飛行模擬器在航空科普場館的運用與研究

徐臻榮

1 飛行模擬器在航空科普場館運用的必要性

1）傳播航空科學(xué)知識。在我國航空事業(yè)蒸蒸日上的今天，航空科普場館研究飛行模擬器的運用有助于更多的受眾能參與到學(xué)習(xí)航空、了解航空的環(huán)境中來，通過飛行體驗使他們對航空有更深的了解和認知。航空科普場館是面向公眾，尤其是青少年進行航空科普教育的基地，上海航宇科普中心作為航空航天科普教育的標(biāo)桿，所展示的飛行模擬器的功能必須與真實飛機的原理相一致。

2）引導(dǎo)和培養(yǎng)航空興趣。航空科普場館是滿足觀眾了解航空、探索航空的窗口，飛行模擬器的運用展現(xiàn)了現(xiàn)代高新技術(shù)和人們求知欲的有效結(jié)合，為他們打開了解航空、探索航空的通道，使他們有機會體驗到飛行帶來的樂趣和好奇，從而引起對航空的志趣。

3）互動符合體驗者的需求。航空科普場館作為面向大眾，尤其是青少年獲取課堂外航空航天科普知識的重要途徑，展示的展項必須具有很強的參與性和互動性。通過人機交互與互動反饋內(nèi)容，能增強受眾的興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)研究航空航天技術(shù)的志向，同時又能提升場館整體參觀感受?？s小版C919 飛行模擬器的研制，為受眾提供了一種新穎的、感興趣的航空互動展品，也為外出巡展提供了便利條件。

2 飛行模擬器運用的特點

飛行模擬器能提高人們對學(xué)習(xí)飛行，了解航空知識的興趣，通過互動體驗，能進一步激發(fā)對航空知識、航空科技的熱愛?？s小版C919 飛行模擬器在上海航空科普館的成功運用，揭開了大飛機的神秘面紗，人們除了要體驗中國大飛機駕駛體感外，更多的是想了解大飛機駕駛艙的布局、結(jié)構(gòu)，增加對中國大飛機的了解?？s小版C919 飛行模擬器可進行飛行模擬，且在飛行過程中能動態(tài)反饋飛行時的俯沖、爬升、傾斜、拐彎、旋轉(zhuǎn)、下墜、顛簸等高難度的驚險刺激動作，從動感、駕駛操控、視景、仿真方面給予體驗者超真實的體驗。

3 縮小版C919 飛行模擬器的功能設(shè)計研究

縮小版C919 飛行模擬器以C919 真實飛機駕駛艙為原型，內(nèi)部的各種操縱裝置、儀表、信號顯示設(shè)備、工作狀態(tài)、指示情況等都與真飛機高度相仿，除了空間比真飛機小，其他和真飛機的座艙基本一樣。操作時顯示器分別顯示出地平儀、速度表、高度表、磁羅盤、導(dǎo)航圖、航線以及發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況、溫度等電子式儀表、信號燈也與原機一樣進入工作狀態(tài)，而隨著飛行員的操縱相應(yīng)設(shè)備也會發(fā)出不同的音效聲。

3.1 艙體系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本飛行模擬器艙體按照“C919 大飛機”外形尺寸進行1∶1.5 仿真，采用雙座雙列布局，雙人操縱體制，艙內(nèi)包含有主駕駛臺、中央控制臺、兩側(cè)控制臺、頂控板、航空座椅、側(cè)置操縱桿、中置聯(lián)動油門、襟翼和空氣剎車手柄、仿真艙體等。座艙比例設(shè)計為1∶1.5 的主要目的之一是為了在外出巡展時方便車輛整體運輸?shù)囊蟆?/p>

3.2 飛行模擬器的組成

飛行模擬器一般由模擬座艙、航電（儀表）系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)以及飛行軟件等組成，具備沉浸感強、空間效率高、體驗感好等優(yōu)點。飛行模擬器飛行原理與真實飛機基本一樣，所涉及的操縱系統(tǒng)、飛行儀表、導(dǎo)航等與駕駛真實飛機幾乎沒有區(qū)別，只是由于視鏡系統(tǒng)的原因而有所不同。目前視覺系統(tǒng)的發(fā)展也已經(jīng)進入VR/AR 時代。相信不久的視覺系統(tǒng)將更加貼近真機的效果。

