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美军F-35战斗机飞行模拟器系统的发展趋势分析

在20世纪20年代后期,美国人艾德温·林克(Edwin Link)发现了一款从外貌看像玩具的地面简略单纯练习器,将木制短机翼和机身安装万向节上,低落了飞行练习的资源,直到1934年才被外界正视,由美陆军航空勤务队采购了6台,单价3500美元。到第二次天下大年夜战时, 林克练习器成为了美国和盟国每所航校的标准设置设备摆设,累计临盆了不少于1万台,每台临盆光阴只必要45分钟。

在20世纪50年代早期,英国雷迪丰公司(Redifon,后泰雷兹练习与仿真公司,2012年8月夷易近用固定翼飞机模拟器营业被美国L3技巧公司旗下的英国L3林克仿真与练习公司收购)为“彗星”1客机开拓了一种没有视景和运动平台,但能有效模拟仪表飞行的模拟器。在20世纪60年代,徐徐将视景、声音和多自由度运动平台融入飞行仿真系统。只管在20世纪70年代,夷易近用航空监管机构提出了飞行仿真系统的标准化要求,然则军用模拟器一样平常不受这些节制,更方向于用户的实际需求。飞行仿真不停是虚拟练习技巧紧张组成。当前, 军用飞行模拟器作为真实、虚拟和构造(LVC) 技巧的紧张组成部分获得了更广泛的利用,节省大年夜量的资源,前进了地面练习效果。同时, 为了可以满意体系抗衡所必要的更繁杂、更真实的练习场景,军用模拟器也徐徐往标准化偏向成长。

范例飞行模拟器系统简介

范例的飞行模拟器包孕三个基础组成部分:

——驾驶舱系统(包括仪器、设备、面板和操纵装配)。

——视景系统。该系统抉择了模拟器内机组职员的不雅看要领和内容。今朝模拟器基础已采纳了可跨平台应用的通用视景系统。显示器可所以平板、圆顶、部分圆顶,完全自适应视觉情况(Complete Adaptive Visual Environment,CAVE) 等;有的显示器还可所以头戴式或头盔式的。模拟器的逼真度部分取决于视景系统的视场(field-of-view,FoV)、分辨率、屏幕纹理和图像天生器的更新率。正确的数据库有助于沉浸效果。

——运动平台。该系统让机组职员拥有与实际平台上相同的运动感到。今朝,更重视义务练习的部分军用模拟器上已经不应用运动平台了。对照常见的是在三或六个自由度运动平台。六自由度运动平台平日用于作战飞行练习器和全义务模拟器。运动提示装配如运动座椅供给小的运动提示,如振动和微小运动、安然带收紧和小加速率。这类座椅平日用于直升机模拟器。过载提示座椅在战争机模拟器中供给强大年夜的运动提示,主要用于垂直偏向加速率提示。学员在这种模拟器中练习时,必要穿抗荷服。这些座椅可以模拟抗荷服压力、“座椅”压力、安然带收紧、纵向加速率和头部/头盔负荷等模拟。

模拟器的选择取决于参训职员的类型和练习义务。飞行仿真系统的范围涵盖从基于PC机的法度榜样模拟器到全义务模拟器。范例的模拟器分类有:

——驾驶舱法度榜样练习器。这类模拟器平日是基于PC机,用于学员认识驾驶舱,并向其先容飞机各系统和航空电子设备;支持学员演习基础的驾驶舱法度榜样。

——子义务练习器。这类练习器专门用于整体练习义务中的子义务练习。例如电子战练习器或运输机装载职员练习器。

——作战飞行练习器(OperaTIonal Flight Trainer,OFT)。飞行练习装配一样平常用于飞行练习, 而不是战术或武器练习。OFT平日拥有运动平台, 可支持真实的仪器飞行练习。

——武器系统练习器(Weapons Systems Trainers,WST)/武器战术练习器(Weapons TacTIcs Trainers,WTT)/后舱练习器(Rear Cabin Trainers,RCT)。这类练习器平日拥有繁杂地形数据库、宽视场、高分辨率的视觉系统以及高谋略能力。其广泛用于练习空面作战、反潜作战或ISR飞机的飞行员、传感器操作员和机载战术官。

——作战飞行与战术练习器。这类练习器比作战飞行练习器的能力更强,但在武器练习方面不如武器系统练习器或义务仿真器/全义务模拟器。其也可以被称为战术作战飞行练习器(TacTIcal OperaTIonal Flight Trainer,TOFT)。

