導(dǎo)語：飛行仿真技術(shù)現(xiàn)況及展望一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

飛行仿真技術(shù)（FlightSimulation）是以系統(tǒng)技術(shù)、相似理論、控制理論、計算機技術(shù)、信息技術(shù)及飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用建立的飛行器各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和物理模型與飛行器部分實物結(jié)合，對飛行器進行動態(tài)試驗和研究的一門綜合性技術(shù)。目前該技術(shù)已成為飛行器前期論證和設(shè)計、后期加工、制造、測試、以及完成后的維護和使用過程中的故障排除等各個階段重要的技術(shù)手段，另外也成為飛行員訓(xùn)練重要工具。飛行仿真技術(shù)作為航空領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，受到航空界的高度重視，并取得了飛速發(fā)展。21世紀(jì)，我國軍用和民用航空事業(yè)蓬勃發(fā)展，為飛行仿真技術(shù)的發(fā)展提供了契機，亟須建立一個與我國航空工業(yè)發(fā)展規(guī)模和水平相適應(yīng)的飛行仿真產(chǎn)業(yè)。介紹國內(nèi)飛行仿真技術(shù)的類型和發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)了仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1.飛行仿真技術(shù)的分類

按照飛行仿真模型類型及其實現(xiàn)方式的不同，可以分為全數(shù)字仿真、半實物仿真和人在回路仿真三類。下面從這三類介紹飛行仿真技術(shù)。

1.1數(shù)字仿真

在計算機出現(xiàn)之前，仿真都是利用實物或物理模型進行行業(yè)曲線linkindustryAppraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.010可替代度影響力可實現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實度研究，例如風(fēng)洞試驗與模型飛行試驗等，由于物理試驗操作復(fù)雜、成本較高，并且存在一定程度的不可重復(fù)性，隨著計算機的發(fā)展和應(yīng)用，人們開始使用計算機進行仿真。數(shù)字仿真就是建立數(shù)學(xué)模型在計算機上反復(fù)進行的試驗，是利用編程建立飛行器的數(shù)學(xué)模型進行仿真計算。數(shù)字仿真無需做模擬環(huán)境的各種物理效應(yīng)設(shè)備，直接利用鍵盤等外部輸入設(shè)備改變系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過仿真計算后，將仿真結(jié)果輸出至外部顯示設(shè)備。數(shù)字仿真流程如圖1所示。數(shù)學(xué)仿真尤其適用于研究開發(fā)、方案論證和設(shè)計階段。

1.2半實物仿真

半實物仿真又被稱為含實物仿真，通過在仿真試驗系統(tǒng)的仿真回路中接入所研究系統(tǒng)的部分實物來實現(xiàn)仿真試驗?zāi)康摹０雽嵨锓抡嫦到y(tǒng)首先建立飛行器的動力學(xué)模型并布置在計算機上，然后將需測試的傳感器等物理設(shè)備通過以太網(wǎng)或總線的方式接入計算機，實現(xiàn)對需要測試的實物進行評估，半實物仿真必須實時運行。典型的半實物仿真如圖2所示一般可以分為下面幾個模塊：（1）仿真計算機，計算機上布置飛行器數(shù)學(xué)模型和計算程序；（2）環(huán)境模擬設(shè)備，包含運動設(shè)備、視景設(shè)備等；（3）被測實物，可以是飛行器的航空電子設(shè)備，也可以是飛行控制設(shè)備等。

1.3人在回路仿真

人在回路中的仿真是一種操作人員或飛行員在系統(tǒng)回路中進行操縱的仿真試驗。人在回路中仿真仍然通過建立的數(shù)學(xué)模型在計算機上進行，但是要求有相應(yīng)的形成人感覺環(huán)境的各種物理效應(yīng)設(shè)備，如圖3所示。這種仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對飛行器性能、操作人員、或整個人-機系統(tǒng)的評價。與半實物仿真系統(tǒng)相同，必須實時運行系統(tǒng)。

