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飞航模拟技术与运用耿骅 / 民航局数据源：Aircraft interiors international2007年 3月号模拟的概念建立在三个基础上：系统、模型与运算处理将自然或人为的各种复杂“系统”依据物理定律“模型”化后，透过对模型输入、输出的“运算处理”，再对系统进行操作、试验或重现的过程，就称为模拟前言飞航仿真是一门复杂的系统整合工程，它结合了空气动力、物理、机械、光学、电子、信息科学甚至人因工程等为一体，将飞航情况在地面作出逼真的模拟在民航界，飞航模拟机主要为训练及考验飞航组员之用，可提供比真飞机更复杂及高真实度之环境模拟，以提高训练效率、降低操作成本与课目风险惟模拟机的造价并不便宜，以全动式模拟机（FFS，Full Flight Simulator）为例，每台平均造价约在 1500 万美金左右，需要 100 名左右工程师，耗费 24 个月方能完成，如果摊提折旧与库存零件，每小时使用成本约在 300 至 1200 美金之间自 1929 年用于仪飞训练的林克（Link）机问世以来，模拟也在航空界得到广泛的运用，其效果愈来愈逼真、模拟的课目也愈见完整因为军用仿真技术属于出口管制项目，数据较难取得，本文仅搜整国内、外民用飞航仿真相关数据，从工程与法规等不同角度切入，对其技术原理与运用方式，择要进行介绍。

系统仿真在讨论飞航模拟之前，或许有必要先了解一下不同的模拟方式，再行深入探讨用于飞航模拟的各项技术模拟的概念建立在三个基础上：系统、模型与运算处理将自然或人为的各种复杂”系统”依据物理定律”模型”化后，透过对模型输入、输出的“运算处理”，再对系统进行操作、试验或重现的过程，就称为模拟早期仿真以实体建置为主，计算机高速处理能力和大容量储存装置逐渐成熟后，复杂的数值运算不再成为障碍，加诸外围机电技术的配合，数值模拟技术遂得以蓬勃发展依模拟架构和方法的不同，可以分为物理模拟、数学模拟、半实物模拟（硬品回路模拟）、真人回路模拟等方式1.　 物理仿真　 按照真实系统的物理特性建立实物模型，并在模型上加入各种输入条件进行试验的过程称为物理模拟，空气动力学实验用的风洞、水洞等均属此类其优点为直观、具体；缺点为模型改变困难试验时因为模型缩尺的关系，无法反应真正物理现象，需利用相似定律对雷诺数等无因次量进行修正2.　 数学模拟　 利用物理统御方程对系统特性加以描述得到数学模型，再对数学模型进行运算与试验的过程称为数学模拟计算机为数学仿真的核心，其拟真度很大一部分取决于如何处理庞大矩阵的方程式，计算能力愈强，就能够使用愈接近真实的模型；藉助程序与接口的辅助，要修改模型也非常简单而灵活。

载具运动状态的计算就是最典型的数学模拟3.　 半实物模拟（硬品回路模拟）　 这种模拟方法是将实物与数学模拟相结合，对于简单或变化规律比较清楚的部分以数学模拟为主，复杂或难以实现的部分就以实物或模型替代4.　 真人回路模拟　 真人回路模拟就是将操作者加入系统回路中进行仿真，这种方法除了将动态特性透过数学模型，利用计算机进行仿真外，还要求能够作出出视觉、听觉、触觉、平衡感等人工感觉因为真人已在回路之中，也必需达成在 1：1 的时间比下，仿真系统仍能流畅运作的实时（Real Time）效果飞航模拟之所以复杂，在于它是前述各种模拟的综合体：其数据来自风洞等物理模拟；核心为大量计算的数学模拟；在某些装置上，它采用与实 机相同或相仿的组件，属于半实物模拟；模拟机当然要有人在飞，于是成为真人回路模拟随着不同仿真方式的组合与运用，组成不同等级与价格的飞航仿真机飞航模拟机的分类美国联邦航空总署（FAA）现行 FAR Part 121 Appendix H及 AC 120-40B咨询通告规范，民航训练使用的 FFS仿真机，依功能及拟真程度分为 A、B、C、D 四级，其中 A为基本级，D 为最高级目前国内航空公司使用的训练仿真机均属Level D等级。

