飞行仿真技术现况及展望

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飞行仿真技术（FlightSimulation）是以系统技术、相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及飞行器应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用建立的飞行器各分系统数学模型和物理模型与飞行器部分实物结合，对飞行器进行动态试验和研究的一门综合性技术。目前该技术已成为飞行器前期论证和设计、后期加工、制造、测试、以及完成后的维护和使用过程中的故障排除等各个阶段重要的技术手段，另外也成为飞行员训练重要工具。飞行仿真技术作为航空领域的一项重要技术，受到航空界的高度重视，并取得了飞速发展。21世纪，我国军用和民用航空事业蓬勃发展，为飞行仿真技术的发展提供了契机，亟须建立一个与我国航空工业发展规模和水平相适应的飞行仿真产业。介绍国内飞行仿真技术的类型和发展现状，并总结了仿真技术的发展趋势。

1.飞行仿真技术的分类

按照飞行仿真模型类型及其实现方式的不同，可以分为全数字仿真、半实物仿真和人在回路仿真三类。下面从这三类介绍飞行仿真技术。

1.1数字仿真

在计算机出现之前，仿真都是利用实物或物理模型进行行业曲线linkindustryAppraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.010可替代度影响力可实现度行业关联度真实度研究，例如风洞试验与模型飞行试验等，由于物理试验操作复杂、成本较高，并且存在一定程度的不可重复性，随着计算机的发展和应用，人们开始使用计算机进行仿真。数字仿真就是建立数学模型在计算机上反复进行的试验，是利用编程建立飞行器的数学模型进行仿真计算。数字仿真无需做模拟环境的各种物理效应设备，直接利用键盘等外部输入设备改变系统参数，经过仿真计算后，将仿真结果输出至外部显示设备。数字仿真流程如图1所示。数学仿真尤其适用于研究开发、方案论证和设计阶段。

1.2半实物仿真

半实物仿真又被称为含实物仿真，通过在仿真试验系统的仿真回路中接入所研究系统的部分实物来实现仿真试验目的。半实物仿真系统首先建立飞行器的动力学模型并布置在计算机上，然后将需测试的传感器等物理设备通过以太网或总线的方式接入计算机，实现对需要测试的实物进行评估，半实物仿真必须实时运行。典型的半实物仿真如图2所示一般可以分为下面几个模块：（1）仿真计算机，计算机上布置飞行器数学模型和计算程序；（2）环境模拟设备，包含运动设备、视景设备等；（3）被测实物，可以是飞行器的航空电子设备，也可以是飞行控制设备等。

1.3人在回路仿真

人在回路中的仿真是一种操作人员或飞行员在系统回路中进行操纵的仿真试验。人在回路中仿真仍然通过建立的数学模型在计算机上进行，但是要求有相应的形成人感觉环境的各种物理效应设备，如图3所示。这种仿真系统可以实现对飞行器性能、操作人员、或整个人-机系统的评价。与半实物仿真系统相同，必须实时运行系统。

2.飞行仿真技术的发展现状

2.1数字仿真

我国在数字仿真技术上起步较晚，但是随着计算机技术的发展，数字仿真迅速发展，取得了卓越进步，航空领域作为我国致力发展的重要领域，数字仿真机从产生就一直被应用于军事方面的仿真研究。1982年，我国在“数字仿真计算机方案审定会”制定了中国全数字仿真计算机的研制方案。1985年，成功研制中国第一台全数字仿真计算机系统银河仿真I型机系统（YH-F1），但是银河仿真I型机存在浮点运算的局限性，精度还有待提高。为了解决这些问题，升级了算法，研制了全数字仿真计算机系统-银河仿真Ⅱ型机系统（YH-F2），1995年YH-F2通过国家鉴定，在火箭、导弹等飞行器的研制中发挥了极其重要的作用。随着计算机技术的发展，基于Alpha高性能处理器和OpenVMS操作系统的YHSSC仿真系统在1996年问世。随后在2002年，基于Intel平台和WindowsNT系统的实时仿真平台YH-Star通过国家鉴定。小型机和微型处理器的迅速普及，为全数字仿真提供了良好的发展环境，大量科研或工程人员参与到全数字仿真建设中。为了实现特定目的的全数字仿真，这些学者和工程人员开发了相关领域的仿真语言和软件工具。随着云计算概念的发展，2012年航天二院建设了基于云平台的COMSIM-CSP仿真平台。国内高校为全数字仿真平台做出了突出贡献，北京航空航天大学成功建设SO-SMA仿真网络架构。国防科技大学的StarLink采用层次式RTI体系架构，可以将不同仿真模块接入仿真系统中。中国科技大学2018年发布了11比特的云接入超导量子计算服务，用户可以自行上传或编写量子程序，下载程序运行结果。量子计算机卓越的计算性能将会在很大程度上带动全数字仿真技术的发展。全数字仿真可以贯穿于装备论证、研发、试验鉴定和战法推演等各个进程。目前全数字的应用可以分为工程级、武器级、任务级和作战级四个层次的全数字仿真试验系统。然而，随着飞行器的硬件规模和软件代码越来越复杂，各个子系统之间的交互随之增加，一些子系统的物理设备难以实现数学建模。为了实现复杂系统的仿真，也为了提高仿真精度，对于没有规律、难以建立数学模型的系统采用实物的方式实现。不仅解决建模的难题，使得仿真环境更接近真实的试验环境，提高仿真结果的可信度。

