飛行模擬機的來龍去脈

在航空界流行這麼一句話：「飛行員是用跟他們體重相等的黃金堆出來的」，以此形容培養專業飛行員耗資不菲。而一旦脫離地面的支撐飛上雲端，他們就要面對各種已知或未知的挑戰。顯然，在羽翼豐滿之前還需要一個既經濟又安全的成長「搖籃」。這就是飛行模擬器，與飛機幾乎同時誕生，儘管從不離地，卻托起了一代又一代的藍天驕子。

從木桶座到「企鵝」機

即使是天生就長有翅膀的雛鷹也需要在父母的帶領下蹣跚學飛，那麼100多年前動力飛機剛出現的時候，誰來教會第一代的飛行員們如何實現升空夢想呢？對於美國的萊特兄弟、巴西的阿爾貝托·桑托斯-杜蒙、法國的路易·布萊里奧等航空先驅來說，摸索飛行規律和操縱方法的難度可不比發明飛機低多少。在前無古人的條件下，他們通常要小心翼翼地駕駛著簡陋的機器，在地面滑跑中嘗試著跳躍離地。通過不斷延長跳躍的距離，直到可以在空中保持一定時間的穩定狀態，才算是完成了「自學成才」的第一步。而他們的學生接受到的操作指導和經驗之談也相當有限，真正飛起來之後同樣要冒著不小的風險，尤其是飛機上還只能乘坐一個人的時候。

早期的統計數據表明，90%的飛行事故都是因人員操作不當而造成的。可見，必須要讓初學者在更為安全的地面環境下掌握到足夠的操作技術後才能允許他們放單飛。於是就有人利用氣球或吊架把無動力的滑翔機懸吊起來，在迎風狀態下控制翼面保持平衡，體驗飛行的感覺，不過這種方式並不太穩當。1910年前後，在英國和義大利開始出現了固定在地面上的飛行訓練器具。其中一種被稱為「桑德斯教師」，實際上是英國軍官阿諾德·桑德斯（Arnold Sanders）把自己設計的飛機機身通過萬向支架安裝在地面基座上。當有風吹來時，機身隨之轉動，機上人員操縱升降舵和方向舵等活動部件，就可以獲得與真實飛行中相似的氣動反應。不過顯而易見的是，如果沒有足夠強勁穩定的風力，這些「飛機」就只能成為靜止的擺設。

最原始的地面飛行練習裝置「桑德斯教師」需要足夠的風力才能運作

為了擺脫對自然風的依賴，法國的安托瓦內特（Antoinett）公司研製出一種靠人力作用的訓練器。這家公司在1909年與法國陸軍合作成立了一所飛行學校，為軍方培養飛行員來駕駛他們製造的單翼機。安托瓦內特的訓練器由兩個剖開的空木桶上下疊成，內部是活動的萬向節，外部再裝上支架和槓桿。使用時，兩個教員通過槓桿上下左右地晃動支架以模擬氣流的作用，坐在桶身上方的學員就要相應轉動兩邊的操縱輪來克服外力的干擾，還可以用腳控制「舵面」來調整方向，而前頭豎起的T型桿則是學員保持水平位置的參照物。這個「桶式訓練器」勉強可以算得上是第一種專門設計的飛行模擬器了，但它不能對學員的動作產生準確的反應，實際效果並不理想，因此沒有被廣泛使用。

安托瓦內特「桶式訓練器」的使用效果並不理想

第一次世界大戰爆發後，飛機很快被投入戰場，對飛行人員的需求也迅速膨脹起來。相對於飛機可以大規模生產，成批地培養合格的軍事飛行員就沒那麼容易了。許多輔助設備被發明出來測試和篩選候選者，及早淘汰掉那些被認為在生理和心理上不符合飛行要求的人員，並強化合格者的身體素質。比如讓蒙著眼睛的受試者坐在搖晃傾斜的機身內，用電子儀器記錄他們的反應時間，還有可做三軸旋轉和垂直運動的定向感覺模擬器等。只是當時的航空醫學理論也剛剛起步，通過這些設備得出的結果並不可靠。

