李映紅　韓勐

摘 要：飛行模擬器因具有安全、經(jīng)濟(jì)、可多次重復(fù)、無風(fēng)險(xiǎn)、不受氣候條件和場(chǎng)地空間限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直受到各國(guó)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(xiàn)狀，最后對(duì)飛行模擬器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期進(jìn)一步加深對(duì)飛行模擬器的了解。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器;發(fā)展歷程;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：V216.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)電模擬時(shí)代

機(jī)電模擬時(shí)代是飛行模擬器發(fā)展的初級(jí)階段。該時(shí)期的飛行訓(xùn)練大多局限于在地面上對(duì)飛行員進(jìn)行指導(dǎo)，主要目的是讓飛行員體驗(yàn)操縱的感覺。

1910年，英國(guó)和意大利開始出現(xiàn)了固定在地面上的飛行訓(xùn)練器具。1929年，被公認(rèn)的現(xiàn)代飛行仿真創(chuàng)始人美國(guó)人埃德溫·林克設(shè)計(jì)出第一臺(tái)機(jī)械氣動(dòng)式飛行練習(xí)器[1]，如圖1所示。其利用壓縮空氣轉(zhuǎn)動(dòng)駕駛艙，驅(qū)動(dòng)壓力計(jì)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(jīng)受過林克機(jī)的訓(xùn)練。其主要向?qū)W員演示操縱機(jī)構(gòu)對(duì)模擬飛機(jī)姿態(tài)的影響，以訓(xùn)練飛行員的協(xié)調(diào)駕駛能力。

1.2 模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代

模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代從20世紀(jì)40年代開始，是飛行模擬器發(fā)展的中級(jí)階段[2]。1941年，英國(guó)的電信研究所設(shè)計(jì)了一種能解算飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的電子模擬器，用在空中截?fù)衾走_(dá)練習(xí)器上，可模擬使用雷達(dá)進(jìn)行引導(dǎo)截?fù)舻倪^程。1949年，林克公司開發(fā)出自己的電子模擬計(jì)算機(jī)，用于C-L1噴氣飛機(jī)練習(xí)器，并向美國(guó)空軍出售了一千多臺(tái)這類練習(xí)器。利用電子模擬計(jì)算機(jī)，可以求解并再現(xiàn)飛機(jī)的氣動(dòng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)特性及機(jī)械各系統(tǒng)的特性。

這些早期的模擬器只有簡(jiǎn)易的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，通常局限于2個(gè)或3個(gè)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(guó)雷迪豐公司設(shè)計(jì)的“彗星4”民航客機(jī)模擬器配備了使整個(gè)機(jī)頭部分產(chǎn)生俯仰的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

為了擺脫模擬器只能用于座艙內(nèi)部?jī)x表飛行訓(xùn)練的局限，能配合實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)投影法，即使用一個(gè)發(fā)光點(diǎn)很小但亮度很強(qiáng)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(shí)飛行中拍攝的航線景觀。此外，還有用攝像機(jī)動(dòng)態(tài)拍下按實(shí)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(shù)革命時(shí)代

微電子技術(shù)革命時(shí)代從1985年至今，這一時(shí)期的研究重點(diǎn)主要在視景系統(tǒng)方面。多家模擬器公司已經(jīng)開發(fā)出自己的圖像生成系統(tǒng);昏暗的隨機(jī)顯示已經(jīng)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(jī)場(chǎng)及其他地理特征的對(duì)象數(shù)據(jù)庫所取代。另一項(xiàng)進(jìn)步是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的廣角投影系統(tǒng)。輕質(zhì)活動(dòng)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(dá)220°的水平視角，同時(shí)顯著地降低了投影系統(tǒng)的重量。由3個(gè)（或者更多）投影儀投射得到的圖像通過精細(xì)融合能實(shí)現(xiàn)連續(xù)曲面視景。