1）模擬座艙。采用先進制造工藝，高仿C919大飛機的座艙結(jié)構(gòu)，操縱設(shè)備、儀表布局等，使體驗者能真實感覺到是進入了一架真的飛機內(nèi)；飛行操縱側(cè)桿、各種手柄、按鈕、油門、腳踏等以及航電設(shè)備和儀表顯示方式基本與C919 真機一致，畫面清晰，觸感精致（見圖1、圖2）。

圖1 縮小版C919飛行模擬器座艙布局圖

圖2 C919座艙布局圖

2）航電（儀表）系統(tǒng)。航電儀表系統(tǒng)包括PFD主飛行顯示屏、系統(tǒng)綜合顯示屏、備用地平儀、起落架收放手柄、中央操縱臺、EFIS 控制板、FCU 控制面板、無線電磁指示器、頭頂控制面板等組成?？s小版C919 飛行模擬器采用與真機一樣的綜合顯示技術(shù)，顯示內(nèi)容都能在4 塊主飛行顯示屏之間相互切換，互為備份，具有極佳的人機功效（見表1）。

3）操縱系統(tǒng)?？s小版C919 飛行模擬器的操縱系統(tǒng)由側(cè)桿、主動側(cè)桿和兩套腳踏系統(tǒng)、一套雙聯(lián)動油門系統(tǒng)組成。操縱桿采用同C919 同款的飛行操縱桿，側(cè)置安裝，前推后拉為升降舵通道，左右旋轉(zhuǎn)操縱桿為副翼通道。完全仿真C919 大飛機的駕駛操縱方式，同時具有自動駕駛模式。腳踏系統(tǒng)采用力回饋全金屬結(jié)構(gòu)，可以承受極大的操縱力與沖擊力的同時，操縱順滑精度高。腳踏系統(tǒng)可以操縱飛機方向舵和機輪，以控制飛機的航向，用以滑跑起飛和飛機降落時跑道的對準。腳踏還具有左右主機輪剎車功能，可以起到地面降速和輔助轉(zhuǎn)彎功能。油門系統(tǒng)包括發(fā)動機油門控制手柄、襟翼收放手柄、發(fā)動機反推控制手柄、發(fā)動機油路通斷開關(guān)和發(fā)動機緊急滅火開關(guān)、配平輪等。

4）運動系統(tǒng)。運動系統(tǒng)是飛行模擬器的一種輔助系統(tǒng)，有三自由度、六自由度等仿真運動平臺組成，飛行座艙就安裝在平臺之上。目前液壓式的運動平臺已逐漸被電動式運動平臺所取代。全數(shù)字化閉環(huán)伺服電動缸控制六自由度運動平臺，保證了飛行模擬器在運動時的平滑性和高仿真性，增加了體驗者的飛行真實感以及在飛行中感受到的飛行姿態(tài)、速度和因氣流影響產(chǎn)生的擾動、顛簸等現(xiàn)象。其主要優(yōu)點是噪音小、穩(wěn)定性好，安裝方便，維護簡單 多重機械電氣安全保護（見表2）。

表1 航電儀表系統(tǒng)名稱功能表

表2 六自由度動感平臺參數(shù)表

5）視景系統(tǒng)。飛行模擬器視景系統(tǒng)一般采用如：金屬球幕、環(huán)幕、顯示器等多通道投影系統(tǒng)、飛行模擬視景軟件平臺或VR 頭顯系統(tǒng)等構(gòu)成?？s小版C919 飛行模擬器采用5 屏32 寸顯示器為視覺系統(tǒng)，通過計算機與5 通道視頻信號同步處理，實現(xiàn)5 屏實時融合，實時畸變處理；使5 屏畫面完整（見圖3）。