在飛行模擬訓練方面同樣沒有取得突破性的進展，大多將現有裝備加以臨時改裝。法國曾利用截短了機翼的「布萊里奧」單翼機在地面訓練飛行員，以每小時60多千米的速度進行蛙跳式滑跑和起降，被戲稱為「企鵝」機，可謂「想學會飛，先學會跑」。然而當時飛機的種類和型號繁多，每一種機型都有自己的特性，更增加了訓練的複雜度。雖然還有用雙座教練機進行帶飛的程序，但由於飛機的可靠性較差，缺乏安全措施，訓練手段也不夠完善，導致在一戰期間死於飛行訓練中的人員比在空中作戰行動中陣亡的還要多。除了駕機技術外，各國還普遍使用地面器械訓練飛行人員的其它技能。如在活動的機槍座內射擊固定或移動的標靶，在懸空的座艙下架設傳送帶，鋪上按比例縮小的地形圖，讓乘員在相對運動的狀態下學習尋找導航地標，或是把握對準目標投下炸彈的提前量。

布萊里奧「企鵝」教練機模型

脫胎於玩具的「藍盒子」

一戰結束後，大量軍用飛機被當作剩餘物資低價拋售，引發了民間的航空熱潮，吸引到許多人去學習飛行。可傳授飛行的方式還是以一帶一的言傳身教為主，飛機的質量和教員的水平參差不齊，飛行中的事故率和傷亡率仍居高不下。一位名叫艾德溫·林克（Edwin Link）的美國年輕人就頗為煩惱，花了好幾年時間和不少學費才在1927年考取飛行駕照。能不能找到更好的方法來提高學習飛行的成效呢？林克平時在父親開的一家生產鋼琴和管風琴的公司里工作，熟悉氣動機械原理。他就結合學飛過程的經驗，利用樂器的氣動部件在1929年製作出一台飛行練習器，並在兩年後取得專利。這台機器的箱式底座內裝有多個管風琴的風箱和電動氣泵，上面架著粗短的木製機身，並裝上短翼和垂尾。使用者坐在敞開的座艙內，通過操縱桿和腳舵可以控制氣動閥門，讓不同位置的風箱充氣膨脹或排氣收縮，使機身產生俯仰、傾斜和偏航等變化，另一個電動驅動裝置還會產生重複和連續的姿態擾動。

艾德溫·林克和他的林克教練機

林克對這一設計進行了反覆的測試和調整，直到取得比較滿意的效果。在申請專利時，他稱之為「一種有效的航空訓練輔助設備，也是一種新奇有益的娛樂裝置」，可以用於演示飛行中操縱副翼、升降舵和方向舵時對機身姿態的影響，幫助學員熟悉基本操作。不過作為第一種實用型的飛行模擬器，其座艙內還沒有儀錶，各操縱機構的模擬效果也是互相獨立的，並不能體現真實飛行中受到的綜合影響，連林克一開始也是把自己的作品主要當成「遊戲機」向遊樂場推銷，甚至還加上了投幣口。

1920年代，自動控制技術和機電技術得到了一定程度的發展並運用到航空領域，使飛行員依靠儀錶指示也能進行長距離飛行，在地面培訓中則開始較為系統地講授飛行理論，採用更加科學的訓練大綱。1930年林克開辦了自己的生產企業和飛行學校，利用氣動模擬機以低廉的費用招收飛行愛好者。他敏銳地意識到儀錶飛行將是大勢所趨，於是著手改進最初的設計，安裝了高度表、空速表、磁羅盤和側傾指示器等儀錶，還為座艙加上不透明的罩蓋，可供盲目操作練習。不過，升級版的林克機仍不受專業人士的重視，在參加聖路易斯航空博覽會時就被拒之門外，作為「玩具」反倒賣出了100多台。

轉機發生在1934年，當時美國陸軍飛行軍團接管了國內的航空郵政運送業務，但在不良天氣和夜間環境下的飛行中接連發生嚴重事故，人員和財產的損失招致公眾的批評。為了改善飛行安全性，美國軍方特意考察過林克的發明，以單價3500美元的價格訂購了6台林克機，用於提高飛行員的儀錶飛行技能。使用效果得到肯定後，林克公司的業務開始一飛衝天，不僅來自國內軍方和民間航空公司的訂單劇增，還吸引到日本、蘇聯和英國等國外用戶，並在加拿大設立分廠擴大生產。由於粗短的機身通常被漆成明藍色，林克機就獲得了「藍盒子」的綽號。

