Введение

Технология, используемая для обучения экипажей воздушных судов
2=непрофессиональные и рекреационные симуляторы

Симулятор полета – это устройство, искусственно воссоздающее полет воздушного судна и окружающую среду для обучения пилотов, проектирования или иных целей. Он включает в себя моделирование уравнений, определяющих принципы полета, реакцию на органы управления, работу бортовых систем, а также воздействие внешних факторов, таких как плотность воздуха, турбулентность, сдвиг ветра, облачность, осадки и т.д. Симуляция полетов применяется в различных областях, включая подготовку пилотов, разработку и конструирование воздушных судов, а также исследования летных характеристик и качества управления. Термин "симулятор полета" может иметь несколько иное значение в обиходной речи и в технической документации. Ранее он обозначал устройства, способные максимально точно имитировать поведение самолета в различных процедурах и условиях полета. В современных определениях такое устройство называется "полным симулятором полета".

История моделирования полетов

В 1910 году по инициативе французских командиров Клолуса и Лаффона и лейтенанта Клевенада были построены первые наземные тренажеры для подготовки пилотов военных самолетов. "Тонно Антуанетта" (Antoinette barrel), созданный компанией Antoinette, представляется предшественником авиасимуляторов.

Первая мировая война (19141918)

Одной из областей подготовки была стрельба из воздушного оружия, выполняемая пилотом или специалистом-стрелком. Стрельба по движущейся цели требует наведения впереди цели (что включает в себя так называемый угол опережения), чтобы учесть время, необходимое пулям для достижения района цели. Это также иногда называют "стрельбой с упреждением" и требует мастерства и практики. Во время Первой мировой войны были разработаны наземные тренажеры для обучения этому навыку новых пилотов.

1920-е и 1930-е годы

Наиболее известным ранним устройством симуляции полета был Link Trainer, созданный Эдвином Линком в Бингемтоне, штат Нью-Йорк, США, который он начал строить в 1927 году. Позже он запатентовал свой дизайн, который впервые поступил в продажу в 1929 году. Link Trainer представлял собой базовый металлический каркас симулятора полета, обычно окрашенный в его хорошо известный синий цвет. Некоторые из этих летных тренажеров эпохи ранней войны все еще существуют, но найти рабочие экземпляры становится все труднее. Фирма семьи Линк в Бингемтоне производила пианино и органы, поэтому Эд Линк был знаком с такими компонентами, как кожаные мехи и тростниковые переключатели. Он также был пилотом, но, будучи недовольным объемом реальной летной подготовки, он решил создать наземное устройство для обеспечения такой подготовки без ограничений, связанных с погодными условиями, наличием самолетов и летных инструкторов. Его конструкция включала пневматическую платформу движения, приводимую в действие надувными мехами, которые обеспечивали ощущение тангажа и крена. Вакуумный двигатель, аналогичный тем, что используются в пианино, вращал платформу, создавая ощущение рыскания. На платформе движения была установлена обобщенная реплика кабины пилота с рабочими приборами. Когда кабина закрывалась, пилоты могли практиковаться в полете по приборам в безопасной среде. Платформа движения передавала пилоту ощущение реального углового движения в тангаже (подъем и опускание носа), крене (подъем и опускание крыла) и рыскании (поворот носа влево и вправо). Первоначально авиационные летные школы проявляли мало интереса к "Link Trainer". Линк также продемонстрировал свой тренажер Военно-воздушным силам США (USAAF), но безрезультатно. Однако ситуация изменилась в 1934 году, когда Военно-воздушные силы получили государственный контракт на доставку почты. Это предполагало полеты в любую погоду, к которым USAAF ранее не готовились должным образом. В течение первых недель работы почтовой службы погибло около дюжины армейских пилотов. Руководство Военно-воздушных сил вспомнило Эда Линка и его тренажер. Линк прилетел на встречу с ними на аэродром Ньюарк в Нью-Джерси, и они были впечатлены его способностью прибыть в день с плохой видимостью благодаря практике на своем тренировочном устройстве. В результате USAAF приобрели шесть Link Trainers, что можно считать началом мировой индустрии авиационных симуляторов. Другой тип тренажера времен Второй мировой войны использовался для ночной навигации по звездам. Celestial Navigation Trainer 1941 года был высотой 13,7 м и мог вместить навигационную команду бомбардировщика. Он позволял использовать секстанты для определения "звездных координат" с помощью спроецированного изображения ночного неба. Существовал также симулятор вертолета Jacobs Jaycopter, предназначенный для "снижения стоимости обучения пилотов вертолетов". Позже симулятор был продан как аттракцион на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1964–1965 годах.

