[科普中国]-飞行训练模拟器

用途

飞行训练模拟器用于练习在各种条件下飞行操作技能的一种训练设备。可以模拟飞机的静态特性和动态特性，目视情况以及音响、过载、振动等各种物理因素。用于训练飞行员和空勤组其他有关成员，模拟飞机的战斗使用方法和技术。飞行训练模拟器的运用，能缩短掌握新技术装备的时间，提高装备的使用效率和减少训练费用。2

飞行训练模拟器的主要功能是在地面复现空间中的飞行条件和飞行器的运动状态，为航天员提供运动感觉、视觉、听觉、操纵负荷等各种感觉，好象在空间驾驶飞行器一样。

飞行训练模拟器是专门用来训练航天员的。它不受气象条件、场地和时间的限制，具有能源省、成本低的特点。如航天员在飞行模拟器上练一小时的费用仅是空中飞行费用的1/10左右，还安全可靠。几十年来飞行训练模拟器发展十分迅速，做得越来越逼真，训练效果越来越好，训练周期可以缩短，训练效率高。所以训练模拟器是十分有用的设备。3

组成飞行训练模拟器一般由计算机系统、活动座舱、视景系统、仪表系统、操纵负荷和音响系统等组成。计算机除了解算飞行模拟器的运动方程和火箭动态方程外，还要解算大量的机载系统数学模型以及仿真设备的数学模型。通过界面设备在计算机和仿真设备之间交换处理大量信息。3

计算机系统计算机系统是训练模拟器的主要组成部分。它实现整个训练模拟器的全部实时仿真计算、数据采集及离线数据处理等重要任务。以前在训练模拟中，一般采用模拟计算机，这是由于当时的数字计算机还没有发展到现在的技术水平。由于训练模拟器要长时间运行，模拟计算机中的运算放大器总有一些零点漂移，所以仿真的精度往往受到影响。近年来由于数字计算机和计算技术发展很快，训练模拟器大部分采用数字计算机。但是，由于模拟计算机是并行运算和实时运算，又可以改变时间比例尺，反应比实时更快地运算．或更慢地运算的特点，因而有的训练模拟器采用模拟机和数字机混合计算机为主体的系统。然而今后发展趋势是全数字机系统，可根据需要采用多台数字计算机系统。这是因为训练模拟器属于复杂的大系统，并要求实时地反映受控对象的运动状态，以及受控对象运动速度较快，运动方程阶次比较高等。这就造成计算机负担很重，因此常常要求一台功能较全的计算机来担负仿真任务是很难的。另外训练模拟器虽然属于复杂大系统，但根据大系统分解与协调的原则，可将大系统分解为各个独立的子系统以及分解出各个子系统的局部输入信号。在局部输入信号作用下，可使相应的子系统最佳化。而各子系统最佳化的兼容性也就说明整个大系统是稳定的。由此可见训练模拟器用一台功能较全的计算机并不经济’另外还由于大系统可分解为各个独立子系统，因而在理论上和经济意义上采用集中式控制计算机是合适的。换句话说，采用微处理机是可行的。比如让一台计算机管理运动系统，另一台计算机管理视景系统。这种多机系统不仅可以使训练模拟器功能大大增加，而且可以提高模拟器的精度和可靠性。为此，采用多型号、多微机的分布式系统是合适的。若采用星形结构的方式，即设置一台主机、若干台卫星机，主机可以与所有卫星机进行通讯，卫星机之间不直接通讯，它们之间的通讯也要通过主机进行。为了减少卫星机之间的通讯负担，将起主导作用的飞行运动方程的软件，置于主机上运行，这样可使卫星机之间的通讯负担减轻到最小。例如：主机可采用高水平的超级小型机或超级微型机，卫星机采用32位的微机(如MC-68020、INTEL-80386)或单片信号处理机(如TMS-32020、IMBT-224)。3

视景系统为了让被训练人员有真实感，需要将运动载体的周围环境复制出来。必须要有一套视景系统。训练模拟器系统中所用的视景系统种类很多。如：点光源投影系统；一般光学探头投影电视系统，光学探头油膜光伐投影电视系统等。近年来兴起的计算机存贮和成像投影系统，用计算机成像的方式，取代光学探头、摄像机、地景模拟等设备，有其特别方便之处。3

