Кіріспе

FlightGear Flight Simulator (көбінесе FlightGear немесе FGFS деп қысқартылады) – 1997 жылдан бері FlightGear жобасымен әзірленген, тегін, ашық кодты, көп платформалы ұшу симуляторы. Дэвид Мурр бұл жобаны 1996 жылдың 8 сәуірінде бастады. Жоба 1997 жылы алғаш рет жарық көрді және дамуын жалғастыруда. Ол Microsoft Windows, macOS, Linux, IRIX және Solaris сияқты әртүрлі операциялық жүйелерге арналған ерекше құрастырылымдарды қамтиды. FlightGear – аэроғарыштық зерттеулер мен өнеркәсіпте қолданылатын атмосфералық және орбиталық ұшу симуляторы. Оның ұшу динамикасы қозғалтқышы (JSBSim) 2015 жылғы NASA сынақтарында жаңа симуляциялық кодты ғарыш өнеркәсібінің стандарттарымен салыстыру үшін пайдаланылды.

Тарих

FlightGear 1996 жылы АҚШ-та тұратын Дэвид Муррдің онлайн ұсынысы ретінде басталды. Ол Microsoft Flight Simulator сияқты коммерциялық, қолжетімді симуляторларға қанағаттанбады, компаниялардың мүдделері симулятор ойыншыларымен ("симерлермен") үйлеспейтінін айтып, интернеттегі еріктілер күшімен жаңа ұшу симуляторын жасауды ұсынды. Ұшу симуляторы арнайы 3D графикалық кодты пайдалану арқылы құрылды. OpenGL негізіндегі нұсқаны әзірлеуді 1997 жылдан бастап Кертис Олсон жетекшілік етті. FlightGear 2007 жылы 1.0 нұсқасына, 2010 жылы 2.0 нұсқасына жетті, ал 2.x және 3.x белгілерімен 9 ірі жаңарту шықты, бұл нөмірлеу жүйесі бойынша соңғы нұсқа "3.4" болды, себебі "3.6" жаңартуы жойылды. Жоба 2016 жылдан бастап жылына 2-4 рет жаңарту шығаратын тұрақты графикке көшті, ал жаңа атау схемасы бойынша алғашқы нұсқа "2016.1" болды. Осы кезеңде графикалық интерфейсі "FlightGear Launch Control", сондай-ақ "FGRun" деп белгілі, қатты кодталған Qt іске қосу бағдарламасымен ауыстырылды. FlightGear-дың бастапқы коды GNU General Public License шарттарымен таратылады және ол тегін және ашық кодты бағдарламалық қамтамасыз ету болып табылады. FlightGear жобасы 2015, 2017 және 2019 жылдары SourceForge ұсынғаннан кейін, қоғамдық айдың жобасы ретінде таңдалды.

Физика

Ұшақтың ұшу кезінде сезетін күштері ұшу жолындағы атмосфералық ағынның уақыт бойынша өзгеруіне байланысты. Атмосфера – энергия, ылғал немесе бөлшектер алмаса алатын, фазалық немесе күй өзгерістерге ұшырайтын, ал беттер арқылы шекаралармен күш түсіре алатын сұйықтық. Сұйықтықтардың мінез-құлқы көбінесе әр түрлі масштабтағы айналмалы (Видео: ұшақ, жер бедері) немесе құйынды ағындармен сипатталады, тіпті микроскоптық деңгейге дейін. Бірақ ауаның таза болуына байланысты, конденсация іздері немесе бұлттар сияқты ылғалдың фазалық өзгерістерін есептемегенде, оны байқау қиын. Атмосфера мен жер бедерінің шекарасы арасындағы өзара әрекеттесу сұйықтық динамикасының заңдылықтарына сәйкес келеді, бірақ процестердің масштабтары өте әртүрлі. Ал "ауа райы" – бұл планеталық шекаралық қабат. Ұшақ бетімен болатын өзара әрекеттесу де сол динамика бойынша жүзеге асып, бірақ шектеулі масштабта болады. Демек, ұшу жолының кез келген нүктесінде сезілетін күштер – әртүрлі кеңістіктік масштабтағы күрделі атмосфералық процестердің және ұшақ бетіндегі күрделі ағынның нәтижесі. Сонымен қатар, ұшақтар потенциалдық ұңғыманың үш өлшемді пішініне және Жердің шар емес пішініне байланысты әр түрлі гравитациялық күштерге де тап болады.