Сегодня

Производители авиационных тренажеров консолидируются и расширяют вертикальную интеграцию, в то время как рынок обучения демонстрирует двузначный рост: компания CAE прогнозирует потребность в 255 000 новых пилотов авиакомпаний в период с 2017 по 2027 год (70 пилотов в день) и повышение квалификации 180 000 вторых пилотов до командиров воздушного судна.

Обучение пилотов

Большинство авиационных тренажеров используются главным образом для обучения полётам. Самые простые тренажеры применяются для отработки базовых процедур в кабине пилота, таких как выполнение аварийных контрольных списков, и для ознакомления с кабиной. Они также используются для обучения полётам по приборам, где внешний вид имеет меньшее значение. Определённые системы самолёта могут моделироваться, а аэродинамическая модель, если она присутствует, обычно крайне упрощена. В зависимости от уровня сертификации, приборы с подвижными указателями в реальном самолёте могут быть реализованы посредством дисплея. Благодаря более совершенным дисплеям, реалистичному изображению кабины пилота и системам движения, авиационные тренажеры могут использоваться для зачисления определённого количества налётных часов в счёт получения лётной лицензии. Определённые типы тренажеров также применяются для обучения, не связанного с получением первоначальной лицензии, например, для продления квалификации полётов по приборам или, чаще всего, для получения квалификации типа на конкретный тип воздушного судна.

Другие применения

В процессе проектирования самолета летные тренажеры могут использоваться вместо проведения некоторых летных испытаний. Такие "инженерные симуляторы полета" позволяют быстро выявлять ошибки, снижая риски и стоимость разработки. Кроме того, это дает возможность использовать дополнительное измерительное оборудование, которое может быть слишком громоздким или неудобным для установки на борту реального самолета. На различных этапах проектирования применяются различные инженерные симуляторы, отличающиеся уровнем сложности. Летные тренажеры могут включать в себя учебные задания для членов экипажа, не являющихся пилотами, например, для стрелков на военных самолетах или операторов лебедок. Отдельные тренажеры также используются для задач, связанных с полетом, таких как отработка эвакуации самолета при аварийной посадке на воду. В связи с высокой сложностью систем современных самолетов, тренажеры для технического обслуживания воздушных судов становятся все более востребованными.

Процедура

До сентября 2018 года, когда производитель желал получить одобрение модели ATD, в FAA представлялся документ, содержащий спецификации модельного ряда и подтверждающий соответствие применимым нормам. После утверждения этого документа, называемого "Руководством по квалификационному одобрению" (Qualification Approval Guide – QAG), все последующие устройства, соответствующие QAG, автоматически одобряются, и индивидуальная оценка не требуется и не предусмотрена. Фактическая процедура, принятая всеми органами гражданской авиации (Civil Aviation Authorities – CAA) по всему миру, заключается в предоставлении за 30 дней до даты квалификации (40 дней для CAAC) документа MQTG (Master Qualification Test Guide) – руководства по квалификационным испытаниям, относящегося к конкретному устройству-симулятору и существующего на протяжении всего срока его службы. Этот документ содержит объективные, функциональные и субъективные тесты для демонстрации соответствия симулятора реальному самолету. Результаты сравниваются с данными летных испытаний, предоставленными производителями воздушных судов (OEM), или с данными испытаний, заказанными производителями симуляторов (OEM), либо с данными POM (Proof Of Match), предоставленными разработчиками симуляторов производителей воздушных судов. Некоторые из QTG будут повторно выполняться в течение года для подтверждения в ходе непрерывной квалификации того, что симулятор по-прежнему соответствует допуску, утвержденному CAA.

Структура симулятора

Симуляторы полетов — пример системы "человек в контуре", в которой постоянно происходит взаимодействие с пользователем. С точки зрения устройства, входными данными служат основные органы управления полетом, кнопки и переключатели на приборной панели, а также станция инструктора, если она предусмотрена. На основе этих данных обновляется внутреннее состояние и решаются уравнения движения для следующего временного шага. Новое состояние имитируемого воздушного судна отображается пользователю через визуальные, слуховые, динамические и тактильные каналы. Для моделирования совместной работы симулятор может быть адаптирован для нескольких пользователей, как в случае с тренажерами для отработки взаимодействия нескольких экипажей. В качестве альтернативы можно объединить несколько симуляторов, что известно как "параллельное моделирование" или "распределенное моделирование". Поскольку военным самолетам часто требуется взаимодействовать с другими летательными аппаратами или военным персоналом, распределенное моделирование широко используется в военных играх. В связи с этим, совместно с военными организациями было разработано множество стандартов для распределенного моделирования, в том числе для авиации. Примеры таких стандартов включают SIMNET, DIS и HLA.

