飛行模擬器概述——飛行模擬器的基本組成
2015-09-09 16:10:11
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飛行模擬器，按其類型及復雜程度的不同，結構也不盡相同。用數字計算機控制的飛行模擬器，通常由模擬座艙、運動模擬系統、視景模擬系統、音響模擬系統、計算機系統、教員控制臺等組成，如圖1所示。
圖1 飛行模擬器基本組成
飛行模擬器是一個以飛行員為核心的人一機閉環控制系統，它又是一個實時仿真系統。當飛行員在模擬座艙內操縱各種裝置(油門桿、駕駛桿、腳蹬、電門、按鈕等)，或教員在教員臺上操縱有關控制電門、按鍵時，這些操縱控制裝置就會產生相應的電壓信號，經輸入接口變換成數字量后送給計算機，計算機則按預定的管理程序和數學模型進行計算，然后將其計算結果(數字量)經輸出接口變換后，再經放大器放大，驅動有關的儀表指示相應的數值，驅動有關的指示燈呈現相應狀態，音箱發出相應的聲音，運動平臺處于相應的運動狀態，視景系統顯示相應的外部景象。
由于計算機的運算速度非?？?，通常以20一40毫秒為一個運算周期，各顯示設備所顯示的狀態每秒鐘變化25～50次，因而在飛行員看來，這些變化既是連續的，又是實時的。 這些變化的信息作用給飛行員后，飛行員及時進行分析判斷，然后根據訓練任務的需要進一步操縱有關裝置。如此反復循環，從而完成模擬飛行任務。
1.模擬座艙
模擬座艙是飛行模擬器的主體。訓練用飛行模擬器，模擬座艙內部的形狀,各儀表、信號裝置、操縱設備的布局與所模擬的飛機幾乎完全一樣，以給飛行員造成座艙環境的逼真感。各種儀表的盤面與真實飛機儀表完全相同，其內部結構有的也與真實儀表一樣，有的則不同，但其指示現象都與真實儀表相同。有的飛行模擬器，如較簡單的儀表飛行訓練器，其座艙是固定不動的；較復雜的飛行模擬器，其座艙通常都是安裝在運動模擬系統的活動平臺上。座艙內的操縱設備通常與產生負荷的裝置相連，共稱為操縱負荷模擬系統，它可根據飛行條件產生相應的負荷，使飛行員的手和腳上有操縱力的感覺。座艙內還裝有音響模擬系統，可以產生飛行中飛行員所能聽到的某些音響效果。例如發動機起動、運轉的聲音，氣流與飛機的摩擦聲，收放起落的聲音，以及飛機著陸接地時的撞擊聲，等等。
2.運動模擬系統
運動模擬系統，簡稱運動系統，主要是用來模擬飛機的加速度的，以使飛行員的身體感覺到飛機的運動；在有的情況下，也可模擬出飛機的姿態。
運動系統由液壓源(也叫供壓系統)及由液壓作動筒控制的活動平臺組成；模擬座艙就裝 在活動平臺上。當飛行員在模擬座艙內操縱“飛機”運動時，活動平臺就會產生相應的運動，從而使飛行員的身體及大腦中的前庭器官感受到這種運動，飛行員借助這種感覺判斷出飛機姿態及速度的變化。
根據飛行模擬器的復雜程度，其運動系統所能模擬的運動狀態也不相同。簡單的運動系統只有兩個自由度。如我國自行設計的殲五-Ⅱ飛行模擬器的運動系統，只能使模擬座艙俯仰和傾斜；我國研制的大型殲六飛行摸擬器，也只有3個自由度，即可使模擬座艙俯仰、傾斜和升降，其活動范圍也比較小。目前國外的大型飛行模擬器，運動系統多為6個自由度，即沿三軸的直線運動和繞三軸的轉動。我國研制的運七-100飛機飛行模擬器和伊爾七六飛機飛行仿真系統，都有6自由度運動系統。表1是一種大型六自由度運動平臺的性能指標。
表1 一種大型六自由度運動平臺的性能指標
3.視景模擬系統
視景模擬系統，簡稱視景系統，是用來模擬飛行員在飛行中所看到的座艙外部的景象的。根據這種景象，飛行員可以判斷飛機的姿態、位置，以至飛行的速度、天氣狀況等。
