飞行模拟器简介、发展及历史

第三维度（转）

    飞行模拟器或飞行模拟机是一种尽可能真实地复制或模拟飞机驾驶经验的系统。飞行模拟器包含了从电子游戏，到由液压或电动机驱动，并由最先进的电脑技术所控制的同比例模拟驾驶舱。    飞行模拟器已广泛地运用于由航空工业设计和研发，以及为民用和军用飞机做飞行员与机组成员培训。    工程飞行模拟器也于用航空器制造商用于以下任务：    1、研制和试验飞行器的硬件。使用模拟与刺激技术，后者是对真正的硬件输人工生成或真实的信号（刺激）以使其动作。根据所要测试的设备，这些信号可能是电流、射频、声纳等等。     2、研制和试验飞行器的软件。就开发关键性的飞行软件而言，在模拟器中或使用模拟技术比起在实际飞行中的飞机做测试要来得安全。     3、研制和试验飞行器的系统。在飞机与其系统的开发阶段，会用有时被称为“铁鸟”的同比例工程设备来针对电气，液压和飞行控制系统做模拟。

典型的飞行模拟器驾驶舱内部

发展历史    对无经验者来说，动力飞行是相当危险的尝试，因此自很久以前就不断地有各种方法让新飞行员在非真实飞行的情况下学习控制飞机。例如，“桑德斯老师”是一架娤在万向接头的完整飞机，可以迎风并自由地旋转及倾斜。在大约1910年时的某种飞行模拟器是将一个木桶剖开，装在一个铁环上。

使用木桶、铁环与木头支架做成的飞行模拟器

    在第一次世界大战期间及以后，有人开始尝试使用机电设备来制作模拟器。最有名的莫过于1929年美国艾德温·林克所发明的林克训练机。这部机器具备了一个气动平台，可以提供俯仰、滚转与偏航等飞行动作，然后上面架有一座普通驾驶舱的复制品。它的设计是提供比飞机的危险性较低且成本较便宜的仪表飞行教学环境。本来此设备一直不受专业飞行界的关注，但是经过一连串的仪表飞行意外后，美国陆军航空队于1934年买了四套林克训练机，于是飞行模拟产业从此诞生。在1939年至1945年的战争时期中，大约有一万套林克训练机被用来培训同盟国的新飞行员。在1960年代及1970年代初期，仍有些国家的空军在使用这套设备。

林克训练机

    1941年出现的天文导航教练机是一个有13.7米高的庞大设备，足以容纳一整组的轰炸机成员学习如何执行夜间飞行任务。在1940年代，开始使用类比电脑来计算飞行公式，于是产生了第一套电子模拟器。    在1948年，柯蒂斯-莱特公司交了一套为波音377所设计的模拟器给泛美航空， 这是第一套由民间航空公司所拥有的模拟器。虽然没有动作拟真或者是显示画面，但是整个驾驶舱的设备与仪器是可用的，而且用过的机组成员觉得它十分有效。到了1950年代末，完整的动作拟真系统才开始成形。    以照相机为辅助视觉系统的模拟器早期的视觉系统是采用了实际地形的小比例模型，然后照相机根据飞行员控制的动作来“飞”过地形模型，并将照片展示在屏幕上给飞行员看。理所当然地，这种方式能模拟的地区是有限的，通常只是机场附近的区域。若是在军事用途，通常就是一些典型的地形以及目标区域的地形。利用数位电脑来模拟飞行则到1960年代才开始。

TL39飞行模拟器。照片下方即为训练官工作站

    在1954年，美国通用精密公司（后来被胜家公司所收购），研发了一套动作模拟器，其配备了用金属架框住的驾驶舱。它可以做3度的俯仰、滚转与偏航，但是于1964年改善的小巧版本已经可以做到10度。1969年开发出的民航模拟器的液压驱动器已经可以控制各个轴线的运动，也就是说具备了6个自由度（俯仰、滚转与偏转）。从1977年开始，民航模拟器开始采用现代的“驾驶室”配置，并且电脑是放置在驾驶舱里面（而非模拟器外的机架上），然后当设备不动作时可以透过一个可收起的走道进入模拟器。    大约在这个时候，在视觉方面的技术也得到了很大的进展。1972年胜家发展了一套直透镜仪器，其配有曲面镜与分光镜，可将驾驶舱窗外的景色投射在一定距离的焦点上。这些直透镜显示器大大地改善了飞行模拟的真实性。但是，每个显示器只提供28度的视角，所以同时需要很多台才能展示出真实的视野。1976年开始采用广角直透镜（Wide Angle Collimated, WAC）显示器[1]。最后，在1982年，英国丽的呼声公司发表了广角无限显示设备（Wide-angle Infinity Display Equipment, WIDE），它采用了在横向大幅度扩大的曲面镜，可以让一群飞行员透过一个一体的显示屏幕看到模拟影像。广角直透镜显示器目前普遍用在需要两名飞行员并坐的高阶飞行模拟器。

