科技前沿丨飛行模擬技術(shù)的前世今生

飛行模擬技術(shù)的前世今生

■張  天

近日，一張由韓國科學(xué)技術(shù)高級研究所研發(fā)的人形機器人操作飛行模擬器的照片引起外界關(guān)注。照片中，該人形機器人坐在飛行模擬器的駕駛座椅上，面對著幾面按照真機座艙顯示系統(tǒng)位置設(shè)置的顯示屏，操作著控制臺上的按鈕。

不管事實是否真如外媒所說——該機器人可像人類飛行員一樣自主駕駛飛機，有一點可以確認(rèn)，那就是飛行模擬器自此又“解鎖”一種新功能：人形機器人可對其進行“上機操作”。

和之前媒體上披露的美國、俄羅斯等國所使用的飛行模擬器相比，照片中的飛行模擬器比較簡陋，看上去有些“骨感”。但憑借外觀來評價一臺飛行模擬器顯然有點武斷，畢竟，除了硬件設(shè)施之外，飛行模擬器“能力”的大小更取決于它的軟件，取決于它是否應(yīng)用了更好的飛行模擬技術(shù)。

那么，什么是飛行模擬技術(shù)？它對飛行模擬器會產(chǎn)生什么樣的影響？它有著什么樣的發(fā)展歷程？當(dāng)今應(yīng)用現(xiàn)狀如何？今后會朝哪些方面發(fā)展？請看本期解讀——

  圖為人形機器人正在操作飛行模擬器。資料圖片

“教培”飛行員，是飛行模擬器的“看家本領(lǐng)”

2020年5月，有外媒報道，加拿大CAE公司與法國空軍達成協(xié)議，向后者提供第三臺PC-21飛機全任務(wù)地面站飛行模擬器。

報道中特意提到，新的PC-21飛行模擬器使用了皮拉圖斯公司提供的駕駛艙。該駕駛艙集成了一系列CAE公司的仿真和綜合環(huán)境構(gòu)設(shè)技術(shù)，比如先進圖像生成器、開放地理空間信息聯(lián)盟公用數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，以及計算機兵力生成軟件。

之所以強調(diào)這些內(nèi)容，是因為對飛行模擬器來說，這些技術(shù)就是其發(fā)揮作用的強力支撐。換句話說，是這些仿真或者飛行模擬技術(shù)，使PC-21飛行模擬器能更逼真地營造接近現(xiàn)實的飛行訓(xùn)練環(huán)境，發(fā)揮其“教育培養(yǎng)”飛行員的作用。

“教培”飛行員，是飛行模擬器的“看家本領(lǐng)”。最初的飛行模擬器就是從助力“教培”起步的。但隨著時間推移，“教培”飛行員已不再是其全部功用。當(dāng)前，不少國家的飛行模擬器還可用于研發(fā)、測試、評估新機型，或者用于組織對抗演練、對戰(zhàn)爭進行“預(yù)演”，等等。

從最初用于練習(xí)基本飛行操作，到如今用于練習(xí)協(xié)同作戰(zhàn)，這種跨越的背后，是不斷發(fā)展的飛行模擬技術(shù)在強力牽引。

需要說明的是，廣義上的飛行模擬技術(shù)，不是指哪項單一的技術(shù)，而是與模擬飛行相關(guān)的所有技術(shù)的“合體”，其中計算機仿真技術(shù)尤為關(guān)鍵，推動飛行模擬器功能實現(xiàn)“質(zhì)的躍升”。

20世紀(jì)初至30年代，人們對飛機的開發(fā)利用剛剛開始，飛機的結(jié)構(gòu)也相對簡單。因此，這一時期的飛行模擬器是較簡易的機械式模擬器，有一定代表性的是安托瓦內(nèi)特模擬器。而在其后較為著名的林克航空訓(xùn)練器，則基于儀表技術(shù)、控制技術(shù)等的發(fā)展，本質(zhì)上仍是機械式模擬器。

1946年，世界上第一臺計算機誕生。20世紀(jì)40年代末期，首臺模擬式電子計算機就被用于三自由度飛行模擬系統(tǒng)的仿真。

之后的二三十年間，隨著集成運算的電子計算機日漸成熟，飛行模擬器開始了從機械式向電子化的蛻變轉(zhuǎn)型。在此期間，飛行模擬器視覺系統(tǒng)也在快速發(fā)展。一些飛行模擬器具備了實時解算飛行參數(shù)和航跡信息的能力，擁有了六自由度運動平臺，即可以進行俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、起伏、橫移、縱移。

20世紀(jì)70年代，高性能數(shù)字計算機技術(shù)的加持，使仿真能力更高的一批新模擬器進入各航空大國的訓(xùn)練體制，模擬訓(xùn)練成為先進國家空軍訓(xùn)練的一部分，并逐步系統(tǒng)化。這些國家的主要作戰(zhàn)飛機和民用客機均配備了相應(yīng)的模擬器，不僅能進行飛行模擬，還可進行工程模擬。