圖3 五屏視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)來復(fù)現(xiàn)座艙外如：機場、跑道、天地線等，以及飛機起飛、著陸時周圍的景象。從而讓飛行者判斷出飛機的姿態(tài)、位置、高度、速度以及天氣等情況，使其有身臨其境感覺。VR 頭顯系統(tǒng)應(yīng)用在駕駛艙后排兩個座位，利用頭戴式顯示設(shè)備將后排體驗者對外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)體驗者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。

6）計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)是飛行模擬器的大腦神經(jīng)，它指揮著飛行模擬器各個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和運行工作。由于飛行模擬器在瞬間的信息交流量很大，而且人機協(xié)調(diào)和同步性要求也很高。所以計算機系統(tǒng)必須能夠承擔(dān)著整個飛行模擬器的航電（儀表）系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)以及飛行軟件各個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的解算與控制任務(wù)。

4 飛行模擬器的運用與研究

4.1 運用模式研究

飛行模擬器由多種型號和級別組成，不同年齡采用不同體驗形式：年齡在3～7 歲的兒童，由于對飛行沒有什么概念，因此我們建議體驗一種采用3D 或VR 視鏡的飛行模擬器，如太空梭、時光機之類的，這些模擬器只能體驗感受飛行，不能控制飛行。年齡在8～12 歲之間的兒童，一般我們建議體驗中端的飛行模擬器，它們除了具有操縱飛機的油門、升降；左右翻滾、轉(zhuǎn)彎以及熟讀速度、高度和地平儀等基本飛行儀表，這種級別的飛行模擬器一般不設(shè)置動態(tài)運動平臺。年齡12 歲以上人員，一般具備一定的航空知識，因此他們體驗的飛行模擬器一般都有體驗者自己控制和操作飛行，而且都是全動態(tài)的，操縱系統(tǒng)和儀表顯示也是和真機幾乎一樣，能真正體驗到飛行的奧妙和樂趣。

4.2 以傳播航空知識為主線

體驗?zāi)M飛行能夠讓體驗者基本掌握飛行技能，了解飛行原理，熟悉人機協(xié)調(diào)能力，感知飛行姿態(tài)和速度的變化。除此以外是讓體驗者能在學(xué)習(xí)飛行中學(xué)到與飛行有關(guān)的航空知識，看懂各種飛行儀表，以及起落架收放、油門收放等。使體驗者對航空飛行產(chǎn)生興趣，從而對航空產(chǎn)生愛好，將來此事航空事業(yè)。

4.3 建立受眾意見反饋機制

在飛行體驗區(qū)，設(shè)有意見簿，目的是讓那些經(jīng)過飛行體驗的受眾留下飛行的經(jīng)歷和感想，并提出在飛行中遇到的各種問題和希望改進的建議，通過這些建議在對飛行模擬器做出更加合理的修改和調(diào)整。使得模擬器更加符合人機工效學(xué)的要求。

4.4 培養(yǎng)模擬飛行教員

飛行教員是體驗者的教官，航空理論知識的儲備量和飛行技能的熟練掌握程度是對教員的基本要求。教員承擔(dān)了向體驗者傳授航空理論知識和飛行技能的責(zé)任。一個好的飛行教員應(yīng)該備有一份飛行大綱，并能堅持按大綱的操作程序和操作技能教學(xué)，使體驗者從一開始就養(yǎng)成一種正確的行為模式。通過體驗?zāi)芗ぐl(fā)出飛行的樂趣，從而達到體驗的目的。因此培養(yǎng)一個好的模擬飛行教員，不僅是為了教學(xué)，更是為了提高體驗者對航空的興趣，培養(yǎng)他們對航空的感情，為將來能有更多的人來報效祖國的航空事業(yè)做好鋪墊。

5 結(jié)論與展望

隨著飛行模擬器技術(shù)的深入研究，仿真技術(shù)的不斷完善，人機交互處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在飛行模擬器上的大量應(yīng)用，使得飛行模擬器的功能越來越多、性能也越來越穩(wěn)定，真實感將會越來越強。在未來的航空科普場館中，飛行模擬器將會成為互動展品中最受歡迎的展品之一。