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飛行仿真技術（FlightSimulation）是以系統技術、相似理論、控制理論、計算機技術、信息技術及飛行器應用領域的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用建立的飛行器各分系統數學模型和物理模型與飛行器部分實物結合，對飛行器進行動態試驗和研究的一門綜合性技術。目前該技術已成為飛行器前期論證和設計、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手段，另外也成為飛行員訓練重要工具。飛行仿真技術作為航空領域的一項重要技術，受到航空界的高度重視，并取得了飛速發展。21世紀，我國軍用和民用航空事業蓬勃發展，為飛行仿真技術的發展提供了契機，亟須建立一個與我國航空工業發展規模和水平相適應的飛行仿真產業。介紹國內飛行仿真技術的類型和發展現狀，并總結了仿真技術的發展趨勢。

1.飛行仿真技術的分類

按照飛行仿真模型類型及其實現方式的不同，可以分為全數字仿真、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。

1.1數字仿真

在計算機出現之前，仿真都是利用實物或物理模型進行行業曲線linkindustryAppraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.010可替代度影響力可實現度行業關聯度真實度研究，例如風洞試驗與模型飛行試驗等，由于物理試驗操作復雜、成本較高，并且存在一定程度的不可重復性，隨著計算機的發展和應用，人們開始使用計算機進行仿真。數字仿真就是建立數學模型在計算機上反復進行的試驗，是利用編程建立飛行器的數學模型進行仿真計算。數字仿真無需做模擬環境的各種物理效應設備，直接利用鍵盤等外部輸入設備改變系統參數，經過仿真計算后，將仿真結果輸出至外部顯示設備。數字仿真流程如圖1所示。數學仿真尤其適用于研究開發、方案論證和設計階段。

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的仿真回路中接入所研究系統的部分實物來實現仿真試驗目的。半實物仿真系統首先建立飛行器的動力學模型并布置在計算機上，然后將需測試的傳感器等物理設備通過以太網或總線的方式接入計算機，實現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學模型和計算程序；（2）環境模擬設備，包含運動設備、視景設備等；（3）被測實物，可以是飛行器的航空電子設備，也可以是飛行控制設備等。

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學模型在計算機上進行，但是要求有相應的形成人感覺環境的各種物理效應設備，如圖3所示。這種仿真系統可以實現對飛行器性能、操作人員、或整個人-機系統的評價。與半實物仿真系統相同，必須實時運行系統。

2.飛行仿真技術的發展現狀

2.1數字仿真

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

2.2半實物仿真

與西方發達國家相比，國內半實物仿真技術起步較晚，20世紀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用在飛行器的飛行控制系統研究上，自行研制了三軸轉臺等仿真設備。隨著半實物仿真技術的成熟，國內逐漸開始使用半實物仿真試驗設備進行試驗，同時也促進了半實物仿真技術的發展。20世紀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的發展需求更為迫切。半實物仿真技術的研究得到了快速發展。各固定翼和旋翼主機廠所和導彈研發基地也建立了半實物仿真環境（又稱鐵鳥試驗臺），用于進行飛行器各子系統的全尺寸實物綜合實驗，特別是驗證飛行控制系統性能是否滿足規范要求。20世紀90年代開始，我國開展了半實物的分布式交互仿真、虛擬現實等先進的仿真技術及其應用的研究。國內很多研究所和高校都對半實物仿真技術的發展做出了突出貢獻，隨著微電子、信息技術、計算機技術、制造技術的發展，半實物仿真技術的發展已得到了長足的發展。我國自行研制的一些半實物仿真系統已經達到世界前列。目前半實物仿真技術已成功與外場試驗相結合，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，按用途可以分為兩類：一類用于工程設計和研究。在新型飛機或系統的研制以及進行某項專項研究時，通過優化調整關鍵系統的參數，得到最佳分配效果，實現系統最優。另一類用于飛行訓練，在對飛行人員進行新機種駕駛技術和技術保持訓練方面。具有極高的安全性和經濟性。我國飛行模擬技術研究起步較晚，從20世紀50年代至今，歷經從國外引進、自行研制、快速發展三個階段。我國早期的飛行模擬器主要靠引進，如三自由度氣動式訓練器TA-1·及固定式米格型訓練器都是從蘇聯引進。長期的技術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、研究所聯合研制成功J6飛機儀表飛行圖2半實物仿真系統圖3人在回路中仿真系統練習器，這是我國自行設計的第一臺實用的儀表飛行訓練器，能夠非常真實地模擬殲6戰機的儀表功能，具有很高的訓練價值。隨后于1999年研制出國內第一臺實像式飛行模擬器。目前，我國飛行模擬技術得到了比較廣泛的應用，研制單位及相關人才也在不斷地增加，飛行模擬訓練設備鑒定團隊逐步組建和鑒定法規逐漸健全，飛行模擬技術得到了極大的發展，先后成功研制視景系統和六自由度運動系統等關鍵分系統，促進飛行模擬器的快速發展。2003年，北京藍天航空科技公司研制的MA60全任務飛行模擬器獲得國家中國民航局C級認證，MA60模擬器確定了具有自主知識產權的飛機飛行數據包。2020年，北京藍天研發的第三代完全自主知識產權MA60系列飛機全動模擬器通過了中國民航總局CCAR-60部的D級認證。天津華翼藍天主營航空模擬設備，已研制出十幾種機型的飛行訓練器、工程模擬設備和科普飛行體驗設備。2019年，華翼藍天自主研發的國產首臺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版本數據包，配置空客駕駛艙硬件組件、泰雷茲航電設備、柯林斯EP8100視景計算機。穆格六自由度電動平臺及操縱負荷系統、ASTI高保真聲音系統。上海華模科技聚焦于民航最高端D級全任務飛行模擬器的研發和生產，涵蓋FTD、MTD、IPT、CBT等多型航空訓練模擬設備的研制。2020年，華模科技研發生產的A320-NEO/CEO全動飛行模擬器通過中國民用航空局D級認證，擁有完整自主知識產權。模擬器采用E2M全電動六自由度運動系統，座艙設備大量采用真機件。視景系統采用DLA-VS2300投影儀，配置EP8100視景計算機，可提供200°×45°視場角。北京摩詰專業從事模擬器及各分系統的研發、生產、銷售。其研制的大負載六自由度電動運動平臺，達到了國內領先水平。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，航空工業集團各主機廠所也根據自身情況，先后開展自己設計的飛機、直升機訓練模擬器的研制工作。