Модели моделирования

Центральным элементом модели симуляции являются уравнения движения летательного аппарата. Нормативные требования ограничивают максимальную задержку между действием пилота и реакцией самолета. В связи с этим, приходится идти на компромиссы для достижения необходимого уровня реализма при меньших вычислительных затратах. Симуляторы полетов обычно не используют полные модели вычислительной гидродинамики для расчета сил или погодных условий, а применяют базы данных, содержащие предварительно вычисленные результаты и данные, полученные в реальных полетах. Например, вместо моделирования обтекания крыла, коэффициент подъемной силы может быть задан как функция параметров движения, таких как угол атаки. Несмотря на необходимость обмена данными между различными моделями, их часто можно разделить на модульную архитектуру для лучшей организации и упрощения разработки. Как правило, модель шасси для наземного перемещения является отдельным входом для основных уравнений движения. Каждый двигатель и прибор авионики также представляет собой автономную систему с четко определенными входами и выходами.

Инструменты

Все классы FSTD (устройств тренировки на имитаторе полета) требуют той или иной степени воссоздания кабины пилота. Поскольку они являются основным средством взаимодействия между пилотом и воздушным судном, управлению в кабине пилота уделяется особое внимание. Для обеспечения эффективной передачи навыков, в нормативных документах по летным симуляторам установлены весьма конкретные требования.

Система зрения

Внешний вид из кабины воздушного судна является важным ориентиром при управлении самолетом и основным средством навигации при полетах по правилам визуальных полетов. Одной из ключевых характеристик зрительной системы является поле зрения. В зависимости от типа тренажера может быть достаточно обеспечить только вид вперед с использованием плоского дисплея. Однако некоторые типы летательных аппаратов, например, истребители, требуют очень широкого поля зрения, предпочтительно близкого к полному сферическому, из-за маневров, выполняемых в воздушном бою. Поскольку вертолеты способны выполнять зависание в любом направлении, некоторые классы тренажеров вертолетов требуют даже 180 градусов горизонтального поля зрения. В проектировании визуальной системы существует множество параметров. Для узкого поля зрения может быть достаточно одного дисплея, однако обычно требуется несколько проекторов. Такая конфигурация требует дополнительной калибровки как для устранения искажений, возникающих при проецировании не на плоскую поверхность, так и для выравнивания яркости в областях перекрытия проекций. Используются различные формы экранов, включая цилиндрические и сферические. Поскольку экран находится значительно ближе, чем объекты за пределами воздушного судна, в тренажерах с несколькими пилотами применяются специальные коллимированные дисплеи, устраняющие эффект параллакса между точками зрения пилотов. Альтернативой крупноформатным дисплеям являются тренажеры виртуальной реальности с использованием шлема виртуальной реальности. Этот подход обеспечивает полное поле зрения и значительно уменьшает размеры тренажера. Существуют примеры применения в научных исследованиях и вклад в современную компьютерную графику. Наука визуального моделирования, основанная на визуальных системах, разработанных для авиационных тренажеров, также стала важным предшественником трехмерной компьютерной графики и систем компьютерной генерации изображений (CGI). Это обусловлено тем, что целью авиационного моделирования является воспроизведение поведения самолета в полете на земле. Значительная часть этого воспроизведения связана с реалистичным визуальным синтезом, имитирующим реальность. В сочетании с необходимостью интеграции виртуального синтеза с требованиями к военной подготовке, графические технологии, применяемые в авиационных тренажерах, часто опережали аналогичные коммерческие разработки на несколько лет. Когда CGI впервые начали использовать для обучения пилотов, ранние системы оказались эффективными для простых учебных задач, но требовали дальнейшего развития для более сложных сценариев, таких как полет по рельефу местности и другие тактические маневры. Первые системы CGI могли отображать только объекты, состоящие из плоских многоугольников. Достижения в алгоритмах и электронике в визуальных системах авиационных тренажеров и CGI в 1970-х и 1980-х годах оказали влияние на многие технологии, используемые в современной графике. Со временем системы CGI научились накладывать текстуры на поверхности и плавно переходить между различными уровнями детализации изображения. Визуализация виртуальных миров в реальном времени с помощью компьютерной графики делает некоторые аспекты визуальных систем авиационных тренажеров очень похожими на игровые движки, использующие общие методы, такие как различные уровни детализации или библиотеки, такие как OpenGL. Многие пионеры компьютерной графики начинали свою карьеру в компаниях Evans & Sutherland и Link Flight Simulation, подразделении Singer Company, двух ведущих компаниях в области авиационного моделирования до наступления современной компьютерной эры. Например, генератор цифровых изображений Singer Link (DIG), созданный в 1978 году, считался одной из первых в мире систем CGI.