1.　Level A　 最基础之飞航模拟机，为一封闭之全尺寸之飞机驾驶舱，包含仿真之所有系统、仪表、导航装备、通讯、提醒及警告系统除驾驶座位外，尚需包含考试官及观察员之座位具有基础之 Motion、Visual 以及 Sound系统其中 Visual系统需提供每位驾驶员水平 45度，垂直 30度之视角2.　 Level B　除 Level A要求外，需使用实际飞行性能数据作为仿真性能及系统反应之特性另需加入对地面运动的模拟（Ground Effect Reaction and Handling）3.　Level C　除 Level B要求外，Visual 系统需具仿真昏暗/夜晚（Dust/Night）之功能，并提供每位驾驶员至少 75度之视角Motion 系统应为六轴平台控制系统Sound 系统应仿真重要之飞机声响，如 Crash Landing大气模型应可仿真风切（Wind Shear）情况4.　 Level D　除 Level C要求外，应具 Day Light/Dusk/Night之 Visual系统及真实之飞机声响及振动等模拟反应利用本级模拟机，视情况可以不经本场（Local）实机考验而取得飞航驾驶员该机型的检定资格，故也被称为零飞时（ZFT，Zero Flight Time）模拟机。

国际民航组织和欧盟航空安全局（EASA）、加拿大、澳洲等国民航主管机关对训练用的飞航模拟机都有不同的称呼与标准，未来会逐渐统一，正在法制作业的 FAR Part 60与新版的 ICAO Doc.9625文件将明确反应这些调和的结果不具备动感功能的仿真机则由 FAA AC 120-45A分类为 1-7级的”飞行训练器”（FTD，Flight Training Device），通常用来进行程序训练或飞机系统讲解的教学课目，也有少部分加装故障再现、自我测试（BIT）等功能，成为专用的机务训练模拟机等级控制负载 视景动感视角（每位驾驶）地面模型道面污染 音效 颤震 雷达A 静态 夜间 3 轴 45x30 　 　 　 　 　B 静态 夜间 3 轴 45x30 有 　 　 有 　C静态与动态夜间、昏暗6轴 75x30 有 感觉驾舱声音 有 　D静态与动态夜间、昏暗与白昼6轴 75x30 有感觉并可见实际驾舱声音需进行特性符合检测整合仪表FAA AC 120-40B 飞航仿真机等级规格系统架构民用飞航仿真机依据本身的功能及需求，来决定其组成架构以系统工程的角度来看，仿真机的主要系统有：1.　 六自由度（6 DOF，Degree of Freedom）的动感平台2.　 控制负载（Control Loading）3.　 实时模拟环境（Real Time Environment）4.　 各种仿真所需之数学模型（Modeling）5.　 音效系统（Sound System）6.　 视效系统（Visual System）7.　 输入输出系统（Input/Output System）8.　 座舱（Cockpit）本体9.　 教官台（IOS，Instructor Operating Station）10.　 其它杂项（Misc.），如舱门启动、烟雾、振动等特效加拿大 CAE公司所制作的 CRJ Level D训练型飞航模拟机美国 NASA Ames中心的 VMS研究型飞航模拟机　事实上，模拟技术大约围绕在三个轴心打转：飞行力学及感觉提示（Flight Dynamics and Cueing）、视觉效果（Visual Effects）和发动机/仪表（Instrument）显示。