飞行模拟机和飞航训练器

    用于训练飞行员的飞行模拟机和飞行训练设备有许多种类，从可模拟各种飞机通用系统的部分功能训练器（Part-Task Trainer, PTT），练习操作与仪表检查的驾驶舱程序训练器（Cockpit Procedures Trainer, CPT），到最复杂的全功能飞行模拟机（Full Flight Simulator, FFS）。较高等级的全功能飞行模拟机可以做出有6个自由度的全方位移动，同时也有广角高传真的视觉系统来模拟窗外的景色。包含了拟真的驾驶舱与视觉系统的模拟器座舱是装在由6支起重轴支撑的运动平台上，借由电脑的控制可以提供三个轴线的线性运动与旋转，就如同一个真实的自由物体在空间的运动状况。三种旋转分别是俯仰（机鼻朝上或下）、滚转（某一面机翼朝上或下）与偏转（机鼻朝左或右）；而三种线性运动分别是起伏（上下移动）、横移（左右移动）以及纵移（向前加速或减速）。    飞行模拟器也用于训练机组成员的正常和紧急作业程序。所以使用模拟器可训练飞行员处理各种飞机在有问题或不安全的情况下，诸如发动机故障、液压或电气系统失灵、仪表失常等等。    各国的国家民航局，如美国美国联邦航空局（Federal Aviation Administration, FAA）与欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency, EASA）负责检定与测试各种类型的模拟器。美国商用机飞行员只有在联邦航空管理局审核通过的模拟器上的训练时数受到认可，同样地欧洲飞行员的只有在欧洲航空安全组织审核通过的模拟器上的时数会受到认可。若模拟器要得到认证，必需能够证明它能够符合监管机构对该被模拟飞机所设计的飞行模拟设备或全功能飞行模拟机的要求项目。测试项目与标准详列在核准测试指引（Approval Test Guide, ATG）或是认证测试指引（Qualification Test Guide, QTG）之中。模拟器被分为1到7级的飞航训练器（Flight Training Device, FTD）或是A到D级的全功能飞行模拟机（Full Flight Simulator, FFS）。最高等级、功能最强的是D等级全功能飞行模拟机。当资深飞行员要从一种机型换到另一种类似的机型时，这种模拟器可用来做所谓的零飞行时数转换。有了零飞行时数转换，飞行员即可在训练官在旁监督的情况下初次驾驶该机型做商业飞行，而不需要累积既定的飞行时数。    系统训练器是用来训练飞行员如何操作各种飞机系统。一旦飞行员熟悉了该系统，他们将转换到驾驶舱程序训练器。这些都是固定且不会移动的设备，且安装有精确的驾驶舱仪表、开关和其它控制装置的复制品，被用于训练飞行人员做操作与检查，是较低等级的飞航训练装置。较高等级的是迷你模拟设备，有些可能配备有视觉系统。总之，飞航训练器没有运动平台，也不具备全功能飞行模拟机的拟真度。    一套全功能飞行模拟机完整复制了飞机的各个方面以及它的环境，包括了6个自由度的运动。在模拟机里的人员必需像在真实飞机里一样系上座位的安全带。因为任何模拟器起重轴的运动距离有限，所以用动作系统模拟了一开始加速度时的靠背感，因此可以解决范围有限的问题。    民航用的全功能飞行模拟机制造商有美国的飞安国际与洛克威尔·柯林斯，加拿大的CAE与MSI，以及法国的泰勒斯。目前全世界在运作中的飞行模拟器大约有1200套，其中美国约有550套，英国有75套，中国有60套，德国与日本各有50套，法国有40套。
 
    LAMARS除了一般的飞行训练用途之外，飞行模拟器还广泛地使用于研究各种航天课题，特别是在飞航动力学和人机交互系统。这些设备从简单得像电子游戏机，到非常特殊且昂贵的机种。例如安装在美国俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的LAMARS，是由诺思罗普公司为空军研究实验室所研制的，其特点是配备了大幅度的5个自由度运动系统以及一个360度的圆顶式视觉系统。

LAMARS

 
    TL39飞行模拟器。照片下方即为训练官工作站。大多数的模拟器都有训练官工作站。在工作站上，训练官可以很快地产生各种正常与飞正常的情况来模拟飞机的内在或外在的环境，例如发动机失火、起落架故障、电路故障、暴风雨、下爆气流、闪电、迎面而来的飞机、跑道湿滑、导航系统失灵以及无数其它问题，而飞行员必需熟悉这些状况并且采取行动。许多模拟器可让训练官在驾驶舱来控制模拟机，可能是从在飞行员座位后面的控制台，或者是在正驾驶旁的副驾驶的位子。

TL39飞行模拟器。照片下方即为训练官工作站。

    在过去全功能飞行模拟机都是几百万美元的液压设备，只有大型的训练中心在使用。但是现在规模较小的训练中心，包括单引擎飞机，已经可以使用较经济的电力驱动全功能飞行模拟机。    不论是单一飞行员或是机组人员的训练，飞行模拟都是一个基本的项目。这不但节省时间与金钱，也可以减少人员的损失。就算是昂贵的D级飞行模拟机的运作成本也比在真实的飞机上训练还得低很多。