早期林克機外觀很像一個大玩具，但卻是第一種實用型飛行模擬器

「藍盒子」的座艙內部還相當簡單

蘇聯仿製的林克教練機

二戰前夕，日趨緊張的國際局勢促使各國加強軍備建設，林克機的銷量也搭上了順風車。根據新式飛機的裝備需要，林克陸續研製出能夠水平旋轉360度的Model C/D系列和功能更複雜的ANT-18等改進型模擬機，以及針對特定機型如AT-6/SNJ教練機的專用模擬機。這些林克機不僅可以幫助新學員掌握基本技能，學習當發生失速或自旋等緊急情況時應如何處理，也可以讓有經驗的飛行員進一步提高對不同機型的操作水平。林克後來還為模擬機配上了輔助監控台，利用航線標圖器自動記錄學員操作飛機時的運動軌跡，繪製成圖表，使教員得以同步監視學員的訓練情況，並便於進行評價和總結。

二戰中美國採購大批林克機用於集中訓練飛行員

除了飛機駕駛技術，遠程飛行中的精確導航也需要經過模擬訓練。1939年，英國就急需一種能提高空勤人員天文導航能力的訓練器材，使他們能安全飛越大西洋接收美國援助的飛機，以及改善深入德國佔領區進行夜間空襲時的轟炸精度。林克與美國海軍的導航專家菲利普·威姆斯合作，研製出一種適合轟炸機機組成員使用的模擬器。這種天文導航模擬器的體積比一般林克機要大得多，高度約為13米，可容納飛行員、領航員和投彈手。模擬器內的平台上不僅包含標準林克機的所有儀錶和設備供飛行員進行操作訓練，也裝有轟炸瞄準器對準下方的活動目標地圖。而穹頂上還布置了精細的天文圖，標定有用於導航校準的常見星辰，並能夠產生相對運動，讓領航員在模擬飛行過程中練習測量經度和緯度上的位置變化。此外，林克機還有用於自動駕駛、無線電導航、雷達操作、機槍射擊等不同訓練目的的特別改型。

複雜的林克天文導航模擬器

可容納整個飛行機組進行導航訓練

在同一時期，德國的羅德爾發明了一種以液壓運動平台為基礎的飛行模擬器。英國中央飛行學校曾將廢舊的Avro 504雙翼機的機身改成雙座練習器，讓學員和教員使用的儀錶和操縱機構產生聯動。英國皇家空軍後來還採用由「噴火」戰鬥機的機身改裝的練習器進行空戰訓練，將「哈利法克斯」轟炸機的機身用於訓練整個機組的基本操作和故障處置的能力，除了模擬飛行特性、動力、電氣和液壓系統外還能發出聲響，教員通過控制台可以設置故障並監控學員的操作。蘇聯也研製過幾種用小型飛機或教練機改裝的地面模擬系統，不過因資源有限另外引進了100多台林克機。二戰期間應用得最廣泛的還是「藍盒子」，共有上萬台在35個國家投入使用，訓練過50多萬名飛行員，節省的費用估計達3億美元，甚至到1970年代初期仍在一些國家發揮作用。

英國空軍的「哈利法克斯」機身模擬器

從機械式飛向電子化

不難看出，在飛行訓練中使用地面模擬器既可以確保受訓人員的安全性，也大幅降低了器材、油料和勤務保障等方面的費用，還不用擔心天氣和場地的影響，在縮短訓練周期和提高訓練質量上的成效相當顯著，因此引起各國航空部門越來越高的重視。然而，想貼近真實地模擬運動中的飛機，不僅要建立描述這架飛機的氣動特性以及響應操作者和外部環境影響的數學模型，還需要能實時求解相關參數的計算方法，並具備讓操作者用各種感官體會到同步變化的表現手段。以林克機為代表的早期模擬器雖然可以通過模型或原型重現真實飛機的氣動特性，但還無法實時計算運動參數，只能依靠機械的方式去模擬，即根據經驗調整控制系統中的部件，使操作者輸入動作時模擬器的儀錶讀數和姿態變化與實際情況相仿。顯然，這種方式主要適用於儀錶飛行模擬，對實際飛行訓練來說還只是一種輔助手段。

