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雏鹰成长的摇篮——飞行模拟器今昔

2017-02-28



 在航空界流行这么一句话:“飞行员是用跟他们体重相等的黄金堆出来的”,以此形容培养专业飞行员耗资不菲。而一旦脱离地面的支撑飞上云端,他们就要面对各种已知或未知的挑战。显然,在羽翼丰满之前还需要一个既经济又安全的成长“摇篮”。这就是飞行模拟器,与飞机几乎同时诞生,尽管从不离地,却托起了一代又一代的蓝天骄子。

从木桶座到“企鹅”机

  即使是天生就长有翅膀的雏鹰也需要在父母的带领下蹒跚学飞,那么100多年前动力飞机刚出现的时候,谁来教会第一代的飞行员们如何实现升空梦想呢?对于美国的莱特兄弟、巴西的阿尔贝托·桑托斯-杜蒙、法国的路易·布莱里奥等航空先驱来说,摸索飞行规律和操纵方法的难度可不比发明飞机低多少。在前无古人的条件下,他们通常要小心翼翼地驾驶着简陋的机器,在地面滑跑中尝试着跳跃离地。通过不断延长跳跃的距离,直到可以在空中保持一定时间的稳定状态,才算是完成了“自学成才”的第一步。而他们的学生接受到的操作指导和经验之谈也相当有限,真正飞起来之后同样要冒着不小的风险,尤其是飞机上还只能乘坐一个人的时候。

  早期的统计数据表明,90%的飞行事故都是因人员操作不当而造成的。可见,必须要让初学者在更为安全的地面环境下掌握到足够的操作技术后才能允许他们放单飞。于是就有人利用气球或吊架把无动力的滑翔机悬吊起来,在迎风状态下控制翼面保持平衡,体验飞行的感觉,不过这种方式并不太稳当。1910年前后,在英国和意大利开始出现了固定在地面上的飞行训练器具。其中一种被称为“桑德斯教师”,实际上是英国军官阿诺德·桑德斯(Arnold Sanders)把自己设计的飞机机身通过万向支架安装在地面基座上。当有风吹来时,机身随之转动,机上人员操纵升降舵和方向舵等活动部件,就可以获得与真实飞行中相似的气动反应。不过显而易见的是,如果没有足够强劲稳定的风力,这些“飞机”就只能成为静止的摆设。



最原始的地面飞行练习装置“桑德斯教师”需要足够的风力才能运作

  为了摆脱对自然风的依赖,法国的安托瓦内特(Antoinett)公司研制出一种靠人力作用的训练器。这家公司在1909年与法国陆军合作成立了一所飞行学校,为军方培养飞行员来驾驶他们制造的单翼机。安托瓦内特的训练器由两个剖开的空木桶上下叠成,内部是活动的万向节,外部再装上支架和杠杆。使用时,两个教员通过杠杆上下左右地晃动支架以模拟气流的作用,坐在桶身上方的学员就要相应转动两边的操纵轮来克服外力的干扰,还可以用脚控制“舵面”来调整方向,而前头竖起的T型杆则是学员保持水平位置的参照物。这个“桶式训练器”勉强可以算得上是第一种专门设计的飞行模拟器了,但它不能对学员的动作产生准确的反应,实际效果并不理想,因此没有被广泛使用。



安托瓦内特“桶式训练器”的使用效果并不理想

  第一次世界大战爆发后,飞机很快被投入战场,对飞行人员的需求也迅速膨胀起来。相对于飞机可以大规模生产,成批地培养合格的军事飞行员就没那么容易了。许多辅助设备被发明出来测试和筛选候选者,及早淘汰掉那些被认为在生理和心理上不符合飞行要求的人员,并强化合格者的身体素质。比如让蒙着眼睛的受试者坐在摇晃倾斜的机身内,用电子仪器记录他们的反应时间,还有可做三轴旋转和垂直运动的定向感觉模拟器等。只是当时的航空医学理论也刚刚起步,通过这些设备得出的结果并不可靠。