Система движения

Первоначально системы движения использовали отдельные оси, подобные кардановому подвесу. После изобретения платформы Стюарта одновременная работа всех приводов стала предпочтительным решением, при этом некоторые нормативы для FFS (Full Flight Simulator) специально требуют "синергетического" движения по 6 степеням свободы. В отличие от реальных самолетов, система движения в симуляторе имеет ограниченный диапазон перемещения. Это особенно сказывается на возможности имитации продолжительных ускорений и требует отдельной модели для аппроксимации сигналов, поступающих в вестибулярную систему человека, в рамках этих ограничений. Система движения является существенным фактором, влияющим на общую стоимость симулятора, однако оценить перенос навыков, полученных при обучении на симуляторе и применении их при управлении реальным воздушным судном, сложно, особенно в отношении сигналов движения. Для этого требуются обширные выборки мнений пилотов, и часто высказываются субъективные оценки, особенно от пилотов, не имеющих опыта объективной оценки и выполнения структурированного плана испытаний. Долгое время считалось, что моделирование движения по 6 степеням свободы обеспечивает пилоту более высокую степень реалистичности управления полетом и реакции самолета на воздействия органов управления и внешние силы, что приводит к лучшим результатам обучения, чем моделирование без движения. Это называется "реалистичностью управления", которую можно оценить по стандартам летных испытаний, например, с помощью числовой шкалы Купера-Харпера для оценки качества управления. Однако недавние научные исследования показали, что использование таких технологий, как вибрация или динамические кресла в симуляторах полета, может быть столь же эффективным для обучения, как и большие и дорогостоящие 6-степенные платформы FFS.

Симулятор вертикального движения (VMS) в NASA/Ames

Самый большой в мире авиационный симулятор – это симулятор вертикального движения (VMS) в Исследовательском центре NASA имени Эймса, расположенном к югу от Сан-Франциско. Он оснащен крупномасштабной системой имитации вертикальных перемещений с ходом до 60 футов (плюс-минус 30 футов). Эта система поддерживает горизонтальную балку, на которой установлены рельсы длиной 40 футов, обеспечивающие боковое перемещение кабины симулятора на +/- 20 футов. На этой балке смонтирована стандартная шестиосная платформа (гексапод) с 6 степенями свободы, а на платформе – сменная кабина. Такая конструкция позволяет быстро менять кабины различных летательных аппаратов. Симуляции охватывали широкий спектр техники – от дирижаблей и коммерческих и военных самолетов до космического шаттла. В частности, при исследовании продольной пилот-индуцированной колебаний (PIO), возникшей во время одного из первых полетов шаттла непосредственно перед посадкой, использовался крупномасштабный симулятор вертикального движения. После выявления проблемы на VMS, он был использован для тестирования различных алгоритмов продольного управления и выработки рекомендаций по выбору оптимального алгоритма для программы Space Shuttle.

Обучение дезориентации

AMST Systemtechnik GmbH (AMST) из Австрии и Environmental Tectonics Corporation (ETC) из Филадельфии, США, производят ряд симуляторов для тренировки устойчивости к дезориентации, обеспечивающих полную свободу вращения по рысканью. Наиболее сложным из этих устройств является симулятор Desdemona, расположенный в НИИ TNO в Нидерландах и изготовленный компанией AMST. Этот крупный симулятор имеет кабину, установленную на карданной подвеске, на каркасе, который добавляет вертикальные перемещения. Каркас смонтирован на рельсах, закрепленных на вращающейся платформе. Рельсы позволяют изменять расстояние от кабины симулятора до центра вращения, что обеспечивает постоянную переносимость перегрузок до примерно 3,5g.