在二戰期間，戰爭的需要刺激了電子技術的發展，催生出第一台採用模擬電路（即利用連續變化的電流模擬自然信號）的電子計算機，使實時計算運動參數成為可能。1941年，英國電信研究所設計了一種能解算飛機運動方程的模擬計算機，用在空中截擊雷達練習器上，可模擬使用雷達進行引導截擊的過程。有的練習器還能裝在車上，成為流動訓練平台。美國的貝爾實驗室為海軍的PBM-3水上飛機研製作戰飛行訓練器時，將PBM-3的前機身及其操縱裝置、儀錶等設備和電子計算裝置結合起來。寇蒂斯-萊特公司生產的AT-6教練機練習器也裝有電子自控部件，1948年還向泛美航空公司提供了波音377高空客機模擬器。這是專為民用航空公司設計的第一種綜合飛行模擬器，採用與真實飛機一樣的全套座艙設備，訓練機組人員按程序進行飛行操作和意外故障的處理。而不甘人後的林克公司也開發出自己的模擬計算機，1949年起用於C-l1噴氣式飛機練習器，將飛行程序、發動機控制、無線電導航等系統結合在一起，向美國空軍售出了1000多台。

寇蒂斯-萊特公司在AT-6練習器上採用了模擬計算機

不過，這些模擬器雖然可以通過儀錶參數反映飛機的實時運動狀態，但還不能較為準確地模擬出飛機的受力情況，因此大多採用固定基座形式。既沒有運動反饋系統，也看不到外部環境的變化，這導致操作者可能產生錯誤的感覺，從而影響到模擬的真實性。另外，如果想提高模擬器的精度，勢必要使用更多的模擬電路，但模擬電路增加到一定數量後所帶來的累積誤差又會抵消精度的提高，同時也會縮短整個系統工作時的平均故障間隔時間。面對這樣的問題，也是在二戰期間科學家開始研究具有邏輯運算能力的數字電路，以提高計算機的處理精度和可靠性。美國海軍就與麻省理工學院和賓夕法尼亞大學合作，開展通用數字式作戰飛行訓練器項目的技術研究。

50年代英國海外航空公司委託寇蒂斯-萊特公司研製的波音377模擬器

到1950年代後，基於集成化數字電路的電子計算機日漸成熟，給飛行模擬器插上了更為強大的「電腦」。結合航空科技的最新成果，不僅可以快速準確地建立飛機特性的數學模型和解算各系統的實時參數，還能處理大量數據的輸入/輸出要求，這為再現飛機的氣動及機械受力狀況和姿態變化創造了條件。早期的模擬器要麼像林克機那樣只能讓輕型機殼產生粗糙而有限的運動，要麼乾脆做成固定式。在採用電子計算機系統後，模擬器就能根據操作者的輸入信號計算出相關的運動參數，控制機電和液壓裝置相應改變座艙平台的姿態，使操作者感覺到身體所受載荷以及從駕駛桿、腳舵等部件傳來的操縱負載發生了變化，從而模擬出接近真實的運動感。1958年，英國的雷迪豐（Redifon）公司設計的「彗星4」民航客機模擬器就配備了使整個機頭部分產生俯仰的運動系統，其他廠商也陸續研製出可作多自由度運動的戰鬥機、轟炸機和大型客機的模擬器。

英國的「彗星4」客機模擬器可進行同步俯仰運動

另一項重要的人機交互技術就是視覺模擬系統了。前面提到過的在地面固定座艙下鋪設活動地形圖也算是一種視覺模擬，早期林克機還配用過繪有景物的環形幕布，但效果既不真實也不精確。為了擺脫模擬器只能用於座艙內部儀錶飛行訓練的局限，能夠配合實時運動變化、圖像質量能滿足人眼要求的視景顯示系統成為模擬技術的研究重點。最早投入應用的是點光源投影法，即使用一個發光點很小但亮度很強的光源，將特別製作的幻燈片上的圖像投影到模擬器前面的屏幕上，只需簡單的設備就可產生視界寬廣的影像，隨著光源的運動還能獲得活動畫面。這種方式適合展現天空、地標和跑道圖像，並可組合起來顯示飛行起降過程。與之相似的是電影膠片投影法，所用圖像來自事先在真實飛行中拍攝的航線景觀。此外還有用攝像機動態拍下按實景製作的縮微沙盤模型，通過閉路電視系統傳送給使用者觀看座艙外的環境變化，雷迪豐公司在1962年就率先採用彩色電視視景模擬系統。

