飞行模拟器发展历程

1、一战时期机械训练器

航空业发展之初，对于美国莱特兄弟、巴西阿尔贝托·桑托斯-杜蒙、法国路易·布莱里奥等航空先驱来说，摸索飞行规律和操纵方法举步维艰。在前无古人的条件下，他们通常要小心翼翼地驾驶着简陋的机器，在地面滑跑中尝试着跳跃离地，通过不断延长跳跃的距离，直到可以在空中保持一定时间的稳定状态。

早期的数据统计表明，90%的飞行事故都是因人员操作不当而造成的。因此必须要让初学者在更为安全的地面环境下掌握到足够的操作技术后才能单飞。

于是有人利用气球或吊架把无动力的滑翔机悬吊起来，在迎风状态下控制翼面保持平衡体验飞行的感觉。

1910年前后，在英国和意大利开始出现了固定在地面上的飞行训练器具，其中一种被称为“桑德斯教师”，是英国军官阿诺德·桑德斯（Arnold Sanders）把自己设计的飞机机身通过万向支架安装在地面基座上。当有风吹来时，机身随之转动，机上人员操纵升降舵和方向舵等活动部件，就可以获得与真实飞行中相似的气动反应。不过如果没有足够强劲稳定的风力，这些“飞机”就只能成为静止的摆设。

为了摆脱对自然风的依赖，法国安托瓦内特（Antoinett）公司研制出一种靠人力作用的训练器，在1909年与法国陆军合作成立了一所飞行学校，为军方培养飞行员来驾驶他们制造的单翼机。安托瓦内特的训练器由两个剖开的空木桶上下叠成，内部是活动的万向节，外部再装上支架和杠杆，两个教员通过杠杆上下左右地晃动支架以模拟气流的作用，坐在桶身上方的学员就要相应转动两边的操纵轮来克服外力的干扰，用脚控制“舵面”来调整方向，而前头竖起的T型杆则是学员保持水平位置的参照物。这个“桶式训练器”勉强算得上是第一种专门设计的飞行模拟器了，但它不能对学员动作产生准确的反应，因此没有被广泛使用。

第一次世界大战爆发后，飞机很快被投入战场，对飞行人员的需求也迅速膨胀起来，成批地培养合格的军事飞行员亟待解决。许多辅助设备被发明出来测试和淘汰掉那些被认为在生理和心理上不符合飞行要求的人员，并强化合格者的身体素质。比如让蒙着眼睛的受试者坐在摇晃倾斜的机身内，用电子仪器记录他们的反应时间，还有可做三轴旋转和垂直运动的定向感觉模拟器等。由于航空医学理论也刚刚起步，通过这些设备得出的结果并不可靠。

在飞行模拟训练方面同样没有取得突破性的进展，大多将现有装备加以临时改装。法国曾利用截短了机翼的“布莱里奥”单翼机在地面训练飞行员，以每小时60多千米的速度进行蛙跳式滑跑和起降，被戏称为“企鹅”机，可谓“想学会飞，先学会跑”。然而当时飞机的种类和型号繁多，每一种机型都有自己的特性，更增加了训练的复杂度。虽然还有用双座教练机进行带飞的程序，但由于飞机的可靠性较差，缺乏安全措施，训练手段也不够完善，导致在一战期间死于飞行训练中的人员比在空中作战行动中阵亡的还要多。除了驾机技术外，各国还普遍使用地面器械训练飞行人员的其它技能，如在活动的机枪座内射击固定或移动的标靶，在悬空的座舱下架设传送带，铺上按比例缩小的地形图，让乘员在相对运动的状态下学习寻找导航地标，或是把握对准目标投下炸弹的提前量。

2、二战时期机电式林克机

上世纪廿年代，一战结束后大量军用飞机被当作剩余物资低价抛售，引发了民间的航空热潮，吸引到许多人去学习飞行。由于飞机的质量和教员的水平参差不齐，飞行中事故率和伤亡率仍居高不下。

1927年，美国人艾德温·林克Edwin Link用几年时间在考取飞行驾照。为了提高学习飞行的成效，林克结合学飞过程的经验，设计出第一台机械气动式的飞行练习器(由于模拟水平较低，称为飞行练习器)，它主要向学员演示操纵机构对模拟飞机姿态的影响，以训练飞行员的协调驾驶能力。

