飞行模拟器概述4:飞行模拟器的基本组成

  飞行模拟器,按其类型及复杂程度的不同,结构也不尽相同。用数字计算机控制的飞行模拟器,通常由模拟座舱、运动模拟系统、视景模拟系统、音响模拟系统、计算机系统、教员控制台等组成。

  飞行模拟器,按其类型及复杂程度的不同,结构也不尽相同。用数字计算机控制的飞行模拟器,通常由模拟座舱、运动模拟系统、视景模拟系统、音响模拟系统、计算机系统、教员控制台等组成。

  飞行模拟器是一个以飞行员为核心的人一机闭环控制系统,它又是一个实时仿真系 统。当飞行员在模拟座舱内操纵各种装置(油门杆、驾驶杆、脚蹬、电门、按钮等),或教员在教员台上操纵有关控制电门、按键时,这些操纵控制装置就会产生相应的电压信号,经输入接口变换成数字量后送给计算机,计算机则按预定的管理程序和数学模型进行计算,然后将其计算结果(数字量)经输出接口变换后,再经放大器放大,驱动有关的仪表指示相应的数值,驱动有关的指示灯呈现相应状态,音箱发出相应的声音,运动平台处于相应的运动状态,视景系统显示相应的外部景象。

  由于计算机的运算速度非常快,通常以20一40毫秒为一个运算周期,各显示设备所显示的状态每秒钟变化25~50次,因而在飞行员看来,这些变化既是连续的,又是实时的。    这些变化的信息作用给飞行员后,飞行员及时进行分析判断,然后根据训练任务的需要进一步操纵有关装置。如此反复循环,从而完成模拟飞行任务。

  1 模拟座舱

  模拟座舱是飞行模拟器的主体。训练用飞行模拟器,模拟座舱内部的形状,各仪表、信号装置、操纵设备的布局与所模拟的飞机几乎完全一样,以给飞行员造成座舱环境的逼真感。各种仪表的盘面与真实飞机仪表完全相同,其内部结构有的也与真实仪表一样,有的则不同,但其指示现象都与真实仪表相同。有的飞行模拟器,如较简单的仪表飞行训练器,其座舱是固定不动的;较复杂的飞行模拟器,其座舱通常都是安装在运动模拟系统的活动平台上。座舱内的操纵设备通常与产生负荷的装置相连,共称为操纵负荷模拟系统,它可根据飞行条件产生相应的负荷,使飞行员的手和脚上有操纵力的感觉。座舱内还装有音响模拟系统,可以产生飞行中飞行员所能听到的某些音响效果。例如发动机起动、运转的声音,气流与飞机的摩擦声,收放起落的声音,以及飞机着陆接地时的撞击声,等等。

  2 运动模拟系统  

  运动模拟系统,简称运动系统,主要是用来模拟飞机的加速度的,以使飞行员的身体感觉到飞机的运动;在有的情况下,也可模拟出飞机的姿态。

  运动系统由液压源(也叫供压系统)及由液压作动筒控制的活动平台组成;模拟座舱就装 在活动平台上。当飞行员在模拟座舱内操纵“飞机”运动时,活动平台就会产生相应的运动,从而使飞行员的身体及大脑中的前庭器官感受到这种运动,飞行员借助这种感觉判断出飞机姿态及速度的变化。

  根据飞行模拟器的复杂程度,其运动系统所能模拟的运动状态也不相同。简单的运动系统只有两个自由度。如我国自行设计的歼五-Ⅱ飞行模拟器的运动系统,只能使模拟座舱俯仰和倾斜;我国研制的大型歼六飞行摸拟器,也只有3个自由度,即可使模拟座舱俯仰、倾斜和升降,其活动范围也比较小。目前国外的大型飞行模拟器,运动系统多为6个自由度,即沿三轴的直线运动和绕三轴的转动。我国研制的运七-100飞机飞行模拟器和伊尔七六飞机飞行仿真系统,都有6自由度运动系统。

  下表是一种大型六自由度运动平台的性能指标。   

   自由度    最大位移       最大速度     最大加速度

  纵向 前1.245米后1.219米, ±0.610米/秒, ±0.6g   

  横向   ±1.219米  ±0.610米/秒, ±0.6g 

  垂直(升降)上0.991米下0.762米,±0.610米/秒 ±0.6g

  航向偏转   ±32°   ±15°/秒       ±50°/秒2 

  俯仰 上仰30°下俯20° ±15°/秒        ±50°/秒 

  滚转(倾斜) ±22° ±15°/秒        ±50°/秒

  3 视景模拟系统 

  视景模拟系统,简称视景系统,是用来模拟飞行员在飞行中所看到的座舱外部的景象的。根据这种景象,飞行员可以判断飞机的姿态、位置,以至飞行的速度、天气状况等。 

  视景系统主要由景象产生与景象显示两部分组成。产生与显示景象的方法很多,因此视景系统有很多种类型,但主要有以下几种:

  (1) 点光源视景系统 

  点光源视景系统是发展最早,也是最简单的一种视景模拟装置。这种系统主要有一个体积很小、亮度很高且可以活动的小灯泡(称为点光源),一个按一定比例画有地面景象的大直径玻璃盘(称为地景盘),还有一块屏幕。当飞行员操纵模拟器时,点光源模拟飞机的运动,光线透过地景盘照射到屏幕上,形成连续运动的景象。这种系统的主要优点是视野广阔,结构简单,缺点是模拟误差较大,地景范围小。但因其优点突出,因此在模拟器的早期一直用在起落航线、直升机的垂直起落和悬停的模拟上。 

  (2) 电影胶片投影系统 

  这种系统又称为畸变电影。它是预先由一架飞机在标准的航线上用摄影机把实际景象拍成电影,拷贝洗印好后,通过一个可由飞行员操纵的装有光学畸变镜头的放映机放映出来。当飞行员操纵模拟器时,若航迹没有偏差,放映出来的图像就是拍摄的标准图像,若航迹有偏差,则通过畸变镜头映出的画面发生畸变,使飞行员所看到的影像也随之改变。这种系统的优点是体积小,影像的色彩和清晰度都很好,飞机的进场着陆尤为逼真。但最大的缺点是所能模拟的航线范围很窄,因而机动范围很小,使用价值有限。 

  (3) 地景模拟/闭路电视系统 

  这种系统主要由一个很大的按一定比例制作的地景模型、可受飞行员操纵的光学探头和摄像机、投影器及显示屏幕等组成。当飞行员操纵模拟器飞行时,摄像机通过光学探头对地景模型进行摄影,摄像机将光信号变成电信号,再由投影器将电信号变成光信号投影到座舱前的屏幕上。这种视景系统,最大的优点是模拟的景象十分逼真,但是,最大缺点是结构复杂,体积异常庞大,耗电量非常惊人(100千伏安以上),运行费用昂贵,维修困难。但随着计算机的发展,已逐渐被计算机成像视景系统所代替。 

  (4) 计算机成像视景系统 

  计算机成像技术是随大容量高速度的数字计算机的飞速发展而产生的新型视景技术。它主要由图像处理计算机、图像数据库、图像生成设备、电视投影器及屏幕等组成。当飞行员在模拟座舱内操纵“飞机”时,其操纵信号经模拟器主计算机的计算,向图像处理计算机输送有关飞行位置、姿态等信息,图像处理计算机则将这些信息进行处理,从图像数据库取出有关的图像信息,经图像生成设备,送给电视投影器形成实时变化的图像,使飞行员从屏幕上观察到飞行中的景象。计算机成像视景系统,由于图像是由计算机产生的,所以有很大的灵活性,有十分广泛的模拟能力;借助外存数据库可以存储大量不同的景物,比如可以存储多个机场,甚至上百个机场的图像。使用者还可以根据自己的需要增加或修改景象的内容。这种系统还有一个突出的优点,就是可用多个显示器来显示景象,从而大大地扩展了视野,如水平视场角可达200°以上,使飞行员有全景空间的感觉。这种系统还有体积小,耗电少,便于维护……等优点。因此它已经成为现代飞行模拟器视景系统的主要形式。

  4 教员指挥控制台 

  教员指挥控制台(简称教员台)是教员控制飞行模拟器各部分的工作及了解飞行员操作情况的装置。不同类型、不同功能的模拟器,其控制台的组成、结构也不一样。但一般都有以下几个部分:

  (1) 控制板。上面装有控制整机及各大系统工作的电门、按钮等。 

  (2) 显示器。用来显示飞行轨迹、仪表指示参数等。 

  (3) 飞行条件设置板。用以设置各种初始参数(起飞位置、起飞航向、油量)及气象条件(场面气压、气温、风速、风向、能见度)等。

  (4) 故障设置板。用来给飞行员设置各种故障,以锻炼飞行员在各种故障情况下的处置能力。例如,歼六飞行模拟器可以设置66种故障。其中发动机系统故障就有22种,如发动机接不通最大、接不通加力、断不开最大、发动机失火、空中停车……等;特种设备故障21种,如地平仪抖动、卡住,罗盘卡住、摆动,空速管堵塞、结冰,发电机电压过高、过低……等;以及其他系统的一些故障,如操纵系统的力臂调节器失灵、起落架放不下,刹车失效等。 

  (5) 计算机的外部设备。如控制键盘、打印机等。 

  (6) 通话设备。用来与飞行员联络通话。

  现在比较先进的教员台,上述的2、3、4项都由一个带触摸屏的显示器代替。即利用触摸屏的控制,显示器上既可以显示飞行轨迹、仪表指示参数,又可以设置和显示飞行条件和故障,还可以控制模拟器的运行状态,如冻结、记录和重放等。

  5 计算机系统 

  计算机系统是飞行模拟器中最重要的部分,它是飞行模拟器的“神经中枢”。飞行模拟器是一个实时性要求很高,交换信息量很大,并有一定精度要求的复杂实时仿真系统。计算机系统承担着整个模拟器各个系统的控制与数学模型的解算任务,计算机实时采集飞行员的各种操纵信息和教员的各种控制指令信息,按飞机、发动机、各种机载系统变化规律计算各种参数,再输往仪表、视景、运动、音响……等各个系统,使飞行员从视觉、听觉、触觉等几个方面感受到“飞机”飞行的情况。 

  计算机系统通常是由数字计算机、

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