飛行模擬機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

尹 俊

（云南東方飛行培訓(xùn)有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

隨著航空業(yè)的迅猛發(fā)展，對專業(yè)飛行員的需求越來越大。飛行培訓(xùn)做為航空業(yè)的重要一環(huán)，起著越來越重要的作用。飛行模擬機(jī)是飛行訓(xùn)練的重要設(shè)備，通過模擬飛行訓(xùn)練，飛行員不僅可以熟悉駕駛艙的布局、面板功能，也可進(jìn)行各飛行程序的練習(xí)及各種緊急情況的處置程序模擬，而這一切都需要在飛行模擬機(jī)上完成。最初的飛行模擬機(jī)僅由一個無動力裝置的模擬駕駛艙構(gòu)成，隨著科技發(fā)展，當(dāng)代模擬機(jī)已經(jīng)可以從運動、聲音及通信、視景、教員臺故障等各方面進(jìn)行模擬，通過計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的實時通信，使參訓(xùn)飛行員體驗到身臨其境的飛行感覺。

當(dāng)代主流模擬機(jī)主要由駕駛艙及接口系統(tǒng)、運動模擬系統(tǒng)、控制載荷模擬系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音和通信模擬系統(tǒng)、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、教員控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成（圖1）。

圖1 飛行模擬機(jī)系統(tǒng)組成

1 計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)

計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是飛行模擬機(jī)的重要組成部分，計算機(jī)系統(tǒng)由多部計算機(jī)組成，分別負(fù)責(zé)飛行模擬訓(xùn)練的不同部分，以加拿大CAE 公司的模擬機(jī)為例，其計算機(jī)系統(tǒng)以一臺主計算機(jī)（Simnode）做為“大腦”，負(fù)責(zé)統(tǒng)管所有設(shè)備的模擬進(jìn)程，其余節(jié)點計算機(jī)分別負(fù)責(zé)聲音、通信、控制載荷、視景、飛行管理、教員臺系統(tǒng)等部分，每臺計算機(jī)通過預(yù)裝程序?qū)崿F(xiàn)不同的模擬功能，如同模擬機(jī)的各“肢體”。CAE 公司R4 系列模擬機(jī)采用1394網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行實時傳輸，最新的R5 系列模擬機(jī)采用以太網(wǎng)進(jìn)行實時通信，各節(jié)點計算機(jī)通過實時網(wǎng)絡(luò)與主計算機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)參訓(xùn)機(jī)組在駕駛艙進(jìn)行操作時，各開關(guān)、電門及傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的信號，通過模擬機(jī)接口系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給對應(yīng)的節(jié)點計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)過計算后，通過接口系統(tǒng)驅(qū)動駕駛艙進(jìn)行不同的聲音、視景、儀表顯示模擬，主計算機(jī)對這一過程進(jìn)行協(xié)調(diào)，使該進(jìn)程模擬順序與真實飛行狀態(tài)一致，此即為一個完整的模擬過程，通過機(jī)組連續(xù)操作，計算機(jī)實現(xiàn)連續(xù)不斷模擬，達(dá)到訓(xùn)練目的。

2 駕駛艙模擬系統(tǒng)

每臺飛行模擬機(jī)都有一臺真實的飛機(jī)與之對應(yīng)，圖2 為波音B737-800 模擬機(jī)駕駛艙示意圖，駕駛艙內(nèi)部根據(jù)模擬的不同機(jī)型配備相同的儀表面板和裝置操縱，與該飛機(jī)布局完全一致，便于飛行員熟悉所訓(xùn)練的機(jī)型駕駛艙。駕駛艙面板構(gòu)造和功能與所模擬的真實飛機(jī)一致，以CAE 公司模擬機(jī)為例，其面板有飛機(jī)真實部件和模擬件兩種類型，其中模擬面板通過計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬信號處理后通過接口系統(tǒng)將信號傳輸至面板進(jìn)行模擬。駕駛艙內(nèi)部還配備了氧氣面罩、耳機(jī)、話筒等設(shè)備，座椅功能也與真實飛機(jī)一致，達(dá)到與真實駕駛艙完全一致的使用體驗。

圖2 波音B737-800 模擬機(jī)駕駛艙

3 運動模擬系統(tǒng)

模擬機(jī)運動系統(tǒng)主要模擬飛機(jī)飛行過程中的姿態(tài)變化（俯仰、橫滾、偏航），使飛行員在駕駛艙進(jìn)行操作時能感受到對應(yīng)的飛機(jī)姿態(tài)，同時也可模擬出飛機(jī)在遇到氣流顛簸、風(fēng)切變等特殊情形下的運動感覺，加強(qiáng)飛行訓(xùn)練的真實感。運動系統(tǒng)主要分為液壓驅(qū)動和電動驅(qū)動兩種形式，目前主流模擬機(jī)為電動運動系統(tǒng)，該運動系統(tǒng)由運動平臺、作動筒及運動控制柜組成（圖3），運動系統(tǒng)與計算機(jī)系統(tǒng)通過實時網(wǎng)絡(luò)連接，飛行員在駕駛艙艙內(nèi)進(jìn)行操縱時，通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞信號給運動控制柜，從而驅(qū)動作動筒產(chǎn)生不同的動作，使運動平臺能夠模擬不同的運動姿態(tài)，飛行員在駕駛艙內(nèi)即可感受到不同的運動感覺。