  在飞行模拟训练方面同样没有取得突破性的进展,大多将现有装备加以临时改装。法国曾利用截短了机翼的“布莱里奥”单翼机在地面训练飞行员,以每小时60多千米的速度进行蛙跳式滑跑和起降,被戏称为“企鹅”机,可谓“想学会飞,先学会跑”。然而当时飞机的种类和型号繁多,每一种机型都有自己的特性,更增加了训练的复杂度。虽然还有用双座教练机进行带飞的程序,但由于飞机的可靠性较差,缺乏安全措施,训练手段也不够完善,导致在一战期间死于飞行训练中的人员比在空中作战行动中阵亡的还要多。除了驾机技术外,各国还普遍使用地面器械训练飞行人员的其它技能。如在活动的机枪座内射击固定或移动的标靶,在悬空的座舱下架设传送带,铺上按比例缩小的地形图,让乘员在相对运动的状态下学习寻找导航地标,或是把握对准目标投下炸弹的提前量。



布莱里奥“企鹅”教练机模型


脱胎于玩具的“蓝盒子”

  一战结束后,大量军用飞机被当作剩余物资低价抛售,引发了民间的航空热潮,吸引到许多人去学习飞行。可传授飞行的方式还是以一带一的言传身教为主,飞机的质量和教员的水平参差不齐,飞行中的事故率和伤亡率仍居高不下。一位名叫艾德温·林克(Edwin Link)的美国年轻人就颇为烦恼,花了好几年时间和不少学费才在1927年考取飞行驾照。能不能找到更好的方法来提高学习飞行的成效呢?林克平时在父亲开的一家生产钢琴和管风琴的公司里工作,熟悉气动机械原理。他就结合学飞过程的经验,利用乐器的气动部件在1929年制作出一台飞行练习器,并在两年后取得专利。这台机器的箱式底座内装有多个管风琴的风箱和电动气泵,上面架着粗短的木制机身,并装上短翼和垂尾。使用者坐在敞开的座舱内,通过操纵杆和脚舵可以控制气动阀门,让不同位置的风箱充气膨胀或排气收缩,使机身产生俯仰、倾斜和偏航等变化,另一个电动驱动装置还会产生重复和连续的姿态扰动。


艾德温·林克和他的林克教练机

  林克对这一设计进行了反复的测试和调整,直到取得比较满意的效果。在申请专利时,他称之为“一种有效的航空训练辅助设备,也是一种新奇有益的娱乐装置”,可以用于演示飞行中操纵副翼、升降舵和方向舵时对机身姿态的影响,帮助学员熟悉基本操作。不过作为第一种实用型的飞行模拟器,其座舱内还没有仪表,各操纵机构的模拟效果也是互相独立的,并不能体现真实飞行中受到的综合影响,连林克一开始也是把自己的作品主要当成“游戏机”向游乐场推销,甚至还加上了投币口

  1920年代,自动控制技术和机电技术得到了一定程度的发展并运用到航空领域,使飞行员依靠仪表指示也能进行长距离飞行,在地面培训中则开始较为系统地讲授飞行理论,采用更加科学的训练大纲。1930年林克开办了自己的生产企业和飞行学校,利用气动模拟机以低廉的费用招收飞行爱好者。他敏锐地意识到仪表飞行将是大势所趋,于是着手改进最初的设计,安装了高度表、空速表、磁罗盘和侧倾指示器等仪表,还为座舱加上不透明的罩盖,可供盲目操作练习。不过,升级版的林克机仍不受专业人士的重视,在参加圣路易斯航空博览会时就被拒之门外,作为“玩具”反倒卖出了100多台。

  转机发生在1934年,当时美国陆军飞行军团接管了国内的航空邮政运送业务,但在不良天气和夜间环境下的飞行中接连发生严重事故,人员和财产的损失招致公众的批评。为了改善飞行安全性,美国军方特意考察过林克的发明,以单价3500美元的价格订购了6台林克机,用于提高飞行员的仪表飞行技能。使用效果得到肯定后,林克公司的业务开始一飞冲天,不仅来自国内军方和民间航空公司的订单剧增,还吸引到日本、苏联和英国等国外用户,并在加拿大设立分厂扩大生产。由于粗短的机身通常被漆成明蓝色,林克机就获得了“蓝盒子”的绰号。