高级一点的仿真机，除了显示仪表外，还可以仿真出飞行管理系统（FMS，Flight Management System）的页面转换以及机载系统在正常/紧急情况下的显示与反应（如座舱失火产生的警告声响与烟雾）飞行力学及感觉提示的仿真包括各类力学模型、飞操（Flight Control）与控制负载（Control Loading）和动感平台（Motion Platform）等视觉系统包括影像产生器（IG，Image Generator），视觉数据库（Visual Database），投影机（Projector），几何矫正系统（Geometry Correction System）及投影屏幕较高等级仿真机上使用广角平行光学系统（Collimated System）还要外加一个成像用的双曲线镜（Hyperbolic Mirror）航电仪表包括所有在座舱中的飞航仪表、飞行管理系统、雷达、武器投放等等；次系统仪表则涵盖几乎所有除发动机外的其他配备，诸如电气、液压、气压…等等简单的仪表显示多以软件仿真，复杂的功能如果嫌软件仿真太费事，也可以直接安装价格高昂的装机件（如 FMS等）发动机仿真不仅仿真显示数值，其模型计算出来的推力值也作为力学模型的输入。

技术原理一套功能完整的飞航仿真机利用各种技术重现了飞机的系统反应及操作环境，以下分别就模型建立、动感平台、视觉系统、仪表显示仿真、发动机仿真等技术原理进行讨论■ 飞行力学模型如果各种硬件装置是飞航仿真机的躯体，模型就是赋予它生命的灵魂，其中最重要的一个模型就运用牛顿力学所建立的飞行力学模型该模型以非线性的尤拉角（Euler Angles）运动方程为主，计算出飞机的姿态与加速度，再经积分为速度与位移后，透过视觉、仪表及动感平台”提示（cue）”给模拟机中的驾驶员飞航模拟机需要在实时环境下处理所有的计算，一般商用及军用规范都要求要有 60 Hz（系统每秒钟给出 60个视框），其积分时间常数（Integration Constant）就是 16ms，16ms 以内，所有的计算模块都必需完成运算而得到输出，如何分配不同模块计算资源而能得到实时的运算就成为一件重要的工作设计之初，软件工程师会先分析各计算模块所需的耗费时间，以选取适当的计算机硬件与资源规划综合所有外力与外力矩的飞力模型尚未能达到一般训练所要求的飞行质量，此时阻尼项（Damping Terms）必须加入模型中这种 Damping 通常定义为飞机所受空气动力对于飞机角运动的阻滞，这些项目并不会影响模型最终的静态解（Static Performance），主要用于修正操纵特性和动平衡（Dynamic Control Response and Dynamic Stability）。

也就是说，在飞航仿真机中的动态反应，并非全然是方程式的求解，而是需要不断地添加、调整一些人工阻尼项方能得到■ 重量与空气动力模型在仿真飞机物理性质时，重量模型（Weight Model）与气动力模型（Aerodynamic Model）决定了所有的飞行特性（Flight Characteristics）和操作反应（Control Response）模型分别对飞机的机身、机翼、发动机、起落架、尾翼等不同的部位，建立相应的重量与空气动力模型后再加以组合重量模型具有对应于质心的重量和惯性矩，气动力模型以升力系数 Cl、阻力系数 Cd等气动参数所构成，这些参数可由风洞吹试、试飞数据分析、计算流体力学（CFD）或是简易的小板法（Panel Method）求得，对不同的 alpha（攻角）和 beta（侧滑角）计算出 Cd、Cl 等值后，再将结果汇整成三个二维的表格（Lookup Table），放在内存中供计算程序取用最了解这些参数的当然是原始的飞机制造厂家，故制作模型时，尚需花费权利金购买；惟在尚未正式公布的 FAR Part 60法规中，已允许系统商以实机飞测的逆向工程来获取这些数据■ 其他模型除了非线性的飞力模型外，起落架也由重量加上弹簧与阻尼（Damper）构成，以对应复杂的”地面运动模型”。

其他模型还包括”环境模型”，设定温度、气压值、风速与能见度，以模拟不同之操作情况，还可以提供起降特性的模拟如积雪、湿滑、结冰、道面残胶（Wet-on-rubber）等情况大气乱流模型”通常提供”Von。