飞行模拟器的发展历程及发展趋势研究

李映红　韩勐

摘 要：飞行模拟器因具有安全、经济、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制等诸多优点，一直受到各国军方的高度重视。由此，本文首先分析飞行模拟器的发展历程，然后探讨飞行模拟器的现状，最后对飞行模拟器的发展趋势进行预测，以期进一步加深对飞行模拟器的了解。

关键词：飞行模拟器;发展历程;发展趋势

中图分类号：V216.8 文献标识码：A 文章编号：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 飛行模拟器的发展历程

1.1 机电模拟时代

机电模拟时代是飞行模拟器发展的初级阶段。该时期的飞行训练大多局限于在地面上对飞行员进行指导，主要目的是让飞行员体验操纵的感觉。

1910年，英国和意大利开始出现了固定在地面上的飞行训练器具。1929年，被公认的现代飞行仿真创始人美国人埃德温·林克设计出第一台机械气动式飞行练习器[1]，如图1所示。其利用压缩空气转动驾驶舱，驱动压力计来模拟航空仪表。到了二战期间，超过50万盟军飞行员曾经受过林克机的训练。其主要向学员演示操纵机构对模拟飞机姿态的影响，以训练飞行员的协调驾驶能力。

1.2 模拟计算机时代

模拟计算机时代从20世纪40年代开始，是飞行模拟器发展的中级阶段[2]。1941年，英国的电信研究所设计了一种能解算飞机运动方程的电子模拟器，用在空中截击雷达练习器上，可模拟使用雷达进行引导截击的过程。1949年，林克公司开发出自己的电子模拟计算机，用于C-L1喷气飞机练习器，并向美国空军出售了一千多台这类练习器。利用电子模拟计算机，可以求解并再现飞机的气动特性、发动机特性及机械各系统的特性。

这些早期的模拟器只有简易的运动驱动平台，通常局限于2个或3个自由度，且大部分只能用于模拟仪表飞行条件。如图2所示，1958年，英国雷迪丰公司设计的“彗星4”民航客机模拟器配备了使整个机头部分产生俯仰的运动系统。

为了摆脱模拟器只能用于座舱内部仪表飞行训练的局限，能配合实时运动变化，开始了视景系统的开发。最早的视景系统采用光点投影法，即使用一个发光点很小但亮度很强的光源，将特别制作的幻灯片上的图像投影到模拟器前面的屏幕上。与之相似的是电影胶片投影法，所用图像来自事先在真实飞行中拍摄的航线景观。此外，还有用摄像机动态拍下按实景制作的缩微沙盘模型（见图3），通过闭路电视系统传送给使用者观看座舱外的环境变化。

1.3 微电子技术革命时代

微电子技术革命时代从1985年至今，这一时期的研究重点主要在视景系统方面。多家模拟器公司已经开发出自己的图像生成系统;昏暗的随机显示已经被荧光图像所取代，以60Hz频率刷新的纹理表面和大气效果渲染有力提升了视觉逼真度。模型板被保存有地形、机场及其他地理特征的对象数据库所取代。另一项进步是20世纪90年代出现的广角投影系统。轻质活动反射镜取代了平行投影仪，不仅可以为所有飞行员提供宽达220°的水平视角，同时显著地降低了投影系统的重量。由3个（或者更多）投影仪投射得到的图像通过精细融合能实现连续曲面视景。

20世纪60年代，液压设备已经开始用于运动平台。然而，直到90年代，由微处理器控制的液压执行机构才将运动系统的频率提高到500Hz，实现了运动系统的平滑运动。在运动系统中，运动平台逼真度的提升归功于两项技术的进步。第一，低速摩擦诱导颠簸运动会影响模拟器中的飞行座舱，而液压密封技术的采用极大地克服了这一问题;第二，在三个直线轴（纵向、升降、侧向）和三个角度轴（俯仰、滚转、偏航）上利用6部线性液压执行机构弥补了运动方面的不足，提供了足够的运动感。

直到1985年之后，飞行仿真才对军用飞行训练产生较大的影响。

在全世界范围内，仿真已经成为飞行训练整体计划中的重要一环。然而，民航训练技术并不能适用于全部军用训练项目，尤其是战斗机飞行员在机动飞行过程中不能只关注前向屏幕，常规运动平台难以体现持续过载效应。以下两项技术的进步在一定程度上改善了这些问题。一是装有过载座椅的固定式座舱取代了运动平台，可以用于开展更多效果显著的实验。这种设备的原理是当飞行员处于过载状态时，执行机构控制吊带的绷紧程度，给飞行员身体施加额外的压力来产生触觉感知。二是座舱组件的抖动实现了战斗机接近分离界限时的振颤感。两项技术的出现解决了为飞行员提供360°视场的问题。

2 飞行模拟器的现状

当前对飞行模拟器的主要要求为准确的动感模拟，逼真的视觉模拟、听觉模拟、力感模拟和真实的飞机事故模拟。为了准确地模拟飞机的各种故障，为飞行员的应急处理训练提供便利，对飞行模拟器各系统提出了非常严格的要求，尤其是对构成飞行模拟器的主要系统，如运动系统、操纵负荷系统、飞行仿真系统、故障模拟等。近年来，随着部队多机协同、海空协同、陆空协同训练需求的不断增加，对模拟器网络通信系统也提出了更高的要求，其关键技术主要表现在六自由度运动模拟系统、操纵负荷系统、视景系统以及网络通信系统。典型飞行模拟器的组成结构如图4所示。

军用仿真中任务推演成为取得成功的一个主要因素。通过生成作战地域的可视化数据库，机组乘员能在飞行模拟器上演练作战任务，甚至可以达到将在模拟器上取得的经验用于实际任务的目的。军用模拟器还可以通过高速网络连接，让机组乘员演练多机协同任务，或者通过对抗演练检验战术机动，还可以针对具体任务练习战术战法。

3 飞行模拟器的发展趋势

3.1 设备标准化

随着飞行模拟器装备数量不断增加，需要对运动系统、座舱系统、操纵负荷系统、视景系统、音响系统、网络通信系统和教员控制台等相关设备采取标准化、系列化管理，这既可以降低研制和采购成本，又可以减少维修保障工作量。

3.2 使用网络化

在飞行模拟器的使用方面，网络化特点不断凸显，将多台模拟器组网进行协同训练甚至是远程协同训练，既能减少模拟器采购数量，降低采购成本，又能满足部队协同训练需要。

3.3 伺服系统电动化

随着控制技术的不断发展，飞行模拟器中的液压伺服系统将逐步被电动伺服系统取代。这样可以进一步缩小设备体积，提高系统仿真度，降低使用维护成本。

参考文献：

[1]严利华，张伟，闫景波，等.飞机模拟器与模拟训练[M].北京：航空工业出版社，2017.

[2]阿勒顿.飞行仿真原理[M].刘兴科，译.北京：电子工业出版社，2013.