20世紀(jì)60年代，液壓設(shè)備已經(jīng)開始用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。然而，直到90年代，由微處理器控制的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)才將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的頻率提高到500Hz，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的平滑運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)逼真度的提升歸功于兩項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。第一，低速摩擦誘導(dǎo)顛簸運(yùn)動(dòng)會(huì)影響模擬器中的飛行座艙，而液壓密封技術(shù)的采用極大地克服了這一問題;第二，在三個(gè)直線軸（縱向、升降、側(cè)向）和三個(gè)角度軸（俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航）上利用6部線性液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)彌補(bǔ)了運(yùn)動(dòng)方面的不足，提供了足夠的運(yùn)動(dòng)感。

直到1985年之后，飛行仿真才對(duì)軍用飛行訓(xùn)練產(chǎn)生較大的影響。

在全世界范圍內(nèi)，仿真已經(jīng)成為飛行訓(xùn)練整體計(jì)劃中的重要一環(huán)。然而，民航訓(xùn)練技術(shù)并不能適用于全部軍用訓(xùn)練項(xiàng)目，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在機(jī)動(dòng)飛行過程中不能只關(guān)注前向屏幕，常規(guī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)難以體現(xiàn)持續(xù)過載效應(yīng)。以下兩項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可以用于開展更多效果顯著的實(shí)驗(yàn)。這種設(shè)備的原理是當(dāng)飛行員處于過載狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制吊帶的繃緊程度，給飛行員身體施加額外的壓力來產(chǎn)生觸覺感知。二是座艙組件的抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)接近分離界限時(shí)的振顫感。兩項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)解決了為飛行員提供360°視場(chǎng)的問題。

2 飛行模擬器的現(xiàn)狀

當(dāng)前對(duì)飛行模擬器的主要要求為準(zhǔn)確的動(dòng)感模擬，逼真的視覺模擬、聽覺模擬、力感模擬和真實(shí)的飛機(jī)事故模擬。為了準(zhǔn)確地模擬飛機(jī)的各種故障，為飛行員的應(yīng)急處理訓(xùn)練提供便利，對(duì)飛行模擬器各系統(tǒng)提出了非常嚴(yán)格的要求，尤其是對(duì)構(gòu)成飛行模擬器的主要系統(tǒng)，如運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、故障模擬等。近年來，隨著部隊(duì)多機(jī)協(xié)同、?？諈f(xié)同、陸空協(xié)同訓(xùn)練需求的不斷增加，對(duì)模擬器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)也提出了更高的要求，其關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、視景系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。典型飛行模擬器的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

軍用仿真中任務(wù)推演成為取得成功的一個(gè)主要因素。通過生成作戰(zhàn)地域的可視化數(shù)據(jù)庫，機(jī)組乘員能在飛行模擬器上演練作戰(zhàn)任務(wù)，甚至可以達(dá)到將在模擬器上取得的經(jīng)驗(yàn)用于實(shí)際任務(wù)的目的。軍用模擬器還可以通過高速網(wǎng)絡(luò)連接，讓機(jī)組乘員演練多機(jī)協(xié)同任務(wù)，或者通過對(duì)抗演練檢驗(yàn)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，還可以針對(duì)具體任務(wù)練習(xí)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法。

3 飛行模擬器的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化

隨著飛行模擬器裝備數(shù)量不斷增加，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和教員控制臺(tái)等相關(guān)設(shè)備采取標(biāo)準(zhǔn)化、系列化管理，這既可以降低研制和采購(gòu)成本，又可以減少維修保障工作量。

3.2 使用網(wǎng)絡(luò)化

在飛行模擬器的使用方面，網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)不斷凸顯，將多臺(tái)模擬器組網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練甚至是遠(yuǎn)程協(xié)同訓(xùn)練，既能減少模擬器采購(gòu)數(shù)量，降低采購(gòu)成本，又能滿足部隊(duì)協(xié)同訓(xùn)練需要。

3.3 伺服系統(tǒng)電動(dòng)化

隨著控制技術(shù)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(dòng)伺服系統(tǒng)取代。這樣可以進(jìn)一步縮小設(shè)備體積，提高系統(tǒng)仿真度，降低使用維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)利華，張偉，閆景波，等.飛機(jī)模擬器與模擬訓(xùn)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.