圖3 模擬機(jī)運動系統(tǒng)

4 視景模擬系統(tǒng)

視景系統(tǒng)用來模擬飛行訓(xùn)練時的圖像顯示，主要由視景計算機(jī)（包括圖像生成計算機(jī)和視景控制計算機(jī)）、視景數(shù)據(jù)庫、投影儀及屏幕、真空泵等輔助設(shè)備組成。視景計算機(jī)系統(tǒng)通過實時網(wǎng)絡(luò)與主計算機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)飛行員進(jìn)行操縱時，主計算機(jī)通過計算向視景計算機(jī)傳輸當(dāng)前飛機(jī)的姿態(tài)、環(huán)境天氣等信息，視景計算機(jī)收到信息后，從視景數(shù)據(jù)庫通過專用網(wǎng)絡(luò)調(diào)出有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像生成計算機(jī)輸送給投影儀生成所需圖像，圖像投影到屏幕上即可讓飛行員觀察到實時景象。

5 控制載荷系統(tǒng)

駕駛艙內(nèi)的駕駛桿、手輪、起落架等操縱裝置由控制載荷系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)通過一系列力傳感器、滑輪、電機(jī)和鋼索組件，通過接口系統(tǒng)與控制載荷計算機(jī)和主計算機(jī)進(jìn)行通信，經(jīng)過計算后根據(jù)機(jī)組不同的操作產(chǎn)生不同的力反饋及操作效果，達(dá)到與真實飛行一致的模擬體驗。

6 聲音和通信模擬系統(tǒng)

計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有兩臺計算機(jī)專門負(fù)責(zé)進(jìn)行聲音和通信的模擬，聲音和通信系統(tǒng)有專門的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通過節(jié)點計算機(jī)、功放、音響等設(shè)備進(jìn)行模擬，機(jī)組相應(yīng)的操作通過接口系統(tǒng)傳輸至計算機(jī)系統(tǒng)，計算機(jī)將模擬機(jī)結(jié)果通過功放傳輸至音響、耳機(jī)、話筒等設(shè)備，產(chǎn)生不同的聲音和通信效果，實現(xiàn)聲音、通信的實時模擬。

7 教員臺控制系統(tǒng)

教員臺是飛行訓(xùn)練過程中教員實現(xiàn)課程控制、訓(xùn)練監(jiān)控、模擬功能選擇的重要裝置，教員在訓(xùn)練過程中可以通過教員臺設(shè)定機(jī)場選擇、天氣預(yù)設(shè)、燃油重量等課程參數(shù)，也可以通過教員臺對飛行員飛行參數(shù)、飛行軌跡等訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，在訓(xùn)練過程中，教員還可以通過教員臺進(jìn)行故障設(shè)置，模擬各種飛行時的緊急狀況，進(jìn)行特定的特殊科目訓(xùn)練，以滿足訓(xùn)練要求。

8 接口系統(tǒng)

接口系統(tǒng)就像連接模擬機(jī)“大腦”和“四肢”之間的神經(jīng)系統(tǒng)，允許計算機(jī)系統(tǒng)的模擬軟件來控制和監(jiān)控駕駛艙各開關(guān)、面板等硬件。接口系統(tǒng)的核心是一系列板卡，以CAE 公司R4 系列模擬機(jī)為例，其接口系統(tǒng)主要通過一種通用接口模塊板卡（圖4）來處理和駕駛艙設(shè)備交換的數(shù)據(jù)，模擬機(jī)接口系統(tǒng)通過實時網(wǎng)絡(luò)將模擬機(jī)駕駛艙硬件狀態(tài)反饋至計算機(jī)系統(tǒng)，計算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過信號處理、計算后，再通過網(wǎng)絡(luò)和板卡將計算機(jī)產(chǎn)生的模擬信號反饋傳輸至駕駛艙硬件。由于采用的是實時網(wǎng)絡(luò)傳輸，機(jī)組操作后駕駛艙硬件接收到信號即完成對應(yīng)的狀態(tài)指示，通過此操作、反饋機(jī)制，完成駕駛艙硬件的實時模擬過程。接口系統(tǒng)除了完成駕駛艙硬件的信號傳輸工作外，模擬機(jī)聲音、通信系統(tǒng)、控制載荷系統(tǒng)也有對應(yīng)的接口系統(tǒng)來完成與計算機(jī)的信號傳輸工作。

圖4 通用接口模塊板卡

9 結(jié)語

飛行模擬機(jī)是飛行訓(xùn)練的重要設(shè)備，通過飛行模擬機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行反饋聯(lián)動，從各方面對飛行訓(xùn)練進(jìn)行模擬，為飛行員訓(xùn)練提供堅實的保證，隨著科技的發(fā)展，其功能也將日趨完善，為民航安全保駕護(hù)航。