这台机器的箱式底座内装有多个管风琴的风箱和电动气泵，上面架着粗短的木制机身，并装上短翼和垂尾，使用者坐在敞开的座舱内，通过操纵杆和脚舵可以控制气动阀门，让不同位置的风箱充气膨胀或排气收缩，使机身产生俯仰、倾斜和偏航等变化，另一个电动驱动装置会产生重复和连续的姿态扰动。

林克对设计进行了反复的测试和调整，在两年后取得专利，申请专利时，他称之为“一种有效的航空训练辅助设备，也是一种新奇有益的娱乐装置”，可以用于演示飞行中操纵副翼、升降舵和方向舵时对机身姿态的影响，帮助学员熟悉基本操作。不过作为第一种实用型的飞行模拟器，各操纵机构的模拟效果也是互相独立的，最初的林克机座舱里没有安装仪表，不能体现真实飞行中受到的综合影响，所以早期的林克机没有受到专业人士重视，连林克也是把自己的作品主要当成“游戏机”向游乐场推销，甚至加上了投币口作为玩具出卖。

1930年林克开办生产企业和飞行学校，利用气动模拟机以低廉的费用招收飞行爱好者，他意识仪表飞行是大势所趋，于是着手改进设计，座舱加上不透明的罩盖，可供盲目操作练习；随着1920年代末自动控制技术和机电技术的发展运用到航空领域，林克机安装了机械或气压驱动的高度表、空速表、磁罗盘和倾斜指示器等仪表。升级版的林克机仍不受专业人士的重视，参加圣路易斯航空博览会时就被拒之门外，作为玩具反倒卖出了100多台。

直到1934年，美国陆军飞行军团接管了国内的航空邮政运送业务，但在不良天气和夜间环境下的飞行中接连发生严重事故，人员和财产的损失招致公众的批评。为了改善飞行安全性，美国军方特意考察林克的发明，以单价3500美元的价格订购了6台林克机以提高飞行员的仪表飞行技能。使用效果得到肯定后，林克公司业务开始一飞冲天，不仅来自国内军方和民间航空公司的订单剧增，从此，德国、法国、苏联、日本等国陆续购买了林克机。由于粗短的机身通常被漆成明蓝色，林克机获得了“蓝盒子”的绰号。

二战前夕，日趋紧张的国际局势促使各国加强军备建设，根据新式飞机装备需要，林克陆续研制出能够水平旋转360度的ModelC/D系列、功能更复杂的ANT-18等改进型模拟机及针对特定机型如AT-6/SNJ教练机的专用模拟机。这些林克机不仅帮助新学员掌握基本技能，学习失速或自旋等紧急处理，也可以让有经验的飞行员进一步提高对不同机型的操作水平。

除了模拟飞行驾驶，林克与美国海军的导航专家菲利普·威姆斯合作在1941年成功研制一种适合轰炸机机组成员训练使用的天文领航练习器，高度约13.7米，不仅包含标准林克机的所有仪表和设备，也装有轰炸瞄准器、可活动的地图、穹顶上的精细天文图及用于导航校准的常见星辰，并能够产生相对运动，让领航员练习测量经度和纬度上的位置变化。此外林克机还有用于自动驾驶、无线电导航、雷达操作、机枪射击等不同训练目的的特别改型。

此时改进后的林克机加装了教员台，上面有航迹记录装置，用涂油墨的轮子在图板上画出飞行的轨迹，使教员能够监视学员的飞行情况，便于进行评价和总结。另外教员和学员都配有话筒和耳机，教员可以指导学员的操作。

同时期，英国中央飞行学校曾将废旧的Avro 504双翼机的机身改成双座练习器，让学员和教员使用的仪表和操纵机构产生联动；英国皇家空军后来还采用由“喷火”战斗机的机身改装的练习器进行空战训练，将“哈利法克斯”轰炸机的机身用于训练整个机组的基本操作和故障处置的能力，除了模拟飞行特性、动力、电气和液压系统外还能发出声响，教员通过教员设置故障并监控学员操作；苏联也研制过几种用小型飞机或教练机改装的地面模拟系统，不过因资源有限另外引进了100多台林克机。