2.2半实物仿真

与西方发达国家相比，国内半实物仿真技术起步较晚，20世纪50年代末才进行半实物仿真试验研究。半实物仿真试验最早应用在飞行器的飞行控制系统研究上，自行研制了三轴转台等仿真设备。随着半实物仿真技术的成熟，国内逐渐开始使用半实物仿真试验设备进行试验，同时也促进了半实物仿真技术的发展。20世纪90年代中后期至今，各种新型号武器装备研制对于半实物仿真技术的发展需求更为迫切。半实物仿真技术的研究得到了快速发展。各固定翼和旋翼主机厂所和导弹研发基地也建立了半实物仿真环境（又称铁鸟试验台），用于进行飞行器各子系统的全尺寸实物综合实验，特别是验证飞行控制系统性能是否满足规范要求。20世纪90年代开始，我国开展了半实物的分布式交互仿真、虚拟现实等先进的仿真技术及其应用的研究。国内很多研究所和高校都对半实物仿真技术的发展做出了突出贡献，随着微电子、信息技术、计算机技术、制造技术的发展，半实物仿真技术的发展已得到了长足的发展。我国自行研制的一些半实物仿真系统已经达到世界前列。目前半实物仿真技术已成功与外场试验相结合，完成了飞行器性能评估、鉴定研究等工作。

2.3人在回路中的仿真

飞行模拟器是典型的人在回路仿真系统，按用途可以分为两类：一类用于工程设计和研究。在新型飞机或系统的研制以及进行某项专项研究时，通过优化调整关键系统的参数，得到最佳分配效果，实现系统最优。另一类用于飞行训练，在对飞行人员进行新机种驾驶技术和技术保持训练方面。具有极高的安全性和经济性。我国飞行模拟技术研究起步较晚，从20世纪50年代至今，历经从国外引进、自行研制、快速发展三个阶段。我国早期的飞行模拟器主要靠引进，如三自由度气动式训练器TA-1·及固定式米格型训练器都是从苏联引进。长期的技术垄断迫使中国自行研制飞行模拟器。1969年，由空军某厂与地方高等院校、研究所联合研制成功J6飞机仪表飞行图2半实物仿真系统图3人在回路中仿真系统练习器，这是我国自行设计的第一台实用的仪表飞行训练器，能够非常真实地模拟歼6战机的仪表功能，具有很高的训练价值。随后于1999年研制出国内第一台实像式飞行模拟器。目前，我国飞行模拟技术得到了比较广泛的应用，研制单位及相关人才也在不断地增加，飞行模拟训练设备鉴定团队逐步组建和鉴定法规逐渐健全，飞行模拟技术得到了极大的发展，先后成功研制视景系统和六自由度运动系统等关键分系统，促进飞行模拟器的快速发展。2003年，北京蓝天航空科技公司研制的MA60全任务飞行模拟器获得国家中国民航局C级认证，MA60模拟器确定了具有自主知识产权的飞机飞行数据包。2020年，北京蓝天研发的第三代完全自主知识产权MA60系列飞机全动模拟器通过了中国民航总局CCAR-60部的D级认证。天津华翼蓝天主营航空模拟设备，已研制出十几种机型的飞行训练器、工程模拟设备和科普飞行体验设备。2019年，华翼蓝天自主研发的国产首台A320飞行模拟机通过中国民航局D级鉴定。该模拟机采用空客2.0版本数据包，配置空客驾驶舱硬件组件、泰雷兹航电设备、柯林斯EP8100视景计算机。穆格六自由度电动平台及操纵负荷系统、ASTI高保真声音系统。上海华模科技聚焦于民航最高端D级全任务飞行模拟器的研发和生产，涵盖FTD、MTD、IPT、CBT等多型航空训练模拟设备的研制。2020年，华模科技研发生产的A320-NEO/CEO全动飞行模拟器通过中国民用航空局D级认证，拥有完整自主知识产权。模拟器采用E2M全电动六自由度运动系统，座舱设备大量采用真机件。视景系统采用DLA-VS2300投影仪，配置EP8100视景计算机，可提供200°×45°视场角。北京摩诘专业从事模拟器及各分系统的研发、生产、销售。其研制的大负载六自由度电动运动平台，达到了国内领先水平。2020年引进了西班牙Indra研制的AS350直升机D级模拟机，视场角210°×80°，使用10通道WQXGALED投影仪，运动平台采用穆格14t全电平台。此外，航空工业集团各主机厂所也根据自身情况，先后开展自己设计的飞机、直升机训练模拟器的研制工作。

