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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

作者:admin

发布时间:2020-01-03

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  在20世纪20年代后期,美国人艾德温·林克(Edwin Link)发明了一款从外面看像玩具的地面简易训练器,将木制短机翼和机身安装万向节上,降低了飞行训练的成本,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。到第二次世界大战时, 林克训练器成为了美国和盟国每所航校的标准装备,累计生产了不少于1万台,每台生产时间只需要45分钟。

  在20世纪50年代早期,英国雷迪丰公司(Redifon,后泰雷兹训练与仿线月民用固定翼飞机模拟器业务被美国L3技术公司旗下的英国L3林克仿真与训练公司收购)为“彗星”1客机开发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,逐渐将视景、声音和多自由度运动平台融入飞行仿线年代,民用航空监管机构提出了飞行仿真系统的标准化要求,但是军用模拟器一般不受这些控制,更偏向于用户的实际需求。飞行仿真一直是虚拟训练技术重要组成。当前, 军用飞行模拟器作为真实、虚拟和构造(LVC) 技术的重要组成部分得到了更广泛的应用,节省大量的成本,提高了地面训练效果。同时, 为了可以满足体系对抗所需要的更复杂、更真实的训练场景,军用模拟器也逐渐往标准化方向发展。

  ——视景系统。该系统决定了模拟器内机组人员的观看方式和内容。目前模拟器基本已采用了可跨平台使用的通用视景系统。显示器可以是平板、圆顶、部分圆顶,完全自适应视觉环境(CompleteAdaptive Visual Environment,CAVE) 等;有的显示器还可以是头戴式或头盔式的。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、屏幕纹理和图像生成器的更新率。精确的数据库有助于沉浸效果。

  ——运动平台。该系统让机组人员拥有与实际平台上相同的运动感觉。目前,更注重任务训练的部分军用模拟器上已经不使用运动平台了。比较常见的是在三或六个自由度运动平台。六自由度运动平台通常用于作战飞行训练器和全任务模拟器。运动提示装置如运动座椅提供小的运动提示,如振动和微小运动、安全带收紧和小加速度。这类座椅通常用于直升机模拟器。过载提示座椅在战斗机模拟器中提供强大的运动提示,主要用于垂直方向加速度提示。学员在这种模拟器中训练时,需要穿抗荷服。这些座椅可以模拟抗荷服压力、“座椅”压力、安全带收紧、纵向加速度和头部/头盔负荷等模拟。

  模拟器的选择取决于参训人员的类型和训练任务。飞行仿真系统的范围涵盖从基于PC机的程序模拟器到全任务模拟器。典型的模拟器分类有:

  ——驾驶舱程序训练器。这类模拟器通常是基于PC机,用于学员熟悉驾驶舱,并向其介绍飞机各系统和航空电子设备;支持学员练习基本的驾驶舱程序。

  ——子任务训练器。这类训练器专门用于整体训练任务中的子任务训练。例如电子战训练器或运输机装载人员训练器。

  ——作战飞行训练器(OperaTIonal Flight Trainer,OFT)。飞行训练装置一般用于飞行训练, 而不是战术或武器训练。OFT通常拥有运动平台, 可支持真实的仪器飞行训练。

  ——武器系统训练器(Weapons Systems Trainers,WST)/武器战术训练器(Weapons TacTIcs Trainers,WTT)/后舱训练器(Rear Cabin Trainers,RCT)。这类训练器通常拥有复杂地形数据库、宽视场、高分辨率的视觉系统以及高计算能力。其广泛用于训练空面作战、反潜作战或ISR飞机的飞行员、传感器操作员和机载战术官。

  ——作战飞行与战术训练器。这类训练器比作战飞行训练器的能力更强,但在武器训练方面不如武器系统训练器或任务仿真器/全任务模拟器。其也可以被称为战术作战飞行训练器(TacTIcal OperaTIonal Flight Trainer,TOFT)。

  ——全任务/作战任务模拟器。这类模拟器用来开展全要素的任务训练,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重要的作用。视觉系统包括图像生成、环境数据库和显示系统。图像生成程序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,通常被称为计算机生成图像(Computer-generated Imagery,CGI)或计算机图像生成(computer image generation,CIG)。数据库创建过程包括获取原始数据源并将其合成以便由图像生成器处理。精准的数据库创建对于增强真实感和沉浸感起着关键作用。2016年,数据库系统标准化实现重大突破,即开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium,OGC)批准了通用数据库(Common Database,CDB)标准。

  美军对F-35的仿真训练能力提了严格的要求,一方面原因是F-35作为第五代战斗机,其先进能力(包括传感器和航空电子设备)不能在真实环境下开展充分的验证;另一方面F-35是一种在降低成本后仍然高达8000万美元的单座机,用实装训练的成本极其昂贵。

  为此, 洛马公司为F-35研发了全任务仿真器(FullMission Simulators,FMS),价格应该已经下降到小于1200万美元。FMS的交付与实装保持同步,第一台FMS于2011年交付埃格林空军基地。所有任务类型均可在FMS上进行仿真训练,包括模拟电子干扰和模拟机载武器对放空导弹阵地的攻击效果。电子干扰的模拟不可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演习前能够安全、廉价地训练电子战任务。F-35约45%至55%的初始资格训练(IQT)是在模拟器上进行的。为了实现这一目标,洛马公司在几乎所有F-35驻地都部署了FMS。