综上，二次站期间飞行练习器取得到了较大发展，由原来林克设计的简单的机械练习器逐步发展为具有较复杂的机械电气装置，并能进行粗略计算的飞行模拟器。

“蓝盒子”林克机的应用范围也不断扩大，共有大约1万套林克机在30多个国家培训了50多万名新飞行员，节省费用估计达3亿美元，不仅用于训练空军飞行员，而且在商业和民航飞行训练中也得到了进一步的使用。直到上世纪70年代初期仍有一些国家的空军还在使用林克机。

3、电子式训练模拟器

二战期间，使用地面模拟器进行飞行训练既可以确保受训人员的安全性，也大幅降低了器材、油料和勤务保障等方面费用，还不用担心天气和场地的影响，在缩短训练周期和提高训练质量上的成效相当显著，因此在二战后期引起各国航空部门重视。然而真实地模拟运动中的飞机，不仅要建立飞机气动特性、飞机系统及外部环境影响的数学模型，还需要能实时求解飞行运动算法，以林克机为代表的早期模拟器虽然可以利用电位器、电动机、测速发电机及旋转变压器等电气元件来进行简化的数学模型运算从而重现真实飞机的气动特性，驱动高度表、空速表、磁罗盘和倾斜指示器等仪表，但无法实时计算运动参数、飞行姿态和仪表参数，对实际飞行训练只是一种辅助手段。

二战期间，战争刺激了电子技术的发展，催生出第一台采用模拟电路电子计算机，利用电子模拟计算机求解并再现飞机的气动特性、发动机特性以及机械各系统的特性，产生的驱动信号经过放大器放大后，再驱动电动机带动执行显示部件（如模拟仪表的指针或刻度盘）转动。1941年英国电信研究所设计了一种能解算飞机运动方程的模拟计算机，用在空中截击雷达练习器上，可模拟雷达引导截击的过程；美国贝尔实验室为海军的PBM-3水上飞机研制作战飞行训练器时，将PBM-3前机身及其操纵装置、仪表等设备和电子计算装置结合起来；柯蒂斯-莱特公司生产的AT-6教练机练习器也装有电子自控部件，1948年向泛美航空公司提供了波音377高空客机模拟器。这是专为民用航空公司设计的第一种综合飞行模拟器，采用与真实飞机一样的全套座舱设备，训练机组人员按程序进行飞行操作和故障处理；1949年林克公司成功开发模拟计算机，用于C-l1喷气式飞机练习器，将飞行程序、发动机控制、无线电导航等系统结合在一起，向美国空军售出1000多台。

这些模拟器通过仪表参数反映飞机实时运动状态，大多采用固定基座形式，既没有运动系统能模拟出飞机的受力情况，也看不到外部环境的变化，这导致操作者可能产生错误的感觉影响到模拟真实性。另外想提高模拟器的精度，势必要使用更多的模拟电路，但模拟电路增加到一定数量后所带来的累积误差又会抵消精度的提高，同时也会缩短整个系统工作时的平均故障间隔时间。

因此在二战期间科学家开始研究具有逻辑运算能力的数字电路，以提高计算机的处理精度和可靠性，美国海军与麻省理工学院和宾夕法尼亚大学合作，开展通用数字式作战飞行训练器项目的技术研究。

1950年代后基于集成化数字电路的电子计算机日渐成熟，不仅可以快速准确建立飞机特性的数学模型和解算各系统实时参数，还能处理大量数据的输入/输出要求，再现飞机气动及机械受力状况和姿态变化。在采用电子计算机系统后，模拟器就能根据操作者的输入信号计算出相关的运动参数，控制机电和液压装置相应改变座舱平台的姿态，使操作者感觉到载荷以及从驾驶杆、脚舵等部件传来的操纵负载发生变化模拟出接近真实的运动感。