早期林克机外观很像一个大玩具,但却是第一种实用型飞行模拟器


“蓝盒子”的座舱内部还相当简单


苏联仿制的林克教练机


  二战前夕,日趋紧张的国际局势促使各国加强军备建设,林克机的销量也搭上了顺风车。根据新式飞机的装备需要,林克陆续研制出能够水平旋转360度的Model C/D系列和功能更复杂的ANT-18等改进型模拟机,以及针对特定机型如AT-6/SNJ教练机的专用模拟机。这些林克机不仅可以帮助新学员掌握基本技能,学习当发生失速或自旋等紧急情况时应如何处理,也可以让有经验的飞行员进一步提高对不同机型的操作水平。林克后来还为模拟机配上了辅助监控台,利用航线标图器自动记录学员操作飞机时的运动轨迹,绘制成图表,使教员得以同步监视学员的训练情况,并便于进行评价和总结。


二战中美国采购大批林克机用于集中训练飞行员

  除了飞机驾驶技术,远程飞行中的精确导航也需要经过模拟训练。1939年,英国就急需一种能提高空勤人员天文导航能力的训练器材,使他们能安全飞越大西洋接收美国援助的飞机,以及改善深入德国占领区进行夜间空袭时的轰炸精度。林克与美国海军的导航专家菲利普·威姆斯合作,研制出一种适合轰炸机机组成员使用的模拟器。这种天文导航模拟器的体积比一般林克机要大得多,高度约为13米,可容纳飞行员、领航员和投弹手。模拟器内的平台上不仅包含标准林克机的所有仪表和设备供飞行员进行操作训练,也装有轰炸瞄准器对准下方的活动目标地图。而穹顶上还布置了精细的天文图,标定有用于导航校准的常见星辰,并能够产生相对运动,让领航员在模拟飞行过程中练习测量经度和纬度上的位置变化。此外,林克机还有用于自动驾驶、无线电导航、雷达操作、机枪射击等不同训练目的的特别改型。


复杂的林克天文导航模拟器


可容纳整个飞行机组进行导航训练

  在同一时期,德国的罗德尔发明了一种以液压运动平台为基础的飞行模拟器。英国中央飞行学校曾将废旧的Avro 504双翼机的机身改成双座练习器,让学员和教员使用的仪表和操纵机构产生联动。英国皇家空军后来还采用由“喷火”战斗机的机身改装的练习器进行空战训练,将“哈利法克斯”轰炸机的机身用于训练整个机组的基本操作和故障处置的能力,除了模拟飞行特性、动力、电气和液压系统外还能发出声响,教员通过控制台可以设置故障并监控学员的操作。苏联也研制过几种用小型飞机或教练机改装的地面模拟系统,不过因资源有限另外引进了100多台林克机。二战期间应用得最广泛的还是“蓝盒子”,共有上万台在35个国家投入使用,训练过50多万名飞行员,节省的费用估计达3亿美元,甚至到1970年代初期仍在一些国家发挥作用。


英国空军的“哈利法克斯”机身模拟器


从机械式飞向电子化

  不难看出,在飞行训练中使用地面模拟器既可以确保受训人员的安全性,也大幅降低了器材、油料和勤务保障等方面的费用,还不用担心天气和场地的影响,在缩短训练周期和提高训练质量上的成效相当显著,因此引起各国航空部门越来越高的重视。然而,想贴近真实地模拟运动中的飞机,不仅要建立描述这架飞机的气动特性以及响应操作者和外部环境影响的数学模型,还需要能实时求解相关参数的计算方法,并具备让操作者用各种感官体会到同步变化的表现手段。以林克机为代表的早期模拟器虽然可以通过模型或原型重现真实飞机的气动特性,但还无法实时计算运动参数,只能依靠机械的方式去模拟,即根据经验调整控制系统中的部件,使操作者输入动作时模拟器的仪表读数和姿态变化与实际情况相仿。显然,这种方式主要适用于仪表飞行模拟,对实际飞行训练来说还只是一种辅助手段。