  F-35模拟器明显不同于传统的战斗机模拟器。传统的模拟器使用代码模仿实际的飞机,而F-35的FMS则使用实际作战飞行程序(Operational Flight Program,OFP) 来实现这一点。这也使F-35模拟器能与实装任务系统同步升级。

  FMS采用高保线°球幕视景和分布式投影机,并且视景系统可以与头盔显示器结合,为学员提供了全面的态势感知。美国柯林斯航宇系统公司为模拟器提供了视景系统,包括EP-80图像生成器,可确保所有视频信道的100%同步,由此实现在图像在通道边界上没有明显的伪影;“鹰狮”(Griffin)球幕投影采用丙烯酸材料,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合成环境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。

  此外,美军也对分布式仿线月,洛马公司收到一份总额为850万美元的合同,为F-35开发分布式任务训练(Distributed Mission Training,DMT)。该技术目标实现F-35飞行员能够与异地部署的其他战斗机、加油机和侦察机一起开展飞行训练。将进一步把现有的支持4台模拟器协同训练提高到支持12台模拟器协同训练的能力。DMT预计将在2021年前在全球范围内推广应用。

  英国F-35B 采用的“舰上滑行垂直着陆”(SRVL) 降落模式更类似于在美海军航母着舰的姿态,但不用拦阻索。飞机在下滑中始终保持一定的飞行速度,靠机翼产生部分升力,提高着舰重量。传统垂直着舰模式需要飞机由平飞改为悬停后移动到甲板上方完成垂直着舰

  航空兵部队对虚拟现实和模拟器都寄予厚望,希望其能高效的实现训练目标。自林克训练器问世以来,飞行仿真技术得到了显著发展, 已经从各类飞机定制化训练器向着体系架构的标准化转变。可随地部署的模拟器也越来越受部队的欢迎,并要求模拟器具备能够在多个地点进行互操作的能力。这些模拟器使人员能够在驻地进行训练,从而提高训练灵活性和效率, 并节省将人员运送到训练固定设施的时间和成本。

  美空军在模拟器体系结构的标准化方面比较领先,其“模拟器通用体系结构需求与标准”(Simulator Common Architecture Requirements and Standards,SCARS) 的主合同预计将在2019财年授予,其中包括一份价值约为2~3亿美元的五年期基础合同, 另外还有五个一年期合同,总价值可能达到9亿美元。SCARS计划将提高网络弹性和响应能力,并将美国空军模拟器的全寿命周期成本降到最低。SCARS计划将通过每年发布通用标准,使美国空军训练系统按照体系化、系列化发展。

  美空军可能已经在多个主要司令部安装了2380多个模拟器和训练设备。这些设备是在过去几十年中逐步采办的,每个设备的采办都是为了满足特定平台的个体作战训练需求,而不是根据从体系化发展的需求策略。随着设备使用年限的增加,对维护和升级服务的需求也在增加。从长期来看,SCARS将使快速简单的升级成为可能,有助于降低设备的全寿命期维护成本。这可以为其他盟国提供一个模式,促进部队与盟国之间的协同训练。

  真实、虚拟和构造(LVC)是飞行仿真发展的一个重要趋势。这三个领域的最佳融合非常重要,因为它可以在现实环境中提供复杂的场景,这对于集体训练更为有效。LVC还将有助于实现部队和盟国之间的互操作性。LVC的目标是提供高度沉浸式的训练,让参与者无法辨别实况、虚拟和构造实体之间的差异。合成(虚拟+构造)环境在很大程度上加强了任务演习。虚拟数据库越精确,训练效率越高。利用它们不仅能够实现机组人员可在未知或不熟悉的环境中执行任务,而且使他们能够在不必在真实靶场部署的情况下执行任务。开放式数据库体系结构有助于快速更新,并支持相关的分布式任务训练。

  美国诺格公司在LVC领域有一定的基础,在其开发的分布式任务作战网络(DMON) 的基础上, 开发了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侦察机的模拟器) 接入LVC训练环境,将数据经由数据链路和无线传输到联合演习靶场的真实飞机上。

  对抗体系化。仿真一直是军事飞行训练计划的主要内容,未来的计划将继续把更多的训练任务转移到合成环境中。无论是从军方用户的关注角度,还是从工业部门的技术发展角度看,采用LVC技术的虚实结合场景都是飞行仿真领域的一个重点发展方向。

  产品标准化。模拟器作为LVC的关键组成, 其体系结构的标准化能促进LVC技术的发展。美国作为飞行仿真的巨头之一,其飞行仿真逐渐从专有系统转向开放式体系结构,对标准化的需求进一步增加。美空军的SCARS计划也即将得到大量资金的支持。

  效果线的FMS首次使用了与实装同步的作战飞行程序(OFP),这使F-35模拟器能与实装任务系统同步升级,也增强了地面训练的真实性和效果。FMS中也集成了用于电子战训练的能力;其多通道视景系统的沉浸感也非常好,分辨率高,没有眩晕感并且与听觉提示保持良好的同步。

  效费比最优化。随着高保真模拟器训练的比重增长,模拟器的订货量也变大了。以F-35的FMS为例,其供应商体系复杂,有超过190架的供应商组成。但是FMS的订货量持续增长,供应链稳定后其成本逐渐下降,2019年8月份单台价格1200万美元,后续使用3D打印等的新技术后有望降低到900万美元。

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