飛行模擬器的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢研究

李映紅　韓勐

摘 要：飛行模擬器因具有安全、經濟、可多次重復、無風險、不受氣候條件和場地空間限制等諸多優(yōu)點，一直受到各國軍方的高度重視。由此，本文首先分析飛行模擬器的發(fā)展歷程，然后探討飛行模擬器的現狀，最后對飛行模擬器的發(fā)展趨勢進行預測，以期進一步加深對飛行模擬器的了解。

關鍵詞：飛行模擬器;發(fā)展歷程;發(fā)展趨勢

中圖分類號：V216.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0102-03

Research on the Development Course and Trend of Flight Simulator

LI Yinghong1 HAN Meng2

（1.Naval Aviation University Trainer Simulated Training Center，Huludao Liaoning 125001;

2.First Training Base of Naval Aviation University，Huludao Liaoning 125001）

Abstract： Because of its safety， economy， repeatable， risk-free， free from climatic conditions and space constraints， flight simulators have been highly valued by the military of all countries. Therefore， this paper first analyzed the development process of the flight simulator， then discussed the status quo of the flight simulator， and finally forecasted the development trend of the flight simulator， in order to further deepen the understanding of the flight simulator.

Keywords： flight simulator;development course;development trend

1 飛行模擬器的發(fā)展歷程

1.1 機電模擬時代

機電模擬時代是飛行模擬器發(fā)展的初級階段。該時期的飛行訓練大多局限于在地面上對飛行員進行指導，主要目的是讓飛行員體驗操縱的感覺。

1910年，英國和意大利開始出現了固定在地面上的飛行訓練器具。1929年，被公認的現代飛行仿真創(chuàng)始人美國人埃德溫·林克設計出第一臺機械氣動式飛行練習器[1]，如圖1所示。其利用壓縮空氣轉動駕駛艙，驅動壓力計來模擬航空儀表。到了二戰(zhàn)期間，超過50萬盟軍飛行員曾經受過林克機的訓練。其主要向學員演示操縱機構對模擬飛機姿態(tài)的影響，以訓練飛行員的協(xié)調駕駛能力。

1.2 模擬計算機時代

模擬計算機時代從20世紀40年代開始，是飛行模擬器發(fā)展的中級階段[2]。1941年，英國的電信研究所設計了一種能解算飛機運動方程的電子模擬器，用在空中截擊雷達練習器上，可模擬使用雷達進行引導截擊的過程。1949年，林克公司開發(fā)出自己的電子模擬計算機，用于C-L1噴氣飛機練習器，并向美國空軍出售了一千多臺這類練習器。利用電子模擬計算機，可以求解并再現飛機的氣動特性、發(fā)動機特性及機械各系統(tǒng)的特性。

這些早期的模擬器只有簡易的運動驅動平臺，通常局限于2個或3個自由度，且大部分只能用于模擬儀表飛行條件。如圖2所示，1958年，英國雷迪豐公司設計的“彗星4”民航客機模擬器配備了使整個機頭部分產生俯仰的運動系統(tǒng)。

為了擺脫模擬器只能用于座艙內部儀表飛行訓練的局限，能配合實時運動變化，開始了視景系統(tǒng)的開發(fā)。最早的視景系統(tǒng)采用光點投影法，即使用一個發(fā)光點很小但亮度很強的光源，將特別制作的幻燈片上的圖像投影到模擬器前面的屏幕上。與之相似的是電影膠片投影法，所用圖像來自事先在真實飛行中拍攝的航線景觀。此外，還有用攝像機動態(tài)拍下按實景制作的縮微沙盤模型（見圖3），通過閉路電視系統(tǒng)傳送給使用者觀看座艙外的環(huán)境變化。

1.3 微電子技術革命時代

微電子技術革命時代從1985年至今，這一時期的研究重點主要在視景系統(tǒng)方面。多家模擬器公司已經開發(fā)出自己的圖像生成系統(tǒng);昏暗的隨機顯示已經被熒光圖像所取代，以60Hz頻率刷新的紋理表面和大氣效果渲染有力提升了視覺逼真度。模型板被保存有地形、機場及其他地理特征的對象數據庫所取代。另一項進步是20世紀90年代出現的廣角投影系統(tǒng)。輕質活動反射鏡取代了平行投影儀，不僅可以為所有飛行員提供寬達220°的水平視角，同時顯著地降低了投影系統(tǒng)的重量。由3個（或者更多）投影儀投射得到的圖像通過精細融合能實現連續(xù)曲面視景。