  在二战期间,战争的需要刺激了电子技术的发展,催生出第一台采用模拟电路(即利用连续变化的电流模拟自然信号)的电子计算机,使实时计算运动参数成为可能。1941年,英国电信研究所设计了一种能解算飞机运动方程的模拟计算机,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。有的练习器还能装在车上,成为流动训练平台。美国的贝尔实验室为海军的PBM-3水上飞机研制作战飞行训练器时,将PBM-3的前机身及其操纵装置、仪表等设备和电子计算装置结合起来。寇蒂斯-莱特公司生产的AT-6教练机练习器也装有电子自控部件,1948年还向泛美航空公司提供了波音377高空客机模拟器。这是专为民用航空公司设计的第一种综合飞行模拟器,采用与真实飞机一样的全套座舱设备,训练机组人员按程序进行飞行操作和意外故障的处理。而不甘人后的林克公司也开发出自己的模拟计算机,1949年起用于C-l1喷气式飞机练习器,将飞行程序、发动机控制、无线电导航等系统结合在一起,向美国空军售出了1000多台。


寇蒂斯-莱特公司在AT-6练习器上采用了模拟计算机

  不过,这些模拟器虽然可以通过仪表参数反映飞机的实时运动状态,但还不能较为准确地模拟出飞机的受力情况,因此大多采用固定基座形式。既没有运动反馈系统,也看不到外部环境的变化,这导致操作者可能产生错误的感觉,从而影响到模拟的真实性。另外,如果想提高模拟器的精度,势必要使用更多的模拟电路,但模拟电路增加到一定数量后所带来的累积误差又会抵消精度的提高,同时也会缩短整个系统工作时的平均故障间隔时间。面对这样的问题,也是在二战期间科学家开始研究具有逻辑运算能力的数字电路,以提高计算机的处理精度和可靠性。美国海军就与麻省理工学院和宾夕法尼亚大学合作,开展通用数字式作战飞行训练器项目的技术研究。


50年代英国海外航空公司委托寇蒂斯-莱特公司研制的波音377模拟器

  到1950年代后,基于集成化数字电路的电子计算机日渐成熟,给飞行模拟器插上了更为强大的“电脑”。结合航空科技的最新成果,不仅可以快速准确地建立飞机特性的数学模型和解算各系统的实时参数,还能处理大量数据的输入/输出要求,这为再现飞机的气动及机械受力状况和姿态变化创造了条件。早期的模拟器要么像林克机那样只能让轻型机壳产生粗糙而有限的运动,要么干脆做成固定式。在采用电子计算机系统后,模拟器就能根据操作者的输入信号计算出相关的运动参数,控制机电和液压装置相应改变座舱平台的姿态,使操作者感觉到身体所受载荷以及从驾驶杆、脚舵等部件传来的操纵负载发生了变化,从而模拟出接近真实的运动感。1958年,英国的雷迪丰(Redifon)公司设计的“彗星4”民航客机模拟器就配备了使整个机头部分产生俯仰的运动系统,其他厂商也陆续研制出可作多自由度运动的战斗机、轰炸机和大型客机的模拟器。



英国的“彗星4”客机模拟器可进行同步俯仰运动


  另一项重要的人机交互技术就是视觉模拟系统了。前面提到过的在地面固定座舱下铺设活动地形图也算是一种视觉模拟,早期林克机还配用过绘有景物的环形幕布,但效果既不真实也不精确。为了摆脱模拟器只能用于座舱内部仪表飞行训练的局限,能够配合实时运动变化、图像质量能满足人眼要求的视景显示系统成为模拟技术的研究重点。最早投入应用的是点光源投影法,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,只需简单的设备就可产生视界宽广的影像,随着光源的运动还能获得活动画面。这种方式适合展现天空、地标和跑道图像,并可组合起来显示飞行起降过程。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,通过闭路电视系统传送给使用者观看座舱外的环境变化,雷迪丰公司在1962年就率先采用彩色电视视景模拟系统。


