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飞行模拟历史与飞行模拟器的发展-Part I

自20世纪初发明飞行以来,个人、公司和政府一直都在致力于设计和开发安全、高效的飞行员训练手段,以便在他们独自飞行之前进行培训。当然,早期一些飞行员确实是在第一天就被直接放到驾驶舱里,在美国陆军上校F.P. Lahm的1909年日记中对此有详细记录:

“10月5日,机械师为我们建了一个小屋,开始安装设备,设置了起飞柱和赛道,Wilbur(指飞行之父威尔伯·莱特)对我们进行飞行培训。经过三个小时的双人培训后,我们就被允许试驾并进行了第一次独立飞行。几天后,我被认定有资格载客,并成功执行此任务。”

但是,随着飞行变得更加普遍,对于更好的训练飞行员在第一次世界大战中的需求迅速增长,飞行模拟器的概念也随之增加。

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什么是飞行模拟器?


飞行模拟器是一种设备,它试图复制飞行员在驾驶舱内可能遇到的真实条件、环境和情况。自100多年前诞生以来,用于飞行模拟的实际设备有了极大的发展。

飞行模拟器在第一次和第二次世界大战的推动下,从悬挂在绳索上的飞机发展到更像视频游戏的虚拟飞机,如今被军用飞行员、商业飞行员和游戏爱好者等广泛使用。

飞行模拟的演变
飞行模拟的演变可以追溯到上世纪20年代,最早的飞行模拟器是使用机械部件和运动平台来模拟飞行情境的“颤震仪”。随着电子技术的发展,摆脱了机械驱动,采用电气传动,控制能力增强、性能稳定,并采用实时计算机系统控制运动系统。

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20世纪50年代后期,电子技术和计算机技术的进步为飞行模拟带来了革命性的变化。目前的飞行模拟器采用计算机图形学技术和三维仿真软件,提供高保真度的视景系统和各种环境反馈,几乎完美地模拟了真实的飞行体验。而现在的VR虚拟现实技术更是将飞行模拟推向另一高峰。


除了模拟训练外,飞行模拟器还被广泛应用于新型飞机和航空器的研制测试中,在设计未决时,在华丽数字背景下大量打理可磨合反馈的信息,特别适合缩短研发周期及成本削减的需求。
人工飞行模拟器
最早的可以归类为模拟器的模拟飞行版本是粗略的设备。它们通常由稍加改动的飞机或附着在气球、高架装置或铁路货车上的飞机组成。不久,这些设备发展成为与地面相连的设备,但仍能够对空气动力学力量做出反应,例如建于1910年左右的桑德斯老师(Sanders Teacher)或捕获单翼飞机(Captive Monoplane)。

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其他设备专注于代表飞艇的俯仰和滚转。还有一些是在第一次世界大战需要飞行员训练时开发的,旨在测量训练飞行员的反应时间。

最终,设备得到了提升,教练员能够引入姿态干扰以模拟飞行员可能面临的困难风和天气条件。其中被广泛使用的是林克训练器(Link Trainer),由爱德温·林克(Edwin Link)在1927-1929年间研发,于1930年申请专利,并被宣传为“高效的航空培训辅助工具和新颖、有益的娱乐设备”。林克因此被誉为“模拟之父”。

模拟仪器飞行训练


正当这些设备变得越来越丰富时,“盲飞”或仪表训练被推动到了台前。一些新型教练机是在现有的运动教练机上构建而成的,例如Link Trainer,将其配备了假仪表。其他一些是为仪表飞行训练任务专门发明的无法拆卸的设备。

Link Trainer在20世纪30年代仍然是主导的飞行模拟器,被全球众多国家所购买。美国航空公司在1937年购买了第一架Link Trainer,成为第一个采购该产品的商业航空公司。

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电气和电子模拟飞行训练的发展


20世纪30年代后的电气和电子方法进一步发展。其中一种方法是在随机信号的基础上开发了白噪声发生器,以便更准确地对系统进行测试。另外,研构出小巧的计算机和查表伺服驱动系统,以及数码化和接口的引进等也都取得了发展。

Edwin Link还与P. Weems合作开发了天文导航训练器(CNT),以提高二战期间英国飞行员的天文导航能力。该设备能够容纳多名机组人员,并允许基于天空或地面的参考进行导航,如上方合成夜空中所见,或下方在白色屏幕上投射而成。

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20世纪40年代还出现了一个新的模拟器开发者:红控公司(后来改名为Redifon),该公司创造了C100 DF和Navigational Trainer等两种机组程序训练器(CPT)。这些CPT中的许多都配备了音效和视频投影机(epidiascope)。


飞行模拟器历史中的常见问题


军事、商业航空公司甚至一些热情洋溢的个人在飞行训练和处理飞行模拟器时面临的两个大问题也是如何有效和高效地培训飞行员。

有效的培训意味着设计和开发较高质量、较少时间消耗的方法,让新飞行员准备好进入驾驶舱独自飞行。为了进行有效的培训,飞行员必须在现实环境中接受培训,体验情况、条件和场景,这些情况几乎与他们成为驾驶舱中的人所经历的相匹配。

这些利益相关者面临的另一个问题是效率。虽然在飞行模拟的早期,设备相当原始,因此成本相对较低,但对于后来的模型(包括CNT),情况并非如此。CNT高13.7米,底部宽7.9米,需要放置在一个有空调的八面墙的建筑中。

由于空间和预算限制,模拟器的数量远远不足需要每天进行培训的飞行员数量。这意味着军队和航空公司的培训能力不够充分,只会延长他们完全培训一名飞行员所需的时间。

这是目前行业面临的两个重要的问题,也是有大增长和改进空间的地方。


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