20世紀60年代，液壓設備已經開始用于運動平臺。然而，直到90年代，由微處理器控制的液壓執(zhí)行機構才將運動系統(tǒng)的頻率提高到500Hz，實現了運動系統(tǒng)的平滑運動。在運動系統(tǒng)中，運動平臺逼真度的提升歸功于兩項技術的進步。第一，低速摩擦誘導顛簸運動會影響模擬器中的飛行座艙，而液壓密封技術的采用極大地克服了這一問題;第二，在三個直線軸（縱向、升降、側向）和三個角度軸（俯仰、滾轉、偏航）上利用6部線性液壓執(zhí)行機構彌補了運動方面的不足，提供了足夠的運動感。

直到1985年之后，飛行仿真才對軍用飛行訓練產生較大的影響。

在全世界范圍內，仿真已經成為飛行訓練整體計劃中的重要一環(huán)。然而，民航訓練技術并不能適用于全部軍用訓練項目，尤其是戰(zhàn)斗機飛行員在機動飛行過程中不能只關注前向屏幕，常規(guī)運動平臺難以體現持續(xù)過載效應。以下兩項技術的進步在一定程度上改善了這些問題。一是裝有過載座椅的固定式座艙取代了運動平臺，可以用于開展更多效果顯著的實驗。這種設備的原理是當飛行員處于過載狀態(tài)時，執(zhí)行機構控制吊帶的繃緊程度，給飛行員身體施加額外的壓力來產生觸覺感知。二是座艙組件的抖動實現了戰(zhàn)斗機接近分離界限時的振顫感。兩項技術的出現解決了為飛行員提供360°視場的問題。

2 飛行模擬器的現狀

當前對飛行模擬器的主要要求為準確的動感模擬，逼真的視覺模擬、聽覺模擬、力感模擬和真實的飛機事故模擬。為了準確地模擬飛機的各種故障，為飛行員的應急處理訓練提供便利，對飛行模擬器各系統(tǒng)提出了非常嚴格的要求，尤其是對構成飛行模擬器的主要系統(tǒng)，如運動系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、故障模擬等。近年來，隨著部隊多機協(xié)同、?？諈f(xié)同、陸空協(xié)同訓練需求的不斷增加，對模擬器網絡通信系統(tǒng)也提出了更高的要求，其關鍵技術主要表現在六自由度運動模擬系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、視景系統(tǒng)以及網絡通信系統(tǒng)。典型飛行模擬器的組成結構如圖4所示。

軍用仿真中任務推演成為取得成功的一個主要因素。通過生成作戰(zhàn)地域的可視化數據庫，機組乘員能在飛行模擬器上演練作戰(zhàn)任務，甚至可以達到將在模擬器上取得的經驗用于實際任務的目的。軍用模擬器還可以通過高速網絡連接，讓機組乘員演練多機協(xié)同任務，或者通過對抗演練檢驗戰(zhàn)術機動，還可以針對具體任務練習戰(zhàn)術戰(zhàn)法。

3 飛行模擬器的發(fā)展趨勢

3.1 設備標準化

隨著飛行模擬器裝備數量不斷增加，需要對運動系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、網絡通信系統(tǒng)和教員控制臺等相關設備采取標準化、系列化管理，這既可以降低研制和采購成本，又可以減少維修保障工作量。

3.2 使用網絡化

在飛行模擬器的使用方面，網絡化特點不斷凸顯，將多臺模擬器組網進行協(xié)同訓練甚至是遠程協(xié)同訓練，既能減少模擬器采購數量，降低采購成本，又能滿足部隊協(xié)同訓練需要。

3.3 伺服系統(tǒng)電動化

隨著控制技術的不斷發(fā)展，飛行模擬器中的液壓伺服系統(tǒng)將逐步被電動伺服系統(tǒng)取代。這樣可以進一步縮小設備體積，提高系統(tǒng)仿真度，降低使用維護成本。

參考文獻：

[1]嚴利華，張偉，閆景波，等.飛機模擬器與模擬訓練[M].北京：航空工業(yè)出版社，2017.

[2]阿勒頓.飛行仿真原理[M].劉興科，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.