新一代飞行模拟器

    高端的商用和军用飞行模拟器的动作基座实现了最真实的模拟。这些模拟器大部分都是依靠史都华平台来产生动作。借由液压缸，这些系统提供可为各种飞行训练所需的情景提供真实的动作。但是，史都华平台有一个小缺点，就是只能做有限度的俯仰、滚转以及偏转的动作。使用史都华平台的动作基座通常最多只能做出正负35度的俯仰或滚转。一些公司正从事研发更先进的动作平台以期能提供更大幅度的动作。

六自由度平台图解

    奥地利的AMST系统科技与荷兰的TNO人因工程两家公司正在合作建造狄蒙娜飞行模拟系统。这套大型的模拟器透过万向接头可提供驾驶舱无限制的旋转，该万向接头是由提供垂直运动的框架所支撑，而框架又是装在一个可调整半径的大型旋转平台上。狄蒙娜（Desdemona）模拟器[2]的设计是以无限制的自由旋转来提供持续的重力加速度模拟。    美国宇航局艾姆斯研究中心设有垂直运动模拟器[3]。这是一个先进的高度拟真运动平台，有惊人的60英尺垂直高度。可换座舱的设计允许快速更换不同的模拟机，从小飞船到航天飞机都可模拟。    模拟动力学公司（Simulation Kinetics, Inc.）正在开发一个可旋转的球形囊的模拟器。这设计的基本概念始于二次大战期间，而后有在太空竞赛期间所建造与运作的旋转飞行模拟器，直径有3米（10英呎），重达2903公斤（6400磅），目前为在布鲁克斯空军基地的美国空军航太医学博物馆所收藏。而动力学模拟公司则正在研发一种名为Xenosphere[4]的新球形囊模拟器，直径小于2.4米（8英呎）且使用轻质的复合材料。这一新的模拟器的设计是为了产生具高敏捷度与无限制的旋转运动。家用的飞行模拟器    简单的飞行模拟软件在早期的个人电脑上就存在了。布鲁斯·阿尔推克在八位元电脑上所开发出的飞行模拟程式是最为玩家所津津乐道的。    战斗机模拟程式也很流行，玩家扮演飞行员与机组人员来进行模拟空战。因为具备较多种的题材以及市场的需求，战斗机模拟软件的数量远多于民航模拟软件。    在2000年代初期，家庭娱乐用的飞行模拟软件已经十分逼真，以致于在911事件后，一些记者和专家推测，劫机者可能从一些软件如《微软模拟飞行》中获得足够的知识来操作一架客机。不过微软虽然驳斥了这种批评，但是也同时延缓了2002版的发行，而且还将世界贸易中心从软件的纽约风景中删除，甚至还提供了补丁也将较早版本中的双塔建筑给删除。    由于家庭娱乐用的飞行模拟软件的出现，使得许多使用者因此成为“飞机设计师”。所以，他们可能会创造出军用机或民航机，也会使用现实生活中的航空公司名称，只是他们无法从中赚钱。而也有许多玩家以自己喜欢的航空公司来创造个人的虚拟航空公司，诸如虚拟达美航空、虚拟墨西哥航空、虚拟UPS货运航空等。这些在模拟程式里的修改（一般称为模块）可以因为新的内容而带来更多的乐趣。在某些情况下，模拟程式有时比它当初的设计带来更多的功能，有时还超出游戏设计者的想像。《捍卫雄鹰4.0》就是一个很好的例子，不但可以加入更多的游戏地图，同时还可以经过安装修改过的模组来驾驶各种不同飞机。

空战模拟游戏《锁定》的米格-29驾驶舱画面

    除了在游戏中单独飞行之外，另外还有“模拟航管组织”。这是玩家们在同一时间里有人驾驶模拟机，而另外有人操作空中交通管制模拟软件，来进行一场模拟真实的空中交通管制的游戏。    在各种电视游乐器上的飞行模拟游戏虽然比较少见，但是仍然值得关注。其中最主要的是《飞行俱乐部》这套在超级任天堂上的游戏，以及为任天堂64所写的续集《飞行俱乐部64》与PlayStation的空战系列。由于先天设计上的限制使得电视游乐器不容易妥善模拟出逼真的环境，因此电视游乐器上的飞行模拟游戏通常是将画面与操作简化而使得看起来比较像是动作型游戏。虽然比起个人电脑型的飞行模拟游戏来说，电视游乐器的版本一般比较不复杂，而且很多人也不认为那是“模拟”游戏，但是仍然带给玩家许多乐趣。

参考文献

Rolfe, J. M.，Staples, K. J.（1988年）．Flight Simulation．Cambridge University Press．ISBN 978-0521357517． 
Allen, L. D. (9-11 Aug. 1993). "Evolution of flight simulation" in AIAA Flight Simulation Technologies Conference. {{{booktitle}}}: 1-11. 
DeMaria, Rusel，Wilson, Johnny L.（2003年）．The Illustrated History of Electronic Games．McGraw-Hill Osborne Media．ISBN 978-0072231724．