視景系統主要由景象產生與景象顯示兩部分組成。產生與顯示景象的方法很多，因此視景系統有很多種類型，但主要有以下幾種：
(1) 點光源視景系統
點光源視景系統是發展最早，也是最簡單的一種視景模擬裝置。這種系統主要有一個體積很小、亮度很高且可以活動的小燈泡(稱為點光源)，一個按一定比例畫有地面景象的大直徑玻璃盤(稱為地景盤)，還有一塊屏幕。當飛行員操縱模擬器時，點光源模擬飛機的運動，光線透過地景盤照射到屏幕上，形成連續運動的景象。這種系統的主要優點是視野廣闊，結構簡單，缺點是模擬誤差較大，地景范圍小。但因其優點突出，因此在模擬器的早期一直用在起落航線、直升機的垂直起落和懸停的模擬上。
(2) 電影膠片投影系統
這種系統又稱為畸變電影。它是預先由一架飛機在標準的航線上用攝影機把實際景象拍成電影，拷貝洗印好后，通過一個可由飛行員操縱的裝有光學畸變鏡頭的放映機放映出來。當飛行員操縱模擬器時，若航跡沒有偏差，放映出來的圖像就是拍攝的標準圖像，若航跡有偏差，則通過畸變鏡頭映出的畫面發生畸變，使飛行員所看到的影像也隨之改變。這種系統的優點是體積小，影像的色彩和清晰度都很好，飛機的進場著陸尤為逼真。但最大的缺點是所能模擬的航線范圍很窄，因而機動范圍很小，使用價值有限。
(3) 地景模擬／閉路電視系統
這種系統主要由一個很大的按一定比例制作的地景模型、可受飛行員操縱的光學探頭和攝像機、投影器及顯示屏幕等組成。當飛行員操縱模擬器飛行時，攝像機通過光學探頭對地景模型進行攝影，攝像機將光信號變成電信號，再由投影器將電信號變成光信號投影到座艙前的屏幕上。這種視景系統，最大的優點是模擬的景象十分逼真，但是，最大缺點是結構復雜，體積異常龐大，耗電量非常驚人(100千伏安以上)，運行費用昂貴，維修困難。但隨著計算機的發展，已逐漸被計算機成像視景系統所代替。
(4) 計算機成像視景系統
計算機成像技術是隨大容量高速度的數字計算機的飛速發展而產生的新型視景技術。它主要由圖像處理計算機、圖像數據庫、圖像生成設備、電視投影器及屏幕等組成。當飛行員在模擬座艙內操縱“飛機”時，其操縱信號經模擬器主計算機的計算，向圖像處理計算機輸送有關飛行位置、姿態等信息，圖像處理計算機則將這些信息進行處理，從圖像數據庫取出有關的圖像信息，經圖像生成設備，送給電視投影器形成實時變化的圖像，使飛行員從屏幕上觀察到飛行中的景象。計算機成像視景系統，由于圖像是由計算機產生的，所以有很大的靈活性，有十分廣泛的模擬能力；借助外存數據庫可以存儲大量不同的景物，比如可以存儲多個機場，甚至上百個機場的圖像。使用者還可以根據自己的需要增加或修改景象的內容。這種系統還有一個突出的優點，就是可用多個顯示器來顯示景象，從而大大地擴展了視野，如水平視場角可達200°以上，使飛行員有全景空間的感覺。這種系統還有體積小，耗電少，便于維護……等優點。因此它已經成為現代飛行模擬器視景系統的主要形式。
4.教員指揮控制臺
教員指揮控制臺(簡稱教員臺)是教員控制飛行模擬器各部分的工作及了解飛行員操作情況的裝置。不同類型、不同功能的模擬器，其控制臺的組成、結構也不一樣。但一般都有以下幾個部分：
(1) 控制板。上面裝有控制整機及各大系統工作的電門、按鈕等。
(2) 顯示器。用來顯示飛行軌跡、儀表指示參數等。
(3) 飛行條件設置板。用以設置各種初始參數(起飛位置、起飛航向、油量)及氣象條件(場面氣壓、氣溫、風速、風向、能見度)等。