Атмосфералық және қоршаған орта физикасы

FlightGear атмосфераны энергияның кірісі мен шығысынан бастап, күн немесе жанартау көздерінен энергия сияқты, түрлі масштабтардағы және күйлердегі сұйықтық ағынына дейін симуляциялай алады. FlightGear атмосферамен жылу және ылғал алмасуын, жел ағыны немесе шөл нүктесі сияқты факторларға байланысты жылуды бөлу және салқындату сияқты әртүрлі беттік ерекшеліктерді модельдей алады. FlightGear түрлі масштабтағы құбылыстардың үздіксіз дамып келе жатқан өмірлік циклін, сұйықтықтың жер бедерімен өзара әрекеттесуі арқылы басқарады. Олар әртүрлі масштабтағы турбуленттік ағыстардан бастап, жеке термиялық ағыстарға, найзағайлық дауылдарға дейін, ауа қабаттарының қозғалысына және мыңдаған шақырымдық масштабтағы ауа массаларын бейнелеуге дейін жетеді. Атмосфералық су FlightGear-де бұлт немесе тұман қабаттарына конденсациялану сияқты күй өзгерістерінен бастап, конвективті сұйықтық ағынын қозғау үшін жасырын жылудан берілетін энергиямен бірге жаңбыр тамшылары, қар немесе ақжайын түріндегі жауын-шашынға дейін модельдендіріледі. Көтергіш күшті жасау процесі тұмандықтармен турбуленттілік тудырады, ал FlightGear ұшқан аппараттар мен жасанды интеллект аппараттары арқылы қанат ұштарынан тұмандықтарды түсіру арқылы ояту эффектін модельдейді. FlightGear-де әртүрлі жиіліктегі METAR ауа райы жаңартуларын пайдаланатын, физикалық тұрғыдан дәл емес модель де бар, ол әуежайлардың қауіпсіз жұмыс істеуі үшін атмосфераны күшпен өзгертуге бағытталған. Бұл процесс негізінен бақылау станцияларының жақындығы мен тығыздығына, сондай-ақ ақпараттың шағын масштабты, шектеулі, дөңгелектенген, үздірілмейтін және қажетті дәлдігіне байланысты. Биіктіктегі желдің мінез-құлқын модельдеуге арналған жол нүктелерінің параметрлері Jeppeson-нан алынған жаңартулармен синхрондалуы мүмкін. Flightgear Күн жүйесіндегі планеталық денелердің симуляциясын қамтиды, ол күн сәулесінен ендікке тәуелді ауа райын басқару және аспандық навигация үшін жұлдыздардың шағылысуын және орналасуын сияқты мақсаттарда қолданылады. Жердің шар емес пішініне негізделген гравитация моделі бар, сондай-ақ аппараттар өз денелерінде әртүрлі гравитацияны сезіне алады, бұл бұралу күшін тудырады. Жердің күрделі магнит өрісінің байқалатын өзгеруінің моделі, сондай-ақ әртүрлі жер беттерімен өзара әрекеттесуге байланысты радио толқындарының таралуын симуляциялау мүмкіндігі FlightGear-да бар. FlightGear Жердің дәл, шар емес моделін қолданады және координаталар жүйесіне байланысты қателерсіз полярлық аймақтардағы және әуежайлардағы (Арктикалық немесе Антарктикалық) ұшуды симуляциялай алады.

Ұшу динамикасы

FlightGear әр түрлі тәсілдерге негіделген бірнеше ұшу динамикасы жүйелерін, сондай-ақ MATLAB/Simulink сияқты сыртқы дереккөздерді, ыстық ауа шары және ғарыш кемелері үшін арнайы ұшу модельдерін қолдайды.