——全义务/作战义务模拟器。这类模拟器用来开展全要素的义务练习,并结合OFT/ TOFT和WST/WTT/RCT的功能。

视景系统在沉浸程度方面起着至关紧张的感化。视觉系统包括图像天生、情况数据库和显示系统。图像天生法度榜样存储图像数据来创建合成图像,模拟视窗外的场景或传感器系统(如雷达或电光系统,包括前视红外、微光电视和夜视护目镜)的输出。这类图像包括2D和3D元素,平日被称为谋略机天生图像(Computer-generated Imagery,CGI)或谋略机图像天生(computer image generation,CIG)。数据库创建历程包括获取原始数据源并将其合成以便由图像天生器处置惩罚。精准的数据库创建对付增强真实感和沉浸感起着关键感化。2016年,数据库系统标准化实现重大年夜冲破,即开放地舆空间同盟(Open Geospatial Consortium,OGC)赞许了通用数据库(Common Database,CDB)标准。

举世领先的F-35战争机模拟器

美军对F-35的仿真练习能力提了严格的要求,一方面缘故原由是F-35作为第五代战争机,其先辈能力(包括传感器和航空电子设备)不能在真实情况下开展充分的验证;另一方面F-35是一种在低落资源后仍旧高达8000万美元的单座机,用实装练习的资源极其昂贵。

F-35 全义务仿真器

为此, 洛马公司为F-35研发了全义务仿真器(Full Mission Simulators,FMS),价格应该已经下降到小于1200万美元。FMS的交授予实装维持同步,第一台FMS于2011年交付埃格林空军基地。所有义务类型均可在FMS长进行仿真练习,包括模拟电子滋扰和模拟机载武器对放空导弹阵地的进击效果。电子滋扰的模拟弗成能在传统模拟器中实现。另一方面,F-35模拟器可使飞行员在实战或者实习前能够安然、廉价地练习电子战义务。F-35约45%至55%的初始资格练习(IQT)是在模拟器长进行的。为了实现这一目标,洛马公司在险些所有F-35驻地都支配了FMS。

F-35模拟器显着不合于传统的战争机模拟器。传统的模拟器应用代码仿照实际的飞机,而F-35的FMS则应用实际作战飞行法度榜样(Operational Flight Program,OFP) 来实现这一点。这也使F-35模拟器能与实装义务系统同步进级。

大年夜部分F-35的FMS不安装运动平台, 除了位于英国沃顿的F-35舰载机模拟器安装了六自由度运动平台。该举措措施已广泛利用于“伊丽莎白女王”级航母的短距起飞和垂直着陆(S h o r t Ta k e - off and Vertical L a n d i n g s,STOVL)练习和短距着陆(Ship-borne Rolling V e r t i c a l L a n d i n g s,SRVL) 练习,SRVL对着陆姿态要求高,这可能是F-35QEC用运平台的缘故原由之一。

F-35 的“伊丽莎白女王”级航母练习举措措施

FMS采纳高保真360°球幕视景和散播式投影机,并且视景系统可以与头盔显示器结合,为学员供给了周全的态势感知。美国柯林斯航宇系统公司为模拟器供给了视景系统,包括EP-80图像天生器,可确保所有视频信道的100%同步,由此实现在图像在通道界限上没有显着的伪影;“鹰狮”(Griffin)球幕投影采纳丙烯酸材料,不会分散视觉效果。它可以同时运行多达25个窗口和7个传感器通道;WholeEarth合成情况的数据库支持在世界任何地方进行模拟飞行,并支持用户创建自己的要素;SimEye SX50TⅡ头盔显示器(Helmet Mounted Display,HMD) 模拟了F-35飞行头盔的视觉效果。该头盔显示器与集成在“鹰狮”圆顶上的头盔跟踪系统相连。

电驱动的运动平台

此外,美军也对散播式仿真练习有需求。2018年3月,洛马公司收到一份总额为850万美元的条约,为F-35开拓散播式义务练习(Distributed Mission Training,DMT)。该技巧目标实现F-35飞行员能够与异地支配的其他战争机、加油机和侦探机一路开展飞行练习。将进一步把现有的支持4台模拟器协同练习前进到支持12台模拟器协同练习的能力。DMT估计将在2021年前在举世范围内推广利用。

英国F-35B 采纳的“舰上滑行垂直着陆”(SRVL) 降低模式更类似于在美海军航母着舰的姿态,但不用拦阻索。飞机鄙人滑中始终维持必然的飞行速率,靠机翼孕育发生部分升力,前进着舰重量。传统垂直着舰模式必要飞机由平飞改为悬停后移动到甲板上方完成垂直着舰