20世紀(jì)80年代末至90年代初，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）誕生，一些國家開始研制基于VR技術(shù)的飛行模擬器。英國航空航天局在1991年巴黎航展上展出了研制的“虛擬環(huán)境構(gòu)形訓(xùn)練輔助”系統(tǒng)——虛擬駕駛艙系統(tǒng)。這方面的研制，為后來的多武器系統(tǒng)體系對抗仿真奠定了基礎(chǔ)。一些西方國家在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了戰(zhàn)役訓(xùn)練模擬裝備,并逐漸用計算機模擬系統(tǒng)演習(xí)來取代部分實兵演習(xí)。

20世紀(jì)90年代至今，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，飛行模擬器的發(fā)展進入新階段，其異地高速交互、全任務(wù)類型模擬、高逼真度、強沉浸感等特點，使飛行模擬訓(xùn)練變得更加便捷而高效。

蘇-35戰(zhàn)斗機飛行模擬器。

從“飛行員搖籃”拓展到“虛擬空戰(zhàn)場”

實際上，在航空航天領(lǐng)域，飛行模擬技術(shù)后來更多指狹義上的計算機仿真技術(shù)。

這種仿真，在很大程度上基于設(shè)計人員通過計算機“搭建”的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型能用科學(xué)的方法來反映實物的基本特征，并代表實物參與到以計算機運行和控制為特征的相關(guān)實驗、分析和研究中。

以當(dāng)前一些先進飛行模擬器的視景系統(tǒng)為例，計算機仿真技術(shù)的運用，能讓使用者看到相應(yīng)的一系列逼真的虛擬場景，如同正在放眼真機艙外。這其中，既包括機場跑道、燈光、建筑物、地形地貌，也包括云、雨、雪等氣象條件，還包括白天、黃昏、夜間景象等，從而使飛行員產(chǎn)生身臨其境的感覺。

在研制新型飛行器過程中，計算機仿真技術(shù)則能將新型飛行器由“無形”化為“有形”，即通過將新型飛行器的性能和機載設(shè)備狀態(tài)參數(shù)輸入飛行模擬器的控制計算機，就能對飛行器的運動進行實時仿真計算，模擬新型飛行器的動態(tài)飛行性能、空中飛行的視聽覺和座艙環(huán)境，以及滑行、顛簸、空中氣流擾動等真實動感，“預(yù)覽”其性能、系統(tǒng)工作狀態(tài)、設(shè)計缺陷，為改進提供依據(jù)。

由此可見，搭建數(shù)學(xué)模型是計算機仿真的靈魂。而要搭建數(shù)學(xué)模型，則離不開包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、軟件工程、信號處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、分布式交互仿真技術(shù)等在內(nèi)的諸多技術(shù)的支撐。

從“飛行員搖籃”到“虛擬空戰(zhàn)場”，從當(dāng)前飛行模擬器的發(fā)展來看，飛行模擬技術(shù)已邁入以計算機仿真技術(shù)為核心的更高層級的實用化新階段：

一是能支撐和“營造”更接近于實戰(zhàn)的虛擬飛行訓(xùn)練環(huán)境。尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用，能讓使用者面對復(fù)雜而“真實”的場景，提高人機交互效果，對各種情況快速、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。該技術(shù)的運用，也使工程師可在虛擬環(huán)境中設(shè)計座艙布局、人機界面和儀表板等，進一步簡化實物設(shè)置，更方便地實現(xiàn)對不同飛行環(huán)境和飛機的模擬，測試和優(yōu)化相關(guān)布局。

二是能提供模擬器聯(lián)網(wǎng)及開展協(xié)同訓(xùn)練演練的條件。當(dāng)前，分布式模擬交互技術(shù)已成為飛行模擬器發(fā)展的主流技術(shù)。該技術(shù)可推動單武器平臺的模擬向多武器平臺模擬和多兵種武器體系模擬轉(zhuǎn)變。幾年前，有媒體記者受邀參觀俄羅斯的蘇-35多用途戰(zhàn)機飛行模擬器，發(fā)布的相關(guān)信息中，有一條引發(fā)特別關(guān)注，現(xiàn)場的16個模擬器可通過網(wǎng)絡(luò)連接，用于進行編隊和對抗訓(xùn)練。有的國家還可借助相關(guān)技術(shù)，將分散在各地的多個部隊的模擬器聯(lián)為一體，進行綜合、協(xié)同訓(xùn)練。

三是能實現(xiàn)飛行模擬器的提前部署和預(yù)訓(xùn)練。與以前飛行模擬器在飛行器列裝后才配發(fā)不同，如今的飛行模擬器，各生產(chǎn)商都在爭取提前將其研制成功，盡快裝備部隊。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，將高級模擬器與普通模擬/練習(xí)器提前進行高低搭配，預(yù)先開展模擬訓(xùn)練，已成為各國的通用做法。

總的來說，如今的飛行模擬技術(shù)在飛行訓(xùn)練中“貢獻率”越來越高。有些先進運輸機、轟炸機的飛行模擬器，甚至可以實現(xiàn)所謂“零過渡”,即一旦模擬訓(xùn)練合格，飛行員就可直接上真機進行實際飛行訓(xùn)練。這在一定程度上為各國空軍普遍加大飛行模擬訓(xùn)練提供了注腳。