3．飛行仿真技術的發展趨勢

飛行仿真涉及內容多、范圍廣、技術復雜，必須制定飛行仿真技術的標準化。隨著飛行仿真技術的不斷發展，仿真系統的規模越來越大，越來越復雜，新開發的仿真系統日益復雜，涉及技術和領域也更加廣泛，飛行仿真標準與規范尤為重要。提升飛行器建模與復雜環境（自然環境和電磁環境）建模能力，提高仿真精度。無論是訓練模擬系統，還是作戰試驗平臺，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的功能和性能，決定了系統的可用性和結果的可信度。飛行器建模涉及飛行器各分系統建模，包含飛行器氣動建模、發動機建模、航空電子建模、飛行控制建模等核心部件建模。復雜環境包含地理地形、大氣、空間等自然環境和電磁、光學等人為環境。復雜自然環境建模能力的提升依賴自然環境特征量的提取技術、多維數據場的動態建模技術、綜合自然環境的多分辨率建模與模型壓縮簡化技術等多項技術的發展。復雜人為環境的建模能力的提升包含電磁源輻射建模與仿真、電磁環境效應建模與仿真、電磁場空間分布建模與可視化等技術的發展。推進基于分布式仿真的多平臺、多領域飛行仿真技術發展。飛行仿真不僅承擔著飛行訓練任務，也擔負著戰術訓練任務。飛行模擬器帶來的軍事效益和經濟效益，促使各國將微電子、自動控制、人工智能、信息技術和虛擬現實等領域的最新技術充分應用到飛行模擬器中，進一步增強模擬的真實性。另外分布式仿真技術研究與應用使得分布在不同地方的各仿真系統可以擴展為綜合任務訓練系統，實現多兵力、多兵種協同作戰訓練，以及跨軍種聯合作戰訓練。飛行訓練系統的重要趨勢是促進各類訓練模擬系統的綜合集成、深化部隊異地訓練、聯合訓練，提升模擬訓練的組織水平。促進飛行仿真在飛行器系統的全壽命和全方位方向發展。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機型的論證、設計和生產同步進行，這樣不僅可以在飛行模擬器上論證新技術和新設備的應用，還可以加快飛行員的訓練，縮短新型飛行器的投入運營時間。

4．結語

飛行仿真技術是仿真技術、計算機技術、控制理論以及航空技術等多個領域結合的技術產物，是我國航空工業重點發展的核心技術之一。“十一五”規劃以來，飛行器航空電子技術、飛行控制技術、發動機技術等各高科技產業迅速發展，同時對仿真對象的復雜性、實時性、真實性和交互性等要求不斷提高。隨著計算機技術和其他仿真輔助技術的發展，飛行仿真技術也向模塊化、多設備協同方向發展；另外，隨著各項高精尖技術的不斷發展，未來飛行仿真技術向服務于系統的全壽命、全方位方向迅速發展。

作者：軒海彬 蔡偉健 汪洋 單位：中國直升機設計研究所