(4) 故障設置板。用來給飛行員設置各種故障，以鍛煉飛行員在各種故障情況下的處置能力。例如，殲六飛行模擬器可以設置66種故障。其中發動機系統故障就有22種，如發動機接不通最大、接不通加力、斷不開最大、發動機失火、空中停車……等；特種設備故障21種，如地平儀抖動、卡住，羅盤卡住、擺動，空速管堵塞、結冰，發電機電壓過高、過低……等；以及其他系統的一些故障，如操縱系統的力臂調節器失靈、起落架放不下，剎車失效等。
(5) 計算機的外部設備。如控制鍵盤、打印機等。
(6) 通話設備。用來與飛行員聯絡通話。
現在比較先進的教員臺，上述的2、3、4項都由一個帶觸摸屏的顯示器代替。即利用觸摸屏的控制，顯示器上既可以顯示飛行軌跡、儀表指示參數，又可以設置和顯示飛行條件和故障，還可以控制模擬器的運行狀態，如凍結、記錄和重放等。
5.計算機系統
計算機系統是飛行模擬器中最重要的部分，它是飛行模擬器的“神經中樞”。飛行模擬器是一個實時性要求很高，交換信息量很大，并有一定精度要求的復雜實時仿真系統。計算機系統承擔著整個模擬器各個系統的控制與數學模型的解算任務，計算機實時采集飛行員的各種操縱信息和教員的各種控制指令信息，按飛機、發動機、各種機載系統變化規律計算各種參數，再輸往儀表、視景、運動、音響……等各個系統，使飛行員從視覺、聽覺、觸覺等幾個方面感受到“飛機”飛行的情況。
計算機系統通常是由數字計算機、實時接口及軟件等組成。
(1) 數字計算機
現代的飛行模擬器，都選用數字計算機。根據模擬器模擬功能的多少，選用不同檔次的計算機。對于功能少的模擬器，一般只有一個計算機，對于功能強的模擬器，則往往是由若干個計算機聯網而成的計算機系統。其中部分計算機是為實現某種功能而設計的專用計算機。早期的飛行模擬器計算機系統，既有數字計算機，也有模擬計算機。例如，我國研制的殲六飛行模擬器，就有一臺NOVA4／X小型數字計算機及三套模擬計算部件。美國的F一16戰術飛行模擬器的計算機系統(NORDl0／50)，有四個32位的NORD50計算機及一個NORDl0／S計算機，還有一個F一16飛機上裝備的德爾科Magic362F火控計算機。
(2) 實時接口
實時接口也稱為連接器。因為飛行模擬器的各個模擬系統及控制臺向數字計算機輸入的各種信息都是模擬量或開關量，這些系統從計算機得到的也應是模擬量或開關量，而計算機則是按數字量進行工作的。因此應該先將輸給計算機的模擬量和開關量變成數字信號，然后再將計算機輸出的數字信號變成模擬信號的開關信號，并且要對這些信號的傳送進行控制。這些工作都是由實時接口來完成的。實時接口所要變換和控制的信息量一般都是比較多的。飛行模擬器的功能越強，這些信息也越大。例如，伊爾七六飛行仿真系統的模擬輸入量(簡稱模入量)有100多個，模擬輸出量(簡稱模出量)有200多個，開關輸入量(簡稱開入量)有1700 多個，開關輸出量(簡稱開出量)有800多個。
(3) 模擬軟件
模擬軟件就是根據各系統的數學模型編制的程序及其他程序。由于飛行模擬器是一個復雜的實時仿真系統，它所要模擬的工作狀態很多，因此其軟件也十分復雜，十分龐大。按照不同的模擬系統，軟件也分成若干個大系統。每個大系統又按小功能分成若干個分系統 (也稱分支程序)。當然，不同的模擬器，軟件系統的分類方法也不盡相同，軟件的多少也不一樣。例如，殲六飛行模擬器的軟件分為13個大系統：飛行系統、發動機系統、儀表系統、無線電系統、液壓系統、燃油系統、運動系統、視景系統、操縱負荷系統、音響系統、故障系統、電源系統及控制整個模擬器程序運行的管理系統。