2.飛行仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1數(shù)字仿真

我國在數(shù)字仿真技術(shù)上起步較晚，但是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字仿真迅速發(fā)展，取得了卓越進步，航空領(lǐng)域作為我國致力發(fā)展的重要領(lǐng)域，數(shù)字仿真機從產(chǎn)生就一直被應(yīng)用于軍事方面的仿真研究。1982年，我國在“數(shù)字仿真計算機方案審定會”制定了中國全數(shù)字仿真計算機的研制方案。1985年，成功研制中國第一臺全數(shù)字仿真計算機系統(tǒng)銀河仿真I型機系統(tǒng)（YH-F1），但是銀河仿真I型機存在浮點運算的局限性，精度還有待提高。為了解決這些問題，升級了算法，研制了全數(shù)字仿真計算機系統(tǒng)-銀河仿真Ⅱ型機系統(tǒng)（YH-F2），1995年YH-F2通過國家鑒定，在火箭、導(dǎo)彈等飛行器的研制中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于Alpha高性能處理器和OpenVMS操作系統(tǒng)的YHSSC仿真系統(tǒng)在1996年問世。隨后在2002年，基于Intel平臺和WindowsNT系統(tǒng)的實時仿真平臺YH-Star通過國家鑒定。小型機和微型處理器的迅速普及，為全數(shù)字仿真提供了良好的發(fā)展環(huán)境，大量科研或工程人員參與到全數(shù)字仿真建設(shè)中。為了實現(xiàn)特定目的的全數(shù)字仿真，這些學(xué)者和工程人員開發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域的仿真語言和軟件工具。隨著云計算概念的發(fā)展，2012年航天二院建設(shè)了基于云平臺的COMSIM-CSP仿真平臺。國內(nèi)高校為全數(shù)字仿真平臺做出了突出貢獻，北京航空航天大學(xué)成功建設(shè)SO-SMA仿真網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。國防科技大學(xué)的StarLink采用層次式RTI體系架構(gòu)，可以將不同仿真模塊接入仿真系統(tǒng)中。中國科技大學(xué)2018年發(fā)布了11比特的云接入超導(dǎo)量子計算服務(wù)，用戶可以自行上傳或編寫量子程序，下載程序運行結(jié)果。量子計算機卓越的計算性能將會在很大程度上帶動全數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展。全數(shù)字仿真可以貫穿于裝備論證、研發(fā)、試驗鑒定和戰(zhàn)法推演等各個進程。目前全數(shù)字的應(yīng)用可以分為工程級、武器級、任務(wù)級和作戰(zhàn)級四個層次的全數(shù)字仿真試驗系統(tǒng)。然而，隨著飛行器的硬件規(guī)模和軟件代碼越來越復(fù)雜，各個子系統(tǒng)之間的交互隨之增加，一些子系統(tǒng)的物理設(shè)備難以實現(xiàn)數(shù)學(xué)建模。為了實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，也為了提高仿真精度，對于沒有規(guī)律、難以建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)采用實物的方式實現(xiàn)。不僅解決建模的難題，使得仿真環(huán)境更接近真實的試驗環(huán)境，提高仿真結(jié)果的可信度。

2.2半實物仿真

與西方發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)半實物仿真技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)50年代末才進行半實物仿真試驗研究。半實物仿真試驗最早應(yīng)用在飛行器的飛行控制系統(tǒng)研究上，自行研制了三軸轉(zhuǎn)臺等仿真設(shè)備。隨著半實物仿真技術(shù)的成熟，國內(nèi)逐漸開始使用半實物仿真試驗設(shè)備進行試驗，同時也促進了半實物仿真技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代中后期至今，各種新型號武器裝備研制對于半實物仿真技術(shù)的發(fā)展需求更為迫切。半實物仿真技術(shù)的研究得到了快速發(fā)展。各固定翼和旋翼主機廠所和導(dǎo)彈研發(fā)基地也建立了半實物仿真環(huán)境（又稱鐵鳥試驗臺），用于進行飛行器各子系統(tǒng)的全尺寸實物綜合實驗，特別是驗證飛行控制系統(tǒng)性能是否滿足規(guī)范要求。20世紀(jì)90年代開始，我國開展了半實物的分布式交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進的仿真技術(shù)及其應(yīng)用的研究。國內(nèi)很多研究所和高校都對半實物仿真技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻，隨著微電子、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、制造技術(shù)的發(fā)展，半實物仿真技術(shù)的發(fā)展已得到了長足的發(fā)展。我國自行研制的一些半實物仿真系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到世界前列。目前半實物仿真技術(shù)已成功與外場試驗相結(jié)合，完成了飛行器性能評估、鑒定研究等工作。

