基本介紹
- 中文名：飛行訓練模擬器
- 外文名：flight training simulator
- 所屬領域：航空航天
- 組成：計算機系統、活動座艙等
- 用途：訓練飛行員
- 分類：單項任務、全任務等
用途,組成,計算機系統,視景系統,運動系統,分類,技術指標,
用途
飛行訓練模擬器用於練習在各種條件下飛行操作技能的一種訓練設備。可以模擬飛機的靜態特性和動態特性，目視情況以及音響、過載、振動等各種物理因素。用於訓練飛行員和空勤組其他有關成員，模擬飛機的戰鬥使用方法和技術。飛行訓練模擬器的運用，能縮短掌握新技術裝備的時間，提高裝備的使用效率和減少訓練費用。
飛行訓練模擬器的主要功能是在地面復現空間中的飛行條件和飛行器的運動狀態，為航天員提供運動感覺、視覺、聽覺、操縱負荷等各種感覺，好象在空間駕駛飛行器一樣。
飛行訓練模擬器是專門用來訓練航天員的旬邀。它不受氣象條件、場地和時間的限制，具有能源省、成本低的特點。如航天員在飛行模擬器上練一小時的費用僅是空中飛行費用的1/10左右，還安全可靠。幾十年來飛行訓練模擬器發展十分迅速，做得越來越逼真，訓練效果越來越好，訓練周期可以縮短，訓練效率高。所以訓練模擬器是十分有用的設備。
組成
飛行訓練模擬器一般由計算機系統、活動座艙、視景系統、儀表系統、操縱負荷和音響系統等組成。計算機除了解算飛行模擬器的運動方程和火箭動態方程外，還要解算大量的機載系統數學模型以及仿真設備的數學模型。通過界面設備在計算機和仿真設備之間交換處理大量信息。
計算機系統
計算機系統是訓練模擬器的主要組成部分。它實現整個訓練模擬器的全部實時仿真計算、數據採集及離線數據處理等重要任務。以前在訓練模擬中，一般採用模擬計算機，這是由於當時的數字計算機技術水平發展還不夠。由於訓練模擬器要長時間運行，模擬計算機中的運算放大器總有一些零點漂移，所以仿真的精度往往受到影響。近年來由於數字計算機和計算技術發展屑多虹很快，訓練模擬器大部分採用數字計算機。但是，由於模擬計算機是並行運算和實時運算，又可以改變時間比例尺，反應比實時更快地運算．或更慢地運算的特點，因而有的訓練模擬器採用模擬機和數字機混合計算機為主體的系統。然而今後發展趨勢是全數字機系統，可根據需要採用多台數字計算機系統。這是因為訓練模擬器屬於複雜的大系統，並要求實時地反映受控對象的運動狀態，以及受控對象運動速度較快，運動方程階次比較高等。這就造成計算機負擔很重，因此常常要求一台功能較全的計算機來擔負仿真任務是很難的。另外訓練模擬器雖然屬於複雜大系統，但根據大系統分解與協調的原則，可將大系統分解為各個獨立的子系統以及分解出各個子系統的局部輸入信號。在局部輸入信號作用下，可使相應的子系統最佳化。而各子系統最佳化的兼容性也就說明整個大系統是穩定的。由此可見訓練模擬器用一台功能較全的計算機並不經濟’另外還由於大系統可分解為各個獨立子系肯雄去統，因而在理論上和經濟意義上採用集中式控制計算機是合適的。換句話說，採用微處理機是可行的。比如讓一台計算機管理運動系統，另一台計算機管理視景系統。這種多機系統不僅可以使訓練模擬器功能大大增加，而且可以提高模擬器的精度和可靠性。為此，採用多型號、多微機的分散式系統是合適的。若採用星形結構的方式，即設定一台主機、若干台衛星機，主機可以與所有衛星機進行通訊，衛星機之間不直接通訊，它們之間的通訊也要通過主機進行。為了減少衛星機之間的通訊負擔，將起主導作用的飛行運動方程的軟體，置於主機上運行，這樣可使衛星機之間的通訊負擔減輕到最小。例如：主機可採用高腿炒兵水平的超級小型機或超級微型機，衛星機採用32位的微機(如MC-68020、INTEL-80386)或單片信號處理機(如TMS-32020、IMBT-224)。