飞行模拟器系统的成长趋势

1.模拟器体系布局标准化

航空兵部队对虚拟现实和模拟器都寄予厚望,盼望其能高效的实现练习目标。自林克练习器问世以来,飞行仿真技巧获得了显明成长, 已经从种种飞机定制化练习器向着体系架构的标准化转变。可随地支配的模拟器也越来越受部队的迎接,并要求模拟用具备能够在多个地点进行互操作的能力。这些模拟器使职员能够在驻地进行练习,从而前进练习机动性和效率, 并节省将职员输送到练习固定举措措施的光阴和资源。

美空军在模拟器体系布局的标准化方面对照领先,其“模拟器通用体系布局需求与标准”(Simulator Common Architecture Requirements and Standards,SCARS) 的主条约估计将在2019财年赋予,此中包括一份代价约为2~3亿美元的五年期根基条约, 别的还有五个一年期条约,总代价可能达到9亿美元。SCARS计划将前进收集弹性和相应能力,并将美国空军模拟器的全寿命周期资源降到最低。SCARS计划将经由过程每年宣布通用标准,使美国空军练习系统按照体系化、系列化成长。

美空军可能已经在多个主要司令部安装了2380多个模拟器和练习设备。这些设备是在以前几十年中慢慢采办的,每个设备的采办都是为了满意特定平台的个体作战练习需求,而不是根据从体系化成长的需求策略。跟着设备应用年限的增添,对掩护和进级办事的需求也在增添。从经久来看,SCARS将使快速简单的进级成为可能,有助于低落设备的全寿命期掩护资源。这可以为其他盟国供给一个模式,匆匆进部队与盟国之间的协同练习。

2.练习体系的虚实结合

真实、虚拟和构造(LVC)是飞行仿真成长的一个紧张趋势。这三个领域的最佳交融异常紧张,由于它可以在现实情况中供给繁杂的场景,这对付集体练习更为有效。LVC还将有助于实现部队和盟国之间的互操作性。LVC的目标是供给高度沉浸式的练习,让介入者无法辨别实况、虚拟和构造实体之间的差异。合成(虚拟+构造)情况在很大年夜程度上加强了义务实习。虚拟数据库越正确,练习效率越高。使用它们不仅能够实现机组职员可在未知或不认识的情况中履行义务,而且使他们能够在不必在真实靶场支配的环境下履行义务。开放式数据库体系布局有助于快速更新,并支持相关的散播式义务练习。

美国诺格公司在LVC领域有必然的根基,在其开拓的散播式义务作战收集(DMON) 的根基上, 开拓了LVC实验、集成与作战行动套件(LVC Experimentation, I n t e g r a t i o n , a n d O p e r a t i o n s Suite,LEXIOS),可以将异地的模拟器(如RC-135侦探机的模拟器) 接入LVC练习情况,将数据经过数据链路和无线传输到联合实习靶场的真实飞机上。

小结

抗衡体系化。仿真不停是军事飞行练习计划的主要内容,未来的计划将继承把更多的练习义务转移到合成情况中。无论是从军方用户的关注角度,照样从工业部门的技巧成长角度看,采纳LVC技巧的虚实结合场景都是飞行仿真领域的一个重点成长偏向。

产品标准化。模拟器作为LVC的症构造成, 其体系布局的标准化能匆匆进LVC技巧的成长。美国作为飞行仿真的巨子之一,其飞行仿真徐徐从专有系统转向开放式体系布局,对标准化的需求进一步增添。美空军的SCARS计划也即将获得大年夜量资金的支持。

效果然实化。F-35的FMS首次应用了与实装同步的作战飞行法度榜样(OFP),这使F-35模拟器能与实装义务系统同步进级,也增强了地面练习的真实性和效果。FMS中也集成了用于电子战练习的能力;其多通道视景系统的沉浸感也异常好,分辨率高,没有眩晕感并且与听觉提示维持优越的同步。

效费比最优化。跟着高保真模拟器练习的比重增长,模拟器的订货量也变大年夜了。以F-35的FMS为例,其供应商体系繁杂,有跨越190架的供应商组成。然则FMS的订货量持续增长,供应链稳定后其资源徐徐下降,2019年8月份单台价格1200万美元,后续应用3D打印等的新技巧后有望低落到900万美元。

责任编辑;zl

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