向180°（指定某一航向）；保持发动机功率/推力不变的同时，柔和拉杆使飞机略有爬升而以大约10节/秒的减速率降低速度；迅速推杆建立30°的滚转坡度和约为10°的机头下俯姿态，加速至初始配平速度；在此初始配平速度下拉杆，过载约1.5g（AC25-7C要求为1.5g~1.67g，不超过抖振过载限制），并向反方向转弯捕捉飞机配平时的初始航向；沿初始航向建立俯仰姿态从而形成稳定爬升返回至初始配平高度。在这一机动过程中，驾驶员可按需要使用油门，并且应在开始机动前，挑选将要使用的目标g、坡度倾斜角、航向和俯仰姿态。应设定目标g和坡度倾斜角并严密跟踪，直至分别获得目标俯仰姿态和航向。应严密跟踪稳定的固定航向爬升，经历足够的时间，以允许驾驶员评定操纵品质，如果需要，甚至穿过初始配平高度和航向。驾驶员应在此任务的粗略捕获和精确跟踪这两个部分，对飞机进行定性地评定。 4 PIO试飞点选取原则 PIO试飞任务点的选取需满足安全、高效试飞的目的。表1为某型飞机的PIO试飞姿态截获任务点安排。如表1所示，先进行正常模式、后重心的试飞任务点，随后对正常模式下PIO等级评定较差的点在直接模式下进行重复试飞（表1中*5(2)，*5(3)为重复正常模式试验点2，3）。 表1 某型飞机PIO姿态截获试飞计划
参考表1中PIO试飞任务点的安排，并充分考虑安全和效率因素，总结出以下选取PIO飞行试验点的基本原则： (1) 通过设计仿真和风洞数据，模拟器试飞数据，按照循序渐进的原则，选取稳定裕度较低或PIO等级评定较差的试验点； (2) 先进行正常模式的试飞，对正常模式下PIO等级评定较差的点在直接模式下进行重复； (3) 一般选取小重量/大重量结合后重心，因为后重心稳定性较差，更易激起PIO； (4) 纠偏着陆时先做小重量，以降低风险。因为考虑到小重量情况下，飞机能提供更大的推重比； (5) 需要进行故障模式下（如操纵杆断开，单个液压系统失效）的PIO试飞。 5 PIO试飞评定准则 AC25-7C提出，应使用FAA操纵品质评级方法(HQRM)进行飞机PIO敏感性评定。表2包含与PIO特性有关的说明材料及其与MIL 1797A所列PIO评级的关系。对于执行特定PIO任务过程中或执行整个合格审定试飞过程中可能会遇到的飞机运动，表2给出了FAA操纵品质（HQ）评定说明。操纵等级评定随飞行包线、所考虑的大气扰动以及失效状态而变化，需根据具体的试飞情况进行评定。 表2 PIO评定准则与FAA的HQRS评定等级对比
6 注意事项与风险规避 执行PIO试飞任务时可能因为过载过大、飞控故障、飞机控制模式转换、驾驶员判断和操纵不当等原因，损坏飞机结构或诱发不利PIO，导致飞机失控甚至坠毁。在试飞前和试飞时，应通过以下措施使风险降至最低： (1) 对风险科目风洞试验数据及理论预测计算结果进行认真分析研究，掌握并熟悉条款要求和试飞方法； (2) 针对试飞要求，对试飞员、试飞工程师和机务保障人员进行理论与试飞技术培训，试飞前向机组说明飞机的速度、迎角、滚转角、偏航角、过载限制，说明PIO试飞的程序及注意事项，以确保试飞安全； (3) 针对PIO试飞中可能出现的风险点，试飞之前，在模拟器上进行充分的试验任务演练及故障模拟演练； (4) 通过逐步逼近的方法达到化解风险的目的。截获姿态由小到大，纠偏着陆任务从飞行高度上和纠偏距离上逐步接近给定值，并实时进行评估以决定是否执行下一个任务点； (5) 如在纠偏着陆时遇有重着陆，必须在飞行结束后对飞机可能的损坏进行详细检查。 (6) 试飞时如果发现严重PIO现象，飞行员应立即松杆或将杆至于中立位置，待飞机稳定后重新控制飞机，不改变飞机构型并在飞机着陆前进行操纵性检查。 7 结束语 PIO试飞是飞机操纵性和稳定性试飞中的一项重要科目，需通过高增益人机闭环试飞任务向适航当局表明符合性。本文分析介绍了PIO试飞的适航条款、试飞方法、试验点选取方法和试飞评定准则，并介绍了PIO试飞的注意事项和风险规避方法，可为运输类飞机的PIO试飞提供参考。 |
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