早期模擬器採用點光源投影法生成影像

後來採用閉路電視系統，用攝像機實時拍攝按實景製作的縮微地圖或沙盤

以上這些傳統視覺模擬方法有的圖像表現單一，適應性不強，有的製作和維護複雜，使用成本較高，而計算機成像技術就提供了更有潛力的模擬手段。計算機內可存儲大量的景物模塊數據，經過坐標轉換等計算後就能構成與模擬器姿態相符的實時畫面。由於早期計算機的運算和顯示能力不強，實際圖像效果還比較簡單。1964年通用電氣公司研製出第一台計算機成像模擬系統，用於美國載人航天中心訓練宇航員，只能提供帶一些紋理的平面透視圖，類似的系統在航空領域也多用於模擬夜間起降場景。隨著軟硬體技術的飛速發展，計算機成像效果得以不斷增強，在立體環境、複雜物體、活動目標和光影變化等方面逐步取得突破，已經成為飛行模擬器最主要的圖像產生源。與此同時，光學顯示系統也在更新換代。無論是簡單便捷的單個或組合顯示器，還是大視場大範圍的球幕投影機，都顯著提高了使用者的視覺真實感。

球幕投影技術給飛行模擬器帶來個更逼真的視覺體驗

波音747的夜航模擬訓練，其模擬器座艙與原型同樣複雜

成長中的模擬器家族

作為飛行員起步的「搖籃」，得益於各種先進技術的飛行模擬器已經從原先的基本練習器發展成真正意義上的全方位模擬系統，進一步提升了飛行訓練的有效性、安全性、經濟性和環保性等多方面的優勢。自1970年代以來，以高性能數字計算機為核心的新型模擬器開始進入各航空大國的訓練體制，並形成系列化，其主要作戰飛機和民用客機均配備相應的模擬器。大型模擬器普遍具備完整的座艙設備及其模擬控制系統，除視景顯示功能外還可加入音響和煙霧模擬裝置，採用科學的配置方案和自檢措施來保障系統工作的可靠性。整體座艙由靈活的運動平台支撐，可進行上下、左右、前後、俯仰、傾斜和偏轉等較大行程的六自由度運動，反應靈敏而且精度很高，不僅能反映正常的姿態變化，還能模擬失速振顫和發動機喘振這樣的效果。另外還設有多功能的教員控制台，供教員設置初始飛行條件，或隨時調整參數和插入故障，並監控和評估學員的操作情況。

對模擬技術要求更高的是空戰型模擬器。早期的型號其實只是簡單的空中射擊訓練器，要模擬高機動狀態下的雙機或多機空戰還有很大難度。直到1970年代初美國和英國才研製出較為實用的球形空戰模擬器，其座艙是固定的，通過振動座椅和充氣抗荷服提供過載的感覺，配合投影畫面的變化使操作者產生大幅度的運動感，適合進行空戰戰術和特技飛行訓練。更複雜的則是全任務飛行模擬器，能夠對不同環境和條件下戰機從起飛、機動、作戰到返航降落整個過程或民航飛機的完整航線進行模擬。美國空軍裝備的F-15、F-16等全任務模擬器不僅用於人員訓練，還用於戰術對抗方面的研究。同樣，利用模擬器也可以對改進型號和全新設計的飛行器展開工程研究，在實際試飛前測試各系統的性能表現和整體的飛行品質。