运动系统近代的训练模拟器大都有运动系统，它是向被训练人员提供加速度感觉，以提高模拟器的逼真程度。航天员除了靠仪表指示外界景象的相对位置和相对运动操纵飞行器外，还要靠对飞行器的运动状态，特别是对加速度的感觉来正确操纵飞行器。运动系统是由计算机控制的一种专门机构，现代多液压伺服系统组成，最佳的运动系统具有六个自由度。3

分类载人航天飞行训练模拟器按其任务和动力状况可以划分为若干种类。

1、单项任务训练模拟器和全任务训练模拟器

载人航天飞行训练模拟器按照训练任务可分为单项任务飞行训练器和全任务飞行模拟器。

1)单项任务飞行模拟训练器

单项任务飞行模拟训练器是针对某一飞行阶段或某一操作任务的训练而研制的模拟器。如姿态控制训练模拟器、仪表操作训练模拟器、交会对接训练模拟器和登月飞行训练模拟器等。单项任务训练模拟器的优势在于它可以方便地对飞行训练中的关键操作进行有选择的反复训练，突出了重点训练的原则，并减少了对大型综合训练模拟器的占用时间。

2)全任务飞行训练模拟器

全任务飞行训练模拟器则是以整个飞行过程和全部飞行任务为任务目标的训练模拟器。鉴于不同型号的载人航天器有着不同的飞行器结构和不同的飞行任务和程序，必然有着各自不同的全任务飞行模拟训练器。如俄罗斯的“联盟”号飞船和“礼炮”号空间站、美国的“阿波罗”飞船和航天飞机等载人航天器都分别有各自的飞行谢练模拟器。全任务飞行训练模拟器的优势在于它可以对航天员进行飞行任务和飞行程序的全面系统的综合性训练。因此，全任务训练模拟器对于载人航天工程的航天员训练是必不可少的。

2、活动基训练模拟器和固定基训练模拟器

载人航天飞行训练模拟器还可以按照动力系统的有无分为活动基训练模拟器和固定基训练模拟器。

1)活动基飞行训练模拟器

活动基飞行训练模拟器具备模拟飞行器真实动力状态的功能。模拟器的座舱或座椅安装在运动平台上。在飞行训练过程中，根据航天器的飞行动力学状态，座舱或座椅在运动平台的驱动下，作6自由度的运动或抖振。受训者从中直接感受真实的动感。

2)固定基飞行训练模拟器

固定基飞行训练模拟器不具备模拟飞行器真实动力状态的功能。模拟器座舱固定于地面，在模拟飞行过程中不发生运动。受训者不能直接感受真实的动感，而只能通过视景和仪表的变化间接感受载人航天器的运动。

显然活动基飞行训练模拟器对飞行状态和动力环境的模拟更为逼真，但需要建造运动平台，使整个模拟器结构更为复杂，造价更加昂贵。因此，在实际应用中，结构简单、造价较低的固定基飞行训练模拟器有更大的吸引力。4

技术指标飞行训练模拟器的主要技术指标和技术要求如下：

1)模拟座舱

模拟座舱的内部布局、形状、尺寸及外观和视觉界面特性等与真实载人飞船的返回舱和轨道舱相同。

2)计算机与网络

飞行训练模拟器的计算机系统采用主控计算机、视景计算机与多台微机共同联网方式构成异构多机分布系统。

3)视景与音响

采用计算机图像生成的视景系统，实时仿真控制的最大帧速率为25Hz(即帧周期40ms)；采用数字式音响系统模拟环境噪声与操作音响。

4)系统软件

飞行训练模拟器的所有软件设计与开发均按载人飞船工程软件工程化的要求进行管理。

5)系统延时

飞行训练模拟器的系统延时(指反应输入至系统响应输出显示整个过程)≯150ms。

6)系统可靠性和可维修性

飞行训练模拟器的平均故障间隔时间(MTBF)≥400h，平均修复时间(MTTR)≤12h。4