視景系統
為了讓歸謎章和被訓練人員有真實感，需要將運動載體的周圍環境複製出來。必須棵局甩要有一套視景系統。訓練模擬器系統中所用的視景系統種類很多。如：點光源投影系統；一般光學探頭投影電視系統，光學探頭油膜光伐投影電視系統等。近年來興起的計算機存貯和成像投影系府拒凶符統，用計算機成像的方式，取代光學探頭、攝像機、地景模擬等設備，有其特別方便之處。
運動系統
近代的訓練模擬器大都有運動系統，它是向被訓練人員提供加速度感覺，以提高模擬器的逼真程度。航天員除了靠儀表指示外界景象的相對位置和相對運動操縱飛行器外，還要靠對飛行器的運動狀態，特別是對加速度的感覺來正確操縱飛行器。運動系統是由計算機控制的一種專門機構，現代多液壓伺服系統組成，最佳的運動系統具有六個自由度。
分類
載人航天飛行訓練模擬器按其任務和動力狀況可以劃分為若干種類。
1、單項任務訓練模擬器和全任務訓練模擬器
1)單項任務飛行模擬訓練器
單項任務飛行模擬訓練器是針對某一飛行階段或某一操作任務的訓練而研製的模擬器。如姿態控制訓練模擬器、儀表操作訓練模擬器、交會對接訓練模擬器和登月飛行訓練模擬器等。單項任務訓練模擬器的優勢在於它可以方便地對飛行訓練中的關鍵操作進行有選擇的反覆訓練，突出了重點訓練的原則，並減少了對大型綜合訓練模擬器的占用時間。
2)全任務飛行訓練模擬器
全任務飛行訓練模擬器則是以整個飛行過程和全部飛行任務為任務目標的訓練模擬器。鑒於不同型號的載人太空飛行器有著不同的飛行器結構和不同的飛行任務和程式，必然有著各自不同的全任務飛行模擬訓練器。如俄羅斯的“聯盟”號飛船和“禮炮”號空間站、美國的“阿波羅”飛船和太空梭等載人太空飛行器都分別有各自的飛行謝練模擬器。全任務飛行訓練模擬器的優勢在於它可以對航天員進行飛行任務和飛行程式的全面系統的綜合性訓練。因此，全任務訓練模擬器對於載人航天工程的航天員訓練是必不可少的。
2、活動基訓練模擬器和固定基訓練模擬器
載人航天飛行訓練模擬器還可以按照動力系統的有無分為活動基訓練模擬器和固定基訓練模擬器。
1)活動基飛行訓練模擬器
活動基飛行訓練模擬器具備模擬飛行器真實動力狀態的功能。模擬器的座艙或座椅安裝在運動平台上。在飛行訓練過程中，根據太空飛行器的飛行動力學狀態，座艙或座椅在運動平台的驅動下，作6自由度的運動或抖振。受訓者從中直接感受真實的動感。
2)固定基飛行訓練模擬器
固定基飛行訓練模擬器不具備模擬飛行器真實動力狀態的功能。模擬器座艙固定於地面，在模擬飛行過程中不發生運動。受訓者不能直接感受真實的動感，而只能通過視景和儀表的變化間接感受載人太空飛行器的運動。
顯然活動基飛行訓練模擬器對飛行狀態和動力環境的模擬更為逼真，但需要建造運動平台，使整個模擬器結構更為複雜，造價更加昂貴。因此，在實際套用中，結構簡單、造價較低的固定基飛行訓練模擬器有更大的吸引力。
技術指標
飛行訓練模擬器的主要技術指標和技術要求如下：
1)模擬座艙
模擬座艙的內部布局、形狀、尺寸及外觀和視覺界面特性等與真實載人飛船的返回艙和軌道艙相同。
2)計算機與網路
飛行訓練模擬器的計算機系統採用主控計算機、視景計算機與多台微機共同聯網方式構成異構多機分布系統。
3)視景與音響
採用計算機圖像生成的視景系統，實時仿真控制的最大幀速率為25Hz(即幀周期40ms)；採用數字式音響系統模擬環境噪聲與操作音響。
4)系統軟體
飛行訓練模擬器的所有軟體設計與開發均按載人飛船工程軟體工程化的要求進行管理。
5)系統延時
飛行訓練模擬器的系統延時(指反應輸入至系統回響輸出顯示整個過程)≯150ms。