F-35戰(zhàn)斗機飛行模擬訓(xùn)練中心。

“好用”才見真功夫，“管用”才是硬道理

飛行模擬技術(shù)的內(nèi)容一直在更新，但其目標(biāo)——營造無限接近于現(xiàn)實的虛擬訓(xùn)練環(huán)境——卻沒有發(fā)生過改變。尤其是軍用飛行模擬技術(shù)，它的發(fā)展就是為了讓空戰(zhàn)相關(guān)人員的訓(xùn)練“離實戰(zhàn)近些更近些”。

“好用”才見真功夫，“管用”才是硬道理。展望未來，軍用飛行模擬技術(shù)正在呈現(xiàn)出如下幾個鮮明的階段性特征：

一是繼續(xù)致力于提高飛行模擬器的任務(wù)覆蓋率。當(dāng)前，在飛行模擬技術(shù)的助力下，各國的飛行模擬器任務(wù)覆蓋率已然不低。如美國空軍的F-15全任務(wù)飛行模擬器能模擬F-15飛機九成以上的訓(xùn)練任務(wù)；英國空軍的“鷹”式飛行綜合訓(xùn)練模擬器涵蓋了該型飛機幾乎所有的訓(xùn)練課目。今后，飛行模擬器的任務(wù)會進一步拓展。綜合性的大型飛行模擬器，將能提供超出“教培”飛行員傳統(tǒng)內(nèi)容之外的多樣化服務(wù)，比如“教培”地勤維護人員和相關(guān)主管等。同時，憑借更科學(xué)的建模、更靈敏的反應(yīng)和更高的精度，將更多用于測試新飛行器，比如模擬高超聲速武器、翼面融合型飛行器等。一些便攜式飛行模擬器也將更加普及，比如捷克VRgineers虛擬現(xiàn)實創(chuàng)業(yè)公司研制的便攜式飛行模擬器，其重量只有80千克，一個人可在30分鐘內(nèi)完成組裝，既能用來培養(yǎng)數(shù)種戰(zhàn)斗機的飛行員，還能培養(yǎng)直升機的飛行員。

二是繼續(xù)致力于高效開展戰(zhàn)役模擬訓(xùn)練。今后，建立飛行模擬訓(xùn)練中心、進行基地化訓(xùn)練，仍是一種經(jīng)濟、高效的組訓(xùn)方式。結(jié)合未來戰(zhàn)場是體系之間對抗的實際，協(xié)同作戰(zhàn)將進一步成為基于飛行員技能提升的飛行模擬訓(xùn)練內(nèi)容。這就意味著，通過飛行模擬技術(shù)，把更大范圍的飛行模擬器聯(lián)通為一體，使之成為更加強大、高效的空戰(zhàn)模擬訓(xùn)練平臺，將變得更加必要。不僅如此，還可以在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)體系化飛行模擬器與其他軍兵種模擬器在更大范圍內(nèi)的融合，使分散在各地的人員在模擬的同一個戰(zhàn)場環(huán)境下進行聯(lián)合協(xié)同訓(xùn)練，在更復(fù)雜而逼真的交互中感受戰(zhàn)爭，研究作戰(zhàn)方法、樣式、理論，評估作戰(zhàn)毀傷效果，為制訂未來作戰(zhàn)方案提供決策依據(jù)。

英國某飛行模擬訓(xùn)練中心。

三是致力于飛行仿真技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與模擬的“實戰(zhàn)化”。飛行模擬器由于使用對象、環(huán)境等方面的不同，類型也將越來越多。尤其是隨著模擬對象的多樣化復(fù)雜化及力量耦合情形增多，飛行模擬器各有其發(fā)展側(cè)重成為大勢所趨。要使這些飛行模擬器充分發(fā)揮作用，并能順暢地實現(xiàn)“聯(lián)手”，就必須進一步明確與規(guī)范飛行仿真技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，從而在“標(biāo)準(zhǔn)”層面打通飛行仿真的基本路徑。與此同時，多措并舉地推動飛行模擬的“實戰(zhàn)化”也很必要。比如，讓飛行模擬器與真實飛機組隊參訓(xùn)參演，可有效解決模擬飛行氣動數(shù)據(jù)表“不夠真實”的問題；通過引入MR混合現(xiàn)實技術(shù)，可在現(xiàn)實世界及虛擬世界之間搭建起一個交互反饋的信息回路，讓使用者在保持沉浸式體驗和交互的同時，觀察到實物座艙的設(shè)備分布，使相關(guān)操作更接近于在真機上的感受。

此外，飛行模擬技術(shù)今后還會在致力于降低訓(xùn)練成本等方面繼續(xù)發(fā)揮作用。而其可用于虛擬無人機的飛行、可參與風(fēng)洞部分虛擬飛行技術(shù)研究等方面的探索與實踐，則預(yù)示著其更為廣闊的發(fā)展前景。

（供圖：陽 明）