早期模拟器采用点光源投影法生成影像



后来采用闭路电视系统,用摄像机实时拍摄按实景制作的缩微地图或沙盘

  以上这些传统视觉模拟方法有的图像表现单一,适应性不强,有的制作和维护复杂,使用成本较高,而计算机成像技术就提供了更有潜力的模拟手段。计算机内可存储大量的景物模块数据,经过坐标转换等计算后就能构成与模拟器姿态相符的实时画面。由于早期计算机的运算和显示能力不强,实际图像效果还比较简单。1964年通用电气公司研制出第一台计算机成像模拟系统,用于美国载人航天中心训练宇航员,只能提供带一些纹理的平面透视图,类似的系统在航空领域也多用于模拟夜间起降场景。随着软硬件技术的飞速发展,计算机成像效果得以不断增强,在立体环境、复杂物体、活动目标和光影变化等方面逐步取得突破,已经成为飞行模拟器最主要的图像产生源。与此同时,光学显示系统也在更新换代。无论是简单便捷的单个或组合显示器,还是大视场大范围的球幕投影机,都显著提高了使用者的视觉真实感。


球幕投影技术给飞行模拟器带来个更逼真的视觉体验


波音747的夜航模拟训练,其模拟器座舱与原型同样复杂


成长中的模拟器家族

  作为飞行员起步的“摇篮”,得益于各种先进技术的飞行模拟器已经从原先的基本练习器发展成真正意义上的全方位模拟系统,进一步提升了飞行训练的有效性、安全性、经济性和环保性等多方面的优势。自1970年代以来,以高性能数字计算机为核心的新型模拟器开始进入各航空大国的训练体制,并形成系列化,其主要作战飞机和民用客机均配备相应的模拟器。大型模拟器普遍具备完整的座舱设备及其模拟控制系统,除视景显示功能外还可加入音响和烟雾模拟装置,采用科学的配置方案和自检措施来保障系统工作的可靠性。整体座舱由灵活的运动平台支撑,可进行上下、左右、前后、俯仰、倾斜和偏转等较大行程的六自由度运动,反应灵敏而且精度很高,不仅能反映正常的姿态变化,还能模拟失速振颤和发动机喘振这样的效果。另外还设有多功能的教员控制台,供教员设置初始飞行条件,或随时调整参数和插入故障,并监控和评估学员的操作情况。

  对模拟技术要求更高的是空战型模拟器。早期的型号其实只是简单的空中射击训练器,要模拟高机动状态下的双机或多机空战还有很大难度。直到1970年代初美国和英国才研制出较为实用的球形空战模拟器,其座舱是固定的,通过振动座椅和充气抗荷服提供过载的感觉,配合投影画面的变化使操作者产生大幅度的运动感,适合进行空战战术和特技飞行训练。更复杂的则是全任务飞行模拟器,能够对不同环境和条件下战机从起飞、机动、作战到返航降落整个过程或民航飞机的完整航线进行模拟。美国空军装备的F-15、F-16等全任务模拟器不仅用于人员训练,还用于战术对抗方面的研究。同样,利用模拟器也可以对改进型号和全新设计的飞行器展开工程研究,在实际试飞前测试各系统的性能表现和整体的飞行品质。