JSBSim

JSBSim – FlightGear жобасының қажеттіліктеріне сәйкес 1996 жылдан бастап NASA-ның LaRCSim-ін алмастыру үшін жасалған, ал 1999 жылдан бастап FlightGear-ге стандартты түрде енгізілген C++ ядросы бар деректерге негізделген ұшу динамикасы қозғалтқышы. Төмен кадр жылдамдығына қарамастан ұшу сипаттамалары сақталады, себебі JSBSim физикасы рендерингтен тәуелсіз және әдепкі бойынша 120 Гц жиілікте жұмыс істейді. Бұл жоғары уақыт үдеуін де қолдайды, өйткені рендерингті жылдамдату қажет емес, бұл GPU-ды шектеуші факторға айналдырмайды. FlightGear қолдайтын қазіргі стандартты ұшу динамикасы қозғалтқышы JSBSim, ұшу сипаттамаларын анықтау үшін массалық тепе-теңдік, жер беттік реакциялар, қозғалту, аэродинамика, итеру күші, сыртқы күштер, атмосфералық күштер және гравитациялық күштерді пайдалана алады. JSBSim жерден тыс атмосфераларды қолдайды және NASA Марс атмосферасында пилотсыз ұшуды модельдеу үшін қолданды. Нәтижелер NASA Ames Research Center (VMSRTE), Armstrong Flight Research Center (Core), Johnson Space Center (JEOD), Langley Research Center (LaSRS++, POST II), Marshall Space Flight Center (MAVERIC) және JSBSim-нен құралған 6 қатысушыдан алынды және NASA қатысуды ынталандыру үшін оларды анонимді ұстады. Алайда, бағалау нәтижесінде қатысушылардың көпшілігі барлық сынақ жағдайлары бойынша келісімге келді, ал қалған айырмашылықтар түсіндіріліп, жойылуы мүмкін, ал орбиталық сынақтар барлық қатысушылар үшін «өте жақсы» нәтижелер көрсетті. JSBSim сияқты офлайн тәсілдер жел тоннелінен алынған деректерді пайдалана алады. Олар сондай-ақ есептеу сұйықтық динамикасының нәтижелерін де қамти алады, олардың есептік дәлдігі тек проблеманың сипатымен және қазіргі есептеу ресурстарымен шектеледі. FlightGear LaRCsim және UIUC-ті де қолдайды.

Уақыт үдетуі

FlightGear уақытты жылдамдатуға немесе баяулатуға қабілетті, соның арқасында симуляция жылдамдатылады немесе баяулайды. Уақытты жылдамдату – ұзақ ұшулар мен ғарыш миссияларын модельдеу үшін өте маңызды мүмкіндік. Симулятормен кез келген өзара әрекеттесуде, бұл адамдарға оқиғасыз кезеңдерді жылдамдатуға және тәжірибе жинауға (шешімдер қабылдау және мәселелерді шешу) көмектеседі. Сонымен қатар, зерттеу мақсатында қолданылатын автоматтандырылған симуляциялар FlightGear-дің бассыз режимі арқасында тезірек аяқталады. FlightGear симуляцияның бөліктерін әртүрлі жылдамдықпен іске қосу арқылы жоғары уақыт жылдамдатуын қолдай алады. Бұл процессор мен графикалық процессор ресурстарын үнемдеуге мүмкіндік береді, себебі маңызды емес симуляция бөліктері, мысалы, графикалық элементтер немесе уақытқа аса сезімтал емес ұшақ жүйелері, төменгі жылдамдықпен жұмыс істей алады. Бұл өнімділікті де жақсартады. JSBSim физикасы, ұшақ жүйелерінің әртүрлі бөліктері, сондай-ақ кең ауқымды (аспан денелерін модельдеу) және тар ауқымды (ауа-райы физикасы) қоршаған ортаны модельдеу үшін жеке тікелей уақыт сағаттары қолжетімді.

Атмосфераны көрсету

Flightgear атмосфералық рендерингі атмосфералық сұйықтық ағынына әсер ететін процестердің үнемі өзгеріп отыратын визуалды белгілерін, сондай-ақ олардың ықтимал эволюциясын және тарихын көрсетеді, бұл алдағы жағдайларды болжауға немесе кейінірек оралғандағы жағдайды анықтауға мүмкіндік береді. Атмосферадағы Advanced Light Scattering framework арқылы бағытталған жарық шашырауының симуляциясы Mie немесе Rayleigh сияқты әртүрлі шашырату режимдеріндегі бөлшектердің 3D таралуын, қабатталуын, геометриясын және тіпті статистикалық бағытын көрсетеді. Бұл әртүрлі ылғал тамшыларынан, тұманнан бастап, бұлттар мен галолардағы әртүрлі геометриялы мұз кристалдарына дейін қамтиды.