瑞士空軍海軍使用的F/A-18戰術飛行模擬訓練器

先進複雜的飛行模擬器造價高昂，有的成本已經接近甚至超過要模擬的真實機型，但在投入使用後帶來的經濟效益和軍事效益仍非常可觀（1小時模擬器訓練的效果相當於0.5～0.9小時的實際飛行訓練，費用僅為6%～20%），促使各國不斷加大投入研製和裝備模擬器材。在發展趨勢上，一方面是將微電子、自動控制、人工智慧、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。同時，結合信息技術實現各個模擬平台的網路化，將單純的飛行訓練器擴展為綜合任務訓練系統，在軍用層面上還可構成多軍兵種的聯合作戰模擬訓練網路。另一方面，改變以往先有實機再搞模擬的做法，將飛行模擬器的研製和使用與相應機型的設計和生產同步進行，這樣就縮短了飛行人員的培訓時間，使新飛機能儘快投入運營或形成戰鬥力。此外，還注重將高級模擬器與普通模擬/練習器進行合理的高低搭配，加上輔助教學系統建立完善的訓練體制，以提高設備的使用成效。

不容忽略的是，在半導體產業「摩爾定律」的推動下，目前台式計算機的性能足以跟當初的大中型機媲美，使得開發低成本模擬系統成為可能。實際上，遊戲玩家熟悉的《微軟模擬飛行》（Microsoft Flight Simulator）和《X飛機》（X-Plane）經過二三十年的升級換代，不僅滿足了航空愛好者足不出戶翱翔藍天的夢想，還先後獲得美國聯邦航空管理局（FAA）認證為可用于飛行訓練的輔助工具，成為眾多專業和業餘飛行員的桌面必備。除了商業產品，還有象《飛行裝置》（FlightGear）這樣開放源代碼的免費軟體也具有相當出色的技術內核。利用這些現成的軟硬體進行有針對性的二次開發，就可以搭建起既經濟又有效的飛行模擬系統。

利用現成的軟硬體也可以搭建低成本的飛行模擬系統

讓「搖籃」成為「助推器」

與航空發達國家相比，我國自主發展飛行模擬器的歷史較短，但經過不懈的努力也取得了長足的進步。新中國建國初期，航空部門曾接收到幾台林克機用于飛行教學。人民空軍組建後從蘇聯和其他東歐國家引進過一批模擬訓練器材，為培養自己的飛行人員和模擬技術人員奠定了基礎，於1958年參考林克機研製出我國第一台儀錶飛行練習器。以此為起點，軍內外的科研人員在仿製基礎上開始設計和生產各種飛行模擬器，20多年間陸續為部隊提供了大批用於儀錶飛行、起落飛行、光學/雷達轟炸、機炮/導彈射擊等科目的專用型和便攜型模擬訓練設備，還曾出口到多個國家。1980年代後，通過消化吸收先進科技，國內飛行模擬行業實現了從機電式向數字式的跨越，先後在閉路電視視景系統、計算機成像系統、三～六自由度運動平台等關鍵技術上取得突破，新型的轟炸機飛行模擬器、殲擊機戰術訓練器、高級教練機模擬器和空中加受油模擬器等相繼裝備部隊，並向著多功能綜合模擬器和一體化戰術戰役訓練模擬系統發展。

殲－5飛機起落飛行練習器配備有俯仰-傾斜液壓運動系統和點光源地景投影儀

在民用航空方面，1975年我國首次從英國引進由數字計算機控制的波音707和「三叉戟」客機模擬器，建立起民航飛行模擬訓練基地。此後隨著民航市場擴展的需要，波音、麥道、空中客車等機型的專用模擬器紛紛進入國內，而運七-100和新舟60/600全任務飛行模擬器的研製成功則標誌著國產飛機及其模擬器達到了新的技術水平。在我國加快發展通用航空產業之際，飛行模擬器市場也展現出欣欣向榮的前景。在最近兩屆的珠海國際航展上，不僅可以看到「梟龍」、L-15等軍用飛機和大型客機的高檔模擬器，還出現了「御翔」賽斯納172輕型飛機模擬艙這樣的普及型產品，並可延伸出配備全動平台的升級版和適用於科普教育的簡化版。而進一步提升飛行模擬器行業的整體實力，將為我國航空航天事業的發展裝上又一個強有力的「助推器」。

新舟60模擬器是我國第一台達到民航總局C級標準的飛行模擬器（最高為D級），並出口國外

類似賽斯納172模擬艙這樣的普及型產品適合通用航空快速發展的需求

本文刊登於《航空知識》2012年05期

原載於航跡，來源：空軍之翼，轉自helloair