瑞士空军海军使用的F/A-18战术飞行模拟训练器

  先进复杂的飞行模拟器造价高昂,有的成本已经接近甚至超过要模拟的真实机型,但在投入使用后带来的经济效益和军事效益仍非常可观(1小时模拟器训练的效果相当于0.5~0.9小时的实际飞行训练,费用仅为6%~20%),促使各国不断加大投入研制和装备模拟器材。在发展趋势上,一方面是将微电子、自动控制、人工智能、虚拟现实等领域的最新技术充分应用到飞行模拟器中,进一步增强模拟的真实性。同时,结合信息技术实现各个模拟平台的网络化,将单纯的飞行训练器扩展为综合任务训练系统,在军用层面上还可构成多军兵种的联合作战模拟训练网络。另一方面,改变以往先有实机再搞模拟的做法,将飞行模拟器的研制和使用与相应机型的设计和生产同步进行,这样就缩短了飞行人员的培训时间,使新飞机能尽快投入运营或形成战斗力。此外,还注重将高级模拟器与普通模拟/练习器进行合理的高低搭配,加上辅助教学系统建立完善的训练体制,以提高设备的使用成效。

  不容忽略的是,在半导体产业“摩尔定律”的推动下,目前台式计算机的性能足以跟当初的大中型机媲美,使得开发低成本模拟系统成为可能。实际上,游戏玩家熟悉的《微软模拟飞行》(Microsoft Flight Simulator)和《X飞机》(X-Plane)经过二三十年的升级换代,不仅满足了航空爱好者足不出户翱翔蓝天的梦想,还先后获得美国联邦航空管理局(FAA)认证为可用于飞行训练的辅助工具,成为众多专业和业余飞行员的桌面必备。除了商业产品,还有象《飞行装置》(FlightGear)这样开放源代码的免费软件也具有相当出色的技术内核。利用这些现成的软硬件进行有针对性的二次开发,就可以搭建起既经济又有效的飞行模拟系统。


利用现成的软硬件也可以搭建低成本的飞行模拟系统


让“摇篮”成为“助推器”

  与航空发达国家相比,我国自主发展飞行模拟器的历史较短,但经过不懈的努力也取得了长足的进步。新中国建国初期,航空部门曾接收到几台林克机用于飞行教学。人民空军组建后从苏联和其他东欧国家引进过一批模拟训练器材,为培养自己的飞行人员和模拟技术人员奠定了基础,于1958年参考林克机研制出我国第一台仪表飞行练习器。以此为起点,军内外的科研人员在仿制基础上开始设计和生产各种飞行模拟器,20多年间陆续为部队提供了大批用于仪表飞行、起落飞行、光学/雷达轰炸、机炮/导弹射击等科目的专用型和便携型模拟训练设备,还曾出口到多个国家。1980年代后,通过消化吸收先进科技,国内飞行模拟行业实现了从机电式向数字式的跨越,先后在闭路电视视景系统、计算机成像系统、三~六自由度运动平台等关键技术上取得突破,新型的轰炸机飞行模拟器、歼击机战术训练器、高级教练机模拟器和空中加受油模拟器等相继装备部队,并向着多功能综合模拟器和一体化战术战役训练模拟系统发展。


歼-5飞机起落飞行练习器配备有俯仰-倾斜液压运动系统和点光源地景投影仪

  在民用航空方面,1975年我国首次从英国引进由数字计算机控制的波音707和“三叉戟”客机模拟器,建立起民航飞行模拟训练基地。此后随着民航市场扩展的需要,波音、麦道、空中客车等机型的专用模拟器纷纷进入国内,而运七-100和新舟60/600全任务飞行模拟器的研制成功则标志着国产飞机及其模拟器达到了新的技术水平。在我国加快发展通用航空产业之际,飞行模拟器市场也展现出欣欣向荣的前景。在最近两届的珠海国际航展上,不仅可以看到“枭龙”、L-15等军用飞机和大型客机的高档模拟器,还出现了“御翔”赛斯纳172轻型飞机模拟舱这样的普及型产品,并可延伸出配备全动平台的升级版和适用于科普教育的简化版。而进一步提升飞行模拟器行业的整体实力,将为我国航空航天事业的发展装上又一个强有力的“助推器”。


新舟60模拟器是我国第一台达到民航总局C级标准的飞行模拟器(最高为D级),并出口国外


类似赛斯纳172模拟舱这样的普及型产品适合通用航空快速发展的需求