3．飞行仿真技术的发展趋势

飞行仿真涉及内容多、范围广、技术复杂，必须制定飞行仿真技术的标准化。随着飞行仿真技术的不断发展，仿真系统的规模越来越大，越来越复杂，新开发的仿真系统日益复杂，涉及技术和领域也更加广泛，飞行仿真标准与规范尤为重要。提升飞行器建模与复杂环境（自然环境和电磁环境）建模能力，提高仿真精度。无论是训练模拟系统，还是作战试验平台，都离不开各类不同精度的仿真模型，并且仿真模型在一定程度上决定了仿真系统的功能和性能，决定了系统的可用性和结果的可信度。飞行器建模涉及飞行器各分系统建模，包含飞行器气动建模、发动机建模、航空电子建模、飞行控制建模等核心部件建模。复杂环境包含地理地形、大气、空间等自然环境和电磁、光学等人为环境。复杂自然环境建模能力的提升依赖自然环境特征量的提取技术、多维数据场的动态建模技术、综合自然环境的多分辨率建模与模型压缩简化技术等多项技术的发展。复杂人为环境的建模能力的提升包含电磁源辐射建模与仿真、电磁环境效应建模与仿真、电磁场空间分布建模与可视化等技术的发展。推进基于分布式仿真的多平台、多领域飞行仿真技术发展。飞行仿真不仅承担着飞行训练任务，也担负着战术训练任务。飞行模拟器带来的军事效益和经济效益，促使各国将微电子、自动控制、人工智能、信息技术和虚拟现实等领域的最新技术充分应用到飞行模拟器中，进一步增强模拟的真实性。另外分布式仿真技术研究与应用使得分布在不同地方的各仿真系统可以扩展为综合任务训练系统，实现多兵力、多兵种协同作战训练，以及跨军种联合作战训练。飞行训练系统的重要趋势是促进各类训练模拟系统的综合集成、深化部队异地训练、联合训练，提升模拟训练的组织水平。促进飞行仿真在飞行器系统的全寿命和全方位方向发展。改变以往先有实体机再研制飞行模拟器的方式，将飞行模拟器的研制和使用与相应机型的论证、设计和生产同步进行，这样不仅可以在飞行模拟器上论证新技术和新设备的应用，还可以加快飞行员的训练，缩短新型飞行器的投入运营时间。

4．结语

飞行仿真技术是仿真技术、计算机技术、控制理论以及航空技术等多个领域结合的技术产物，是我国航空工业重点发展的核心技术之一。“十一五”规划以来，飞行器航空电子技术、飞行控制技术、发动机技术等各高科技产业迅速发展，同时对仿真对象的复杂性、实时性、真实性和交互性等要求不断提高。随着计算机技术和其他仿真辅助技术的发展，飞行仿真技术也向模块化、多设备协同方向发展；另外，随着各项高精尖技术的不断发展，未来飞行仿真技术向服务于系统的全寿命、全方位方向迅速发展。

作者：轩海彬 蔡伟健 汪洋 单位：中国直升机设计研究所