2.3人在回路中的仿真

飛行模擬器是典型的人在回路仿真系統(tǒng)，按用途可以分為兩類：一類用于工程設(shè)計和研究。在新型飛機或系統(tǒng)的研制以及進行某項專項研究時，通過優(yōu)化調(diào)整關(guān)鍵系統(tǒng)的參數(shù)，得到最佳分配效果，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。另一類用于飛行訓(xùn)練，在對飛行人員進行新機種駕駛技術(shù)和技術(shù)保持訓(xùn)練方面。具有極高的安全性和經(jīng)濟性。我國飛行模擬技術(shù)研究起步較晚，從20世紀(jì)50年代至今，歷經(jīng)從國外引進、自行研制、快速發(fā)展三個階段。我國早期的飛行模擬器主要靠引進，如三自由度氣動式訓(xùn)練器TA-1·及固定式米格型訓(xùn)練器都是從蘇聯(lián)引進。長期的技術(shù)壟斷迫使中國自行研制飛行模擬器。1969年，由空軍某廠與地方高等院校、研究所聯(lián)合研制成功J6飛機儀表飛行圖2半實物仿真系統(tǒng)圖3人在回路中仿真系統(tǒng)練習(xí)器，這是我國自行設(shè)計的第一臺實用的儀表飛行訓(xùn)練器，能夠非常真實地模擬殲6戰(zhàn)機的儀表功能，具有很高的訓(xùn)練價值。隨后于1999年研制出國內(nèi)第一臺實像式飛行模擬器。目前，我國飛行模擬技術(shù)得到了比較廣泛的應(yīng)用，研制單位及相關(guān)人才也在不斷地增加，飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備鑒定團隊逐步組建和鑒定法規(guī)逐漸健全，飛行模擬技術(shù)得到了極大的發(fā)展，先后成功研制視景系統(tǒng)和六自由度運動系統(tǒng)等關(guān)鍵分系統(tǒng)，促進飛行模擬器的快速發(fā)展。2003年，北京藍(lán)天航空科技公司研制的MA60全任務(wù)飛行模擬器獲得國家中國民航局C級認(rèn)證，MA60模擬器確定了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機飛行數(shù)據(jù)包。2020年，北京藍(lán)天研發(fā)的第三代完全自主知識產(chǎn)權(quán)MA60系列飛機全動模擬器通過了中國民航總局CCAR-60部的D級認(rèn)證。天津華翼藍(lán)天主營航空模擬設(shè)備，已研制出十幾種機型的飛行訓(xùn)練器、工程模擬設(shè)備和科普飛行體驗設(shè)備。2019年，華翼藍(lán)天自主研發(fā)的國產(chǎn)首臺A320飛行模擬機通過中國民航局D級鑒定。該模擬機采用空客2.0版本數(shù)據(jù)包，配置空客駕駛艙硬件組件、泰雷茲航電設(shè)備、柯林斯EP8100視景計算機。穆格六自由度電動平臺及操縱負(fù)荷系統(tǒng)、ASTI高保真聲音系統(tǒng)。上海華?？萍季劢褂诿窈阶罡叨薉級全任務(wù)飛行模擬器的研發(fā)和生產(chǎn)，涵蓋FTD、MTD、IPT、CBT等多型航空訓(xùn)練模擬設(shè)備的研制。2020年，華?？萍佳邪l(fā)生產(chǎn)的A320-NEO/CEO全動飛行模擬器通過中國民用航空局D級認(rèn)證，擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)。模擬器采用E2M全電動六自由度運動系統(tǒng)，座艙設(shè)備大量采用真機件。視景系統(tǒng)采用DLA-VS2300投影儀，配置EP8100視景計算機，可提供200°×45°視場角。北京摩詰專業(yè)從事模擬器及各分系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售。其研制的大負(fù)載六自由度電動運動平臺，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。2020年引進了西班牙Indra研制的AS350直升機D級模擬機，視場角210°×80°，使用10通道WQXGALED投影儀，運動平臺采用穆格14t全電平臺。此外，航空工業(yè)集團各主機廠所也根據(jù)自身情況，先后開展自己設(shè)計的飛機、直升機訓(xùn)練模擬器的研制工作。