6)系統可靠性和可維修性
視景系統
為了讓被訓練人員有真實感，需要將運動載體的周圍環境複製出來。必須要有一套視景系統。訓練模擬器系統中所用的視景系統種類很多。如：點光源投影系統；一般光學探頭投影電視系統，光學探頭油膜光伐投影電視系統等。近年來興起的計算機存貯和成像投影系統，用計算機成像的方式，取代光學探頭、攝像機、地景模擬等設備，有其特別方便之處。
運動系統
近代的訓練模擬器大都有運動系統，它是向被訓練人員提供加速度感覺，以提高模擬器的逼真程度。航天員除了靠儀表指示外界景象的相對位置和相對運動操縱飛行器外，還要靠對飛行器的運動狀態，特別是對加速度的感覺來正確操縱飛行器。運動系統是由計算機控制的一種專門機構，現代多液壓伺服系統組成，最佳的運動系統具有六個自由度。
分類
載人航天飛行訓練模擬器按其任務和動力狀況可以劃分為若干種類。
1、單項任務訓練模擬器和全任務訓練模擬器
1)單項任務飛行模擬訓練器
單項任務飛行模擬訓練器是針對某一飛行階段或某一操作任務的訓練而研製的模擬器。如姿態控制訓練模擬器、儀表操作訓練模擬器、交會對接訓練模擬器和登月飛行訓練模擬器等。單項任務訓練模擬器的優勢在於它可以方便地對飛行訓練中的關鍵操作進行有選擇的反覆訓練，突出了重點訓練的原則，並減少了對大型綜合訓練模擬器的占用時間。
2)全任務飛行訓練模擬器
全任務飛行訓練模擬器則是以整個飛行過程和全部飛行任務為任務目標的訓練模擬器。鑒於不同型號的載人太空飛行器有著不同的飛行器結構和不同的飛行任務和程式，必然有著各自不同的全任務飛行模擬訓練器。如俄羅斯的“聯盟”號飛船和“禮炮”號空間站、美國的“阿波羅”飛船和太空梭等載人太空飛行器都分別有各自的飛行謝練模擬器。全任務飛行訓練模擬器的優勢在於它可以對航天員進行飛行任務和飛行程式的全面系統的綜合性訓練。因此，全任務訓練模擬器對於載人航天工程的航天員訓練是必不可少的。
2、活動基訓練模擬器和固定基訓練模擬器
載人航天飛行訓練模擬器還可以按照動力系統的有無分為活動基訓練模擬器和固定基訓練模擬器。
1)活動基飛行訓練模擬器
活動基飛行訓練模擬器具備模擬飛行器真實動力狀態的功能。模擬器的座艙或座椅安裝在運動平台上。在飛行訓練過程中，根據太空飛行器的飛行動力學狀態，座艙或座椅在運動平台的驅動下，作6自由度的運動或抖振。受訓者從中直接感受真實的動感。
2)固定基飛行訓練模擬器
固定基飛行訓練模擬器不具備模擬飛行器真實動力狀態的功能。模擬器座艙固定於地面，在模擬飛行過程中不發生運動。受訓者不能直接感受真實的動感，而只能通過視景和儀表的變化間接感受載人太空飛行器的運動。
顯然活動基飛行訓練模擬器對飛行狀態和動力環境的模擬更為逼真，但需要建造運動平台，使整個模擬器結構更為複雜，造價更加昂貴。因此，在實際套用中，結構簡單、造價較低的固定基飛行訓練模擬器有更大的吸引力。
技術指標
飛行訓練模擬器的主要技術指標和技術要求如下：
1)模擬座艙
模擬座艙的內部布局、形狀、尺寸及外觀和視覺界面特性等與真實載人飛船的返回艙和軌道艙相同。
2)計算機與網路
飛行訓練模擬器的計算機系統採用主控計算機、視景計算機與多台微機共同聯網方式構成異構多機分布系統。
3)視景與音響
採用計算機圖像生成的視景系統，實時仿真控制的最大幀速率為25Hz(即幀周期40ms)；採用數字式音響系統模擬環境噪聲與操作音響。
4)系統軟體
飛行訓練模擬器的所有軟體設計與開發均按載人飛船工程軟體工程化的要求進行管理。
5)系統延時
飛行訓練模擬器的系統延時(指反應輸入至系統回響輸出顯示整個過程)≯150ms。
6)系統可靠性和可維修性