Бұлтты көрсету

FlightGear-дің бұлт (немесе конденсация іздері) ылғалының 3D тығыздық таралуы, сұйықтық ағынының сәйкес 3D құрылымына меңзеу ретінде қызмет етеді, мысалы, дауылдық жасушаның жоғары және төмен ағын циклі, ішкі гравитациялық толқындардың толқынды бұлт жолақтарын құруы, кеңінен қозғалмалы суық фронтты немесе желдің күрт өзгеруін көрсетеді, сондай-ақ биіктеп орналасқан циррус бұлттарын қалыптастырады.

Қоршаған ортаны өңдеу

Flightgear-дің Advanced Light Scattering жүйесі уақыт және кеңістіктегі орналасқан жерлерді модельдейді. Қоршаған ортаны модельдеу маусымдық өзгерістерді әр түрлі ағаштардың, бұталардың және шөптердің жапырақтарының түсін өзгертуі немесе түсуі арқылы көрсетеді. Шөптің, ағаштардың және жел көрсеткіштердің модельдеу арқылы бейнеленген қозғалысы жерге жақын жел өрісін өзгертетін процестер туралы ақпарат береді, ал толқынды модельдеу суға жақын ақпарат береді. FlightGear 2020.1 нұсқасынан бастап ашық кодты swift pilot клиентін пайдаланып VATSIM-ға қосылу мүмкіндігі бар. Бірнеше мониторлы ортаны құру үшін FlightGear-дің бірнеше данасын синхрондауға болады.

Ауа райы

FlightGear ауа райының ағымдағы жағдайын шығару үшін METAR деректерін пайдаланады. Ауа райының толыққанды параметрлері 3D бұлттарды, түрлі бұлт түрлерін және жауын-шашынды жасауға мүмкіндік береді. Жауын-шашын және жер бедері турбуленттілікке және бұлттардың қалыптасуына әсер етеді. Биіктіктегі бағыттық нүктелердің параметрлері желдің жоғары биіктіктегі мінез-құлқын нақты уақыттағы ауа райы деректерінен модельдеуге, ал термиялық ағындарды да модельдеуге болады.

Сыни қабылдау

FlightGear дәстүрлі мағынада ойын ретінде әзірленбеген және талданбағанмен, бірқатар онлайн және офлайн басылымдарда қарастырылып, ұшу симуляторы ретінде жағымды бағалар алды. FlightGear 1.0.0 нұсқасы он жылдан астам уақыт бойы жасалған ойын үшін әсерлі деп есептелді, оның ұшақтар мен мүмкіндіктерінің кең спектрі бар. PC Magazine журналы жаңа ұшақтар мен ландшафттарды қосудың оңай жасалғанын атап өтті. Linux Format 2.0 нұсқасын қарап, 8/10 бағасын берді.

Дау

2014 жылдың маусым айында Honda адвокаттары HondaJet моделінің симулятордағы бейнесі Honda-ның тауарлық белгілерін бұзады деген талаппен алып тастау туралы өтініш жіберді. Содан кейін HondaJet заңдық себептермен симулятордан алынған алғашқы модель болды. Ойын журналисі Тим Стоун өзінің The Flare Path симуляциялық бағанында үшінші тараптардың жобаға қатысқан еріктілердің еңбегінен пайда табуға тырысуын сынады. Ол VirtualPilot3d-ді жаңылыстыру үшін басқа симуляторлардан онлайн қолжетімді медиа мазмұнын ұрлау сияқты алдамшылық әдістерге, сондай-ақ жалған клиенттердің пікірлеріне назар салды. 2018 жылы Тим Стоун тағы бір мақала жазып, онда FlightGear-дан скриншоттарды қолданған тағы бір ойынның жарнамаларындағы "этикалық нормаларға" және "сату мақсатында жалған айтуға дайындыққа" қайтадан сынға алды.

Қолдану және пайдалану

FlightGear академиялық және өнеркәсіптік жобаларда қолданылды (соның ішінде NASA). Бұл қолданба пилоттарды даярлау үшін де, сондай-ақ әртүрлі мекемелер мен университеттер үшін ғылыми-зерттеу және әзірлеу платформасы ретінде де пайдаланылды. Симуляторды көптеген институттар мен компаниялар қолданды, мысалы NASA/Ames Human Centered System Lab, Pragolet s. r. o. және Endless Runway Project – бірнеше еуропалық аэроғарыш институттарының консорциумы.

"Бейнебес ұшу-қону жолағының" жобасы

Шексіз ұшу жолағы жобасы, бірнеше еуропалық ғарыш институтының консорциумы.