3．飛行仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢

飛行仿真涉及內(nèi)容多、范圍廣、技術(shù)復(fù)雜，必須制定飛行仿真技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。隨著飛行仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，越來越復(fù)雜，新開發(fā)的仿真系統(tǒng)日益復(fù)雜，涉及技術(shù)和領(lǐng)域也更加廣泛，飛行仿真標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范尤為重要。提升飛行器建模與復(fù)雜環(huán)境（自然環(huán)境和電磁環(huán)境）建模能力，提高仿真精度。無論是訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，還是作戰(zhàn)試驗平臺，都離不開各類不同精度的仿真模型，并且仿真模型在一定程度上決定了仿真系統(tǒng)的功能和性能，決定了系統(tǒng)的可用性和結(jié)果的可信度。飛行器建模涉及飛行器各分系統(tǒng)建模，包含飛行器氣動建模、發(fā)動機建模、航空電子建模、飛行控制建模等核心部件建模。復(fù)雜環(huán)境包含地理地形、大氣、空間等自然環(huán)境和電磁、光學(xué)等人為環(huán)境。復(fù)雜自然環(huán)境建模能力的提升依賴自然環(huán)境特征量的提取技術(shù)、多維數(shù)據(jù)場的動態(tài)建模技術(shù)、綜合自然環(huán)境的多分辨率建模與模型壓縮簡化技術(shù)等多項技術(shù)的發(fā)展。復(fù)雜人為環(huán)境的建模能力的提升包含電磁源輻射建模與仿真、電磁環(huán)境效應(yīng)建模與仿真、電磁場空間分布建模與可視化等技術(shù)的發(fā)展。推進基于分布式仿真的多平臺、多領(lǐng)域飛行仿真技術(shù)發(fā)展。飛行仿真不僅承擔(dān)著飛行訓(xùn)練任務(wù)，也擔(dān)負(fù)著戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練任務(wù)。飛行模擬器帶來的軍事效益和經(jīng)濟效益，促使各國將微電子、自動控制、人工智能、信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的最新技術(shù)充分應(yīng)用到飛行模擬器中，進一步增強模擬的真實性。另外分布式仿真技術(shù)研究與應(yīng)用使得分布在不同地方的各仿真系統(tǒng)可以擴展為綜合任務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)多兵力、多兵種協(xié)同作戰(zhàn)訓(xùn)練，以及跨軍種聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練。飛行訓(xùn)練系統(tǒng)的重要趨勢是促進各類訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的綜合集成、深化部隊異地訓(xùn)練、聯(lián)合訓(xùn)練，提升模擬訓(xùn)練的組織水平。促進飛行仿真在飛行器系統(tǒng)的全壽命和全方位方向發(fā)展。改變以往先有實體機再研制飛行模擬器的方式，將飛行模擬器的研制和使用與相應(yīng)機型的論證、設(shè)計和生產(chǎn)同步進行，這樣不僅可以在飛行模擬器上論證新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用，還可以加快飛行員的訓(xùn)練，縮短新型飛行器的投入運營時間。

4．結(jié)語

飛行仿真技術(shù)是仿真技術(shù)、計算機技術(shù)、控制理論以及航空技術(shù)等多個領(lǐng)域結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)物，是我國航空工業(yè)重點發(fā)展的核心技術(shù)之一。“十一五”規(guī)劃以來，飛行器航空電子技術(shù)、飛行控制技術(shù)、發(fā)動機技術(shù)等各高科技產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，同時對仿真對象的復(fù)雜性、實時性、真實性和交互性等要求不斷提高。隨著計算機技術(shù)和其他仿真輔助技術(shù)的發(fā)展，飛行仿真技術(shù)也向模塊化、多設(shè)備協(xié)同方向發(fā)展；另外，隨著各項高精尖技術(shù)的不斷發(fā)展，未來飛行仿真技術(shù)向服務(wù)于系統(tǒng)的全壽命、全方位方向迅速發(fā)展。

作者：軒海彬 蔡偉健 汪洋 單位：中國直升機設(shè)計研究所