关于视景模拟系统，最早在地面固定座舱下铺设活动地形图，早期林克机还配用过绘有景物的环形幕布，但效果既不真实也不精确。

为摆脱模拟器只能用于座舱内部仪表飞行训练的局限，配合实时运动变化、视景显示系统成为模拟技术的研究重点。1950年代最早投入应用的是点光源投影法，点光源视景系统是个光源可以运动的幻灯放映系统，光源是个非常小的高亮度灯泡，其立体坐标的位置受飞行员的控制，代表了飞机的位置；圆形玻璃盘上画有机场的景象，灯泡发出的光线透过玻璃盘投射到环形屏幕之上，使飞行员看到起飞和着陆时的机场景象。

与之相似的电影胶片投影法，用图像来自事先在真实飞行中拍摄的航线景观。

此外用摄像机动态拍摄按实景制作的缩微沙盘模型，用摄像机实时拍摄按实景制作的缩微地图或沙盘，通过闭路电视系统传送给放置在座舱前面的电视机，使飞行员观看座舱外的景象。在1950年代电视机都是单色的，雷迪丰公司在1962年率先采用了彩色电视视景模拟系统。

以上三种传统视觉模拟方法有的图像表现单一，适应性不强，制作和维护复杂，使用成本较高，而计算机成像技术可存储大量的景物模块数据，经过坐标转换等计算后就能构成与模拟器姿态相符的实时画面。由于早期计算机的运算和显示能力不强，实际图像效果还比较简单。

4、数字式训练模拟器

1963年美国林克公司生产了第一台数字电子计算机式的波音727飞行模拟器。从此，随着数字电子计算机及微型计算机的飞速发展，使得飞行模拟器的功能大为增强，各种座舱设备的模拟精度大为提高。

在运动系统方面，1965年美国人D.Stewart D.Stewar提出将并联六自由度机构用作训练飞机驾驶员的飞行模拟器六自由度运动平台模型，因而这种由上下平台和6根驱动杆组成的并联机构也被称为“Stewart机构”，由于有刚度比大、高重载能力、响应速度快、模拟精度高、环境适应能力强、模块化强等优点，很快应用于飞行模拟器。

在视景系统方面，1964年通用电气公司研制出第一台计算机成像模拟系统，用于美国载人航天中心训练宇航员，只能提供带一些纹理的平面透视图，类似的系统在航空领域也多用于模拟夜间起降场景。随着软硬件技术的发展，计算机成像效果不断增强，在立体环境、复杂物体、活动目标和光影变化等方面取得突破，从简单的二维平面景象到复杂细致纹理的三维景象。

同时，光学显示系统也在更新换代。无论简单便捷的单个或组合显示器，还是大视场的球幕投影机，都显著提高了视觉真实感。1972年，美国一家公司开发一套准直透镜显示系统，这套系统大大地改善了飞行员对外界景色的感知，也增强了飞行模拟的真实性。然而，不足之处是每个准直透镜只能提供28度的视角。1982年，英国雷迪弗森公司又开发出了一套广角无限显示设备，该设备采用了横向大幅度的曲面镜，其水平视场角可超过180度，大大地提高了视觉真实感。

5、计算机时代全动飞行模拟器

1970年代后，以高性能数字计算机为核心的新型模拟器开始进入各航空大国的训练体制，并形成系列化，其主要作战飞机和民用客机均配备相应的模拟器。大型模拟器普遍具有完整的座舱设备及其控制系统；视景系统也逐渐从闭路电视方式变成计算机成像方式；运动系统也由三自由度变成六自由度的。此外还可加入音响和烟雾模拟装置，采用科学的配置方案和自检措施来保障系统工作的可靠性。整体座舱由灵活的运动平台支撑，可进行上下、左右、前后、俯仰、倾斜和偏转等较大行程的六自由度运动，反应灵敏而且精度很高，不仅能反映正常的姿态变化，还能模拟失速振颤和发动机喘振这样的效果。另外还设有多功能的教员台，供教员设置初始飞行条件，随时调整参数和插入故障，并监控和评估学员操作情况。

在发展趋势上，一方面将微电子、自动控制、人工智能、虚拟现实等领域的最新技术充分应用到飞行模拟器中，进一步增强模拟的真实性。同时，结合信息技术实现各个模拟平台的网络化，将单纯的飞行训练器扩展为综合任务训练系统，在军用层面上还可构成多军兵种的联合作战模拟训练网。另一方面，改变以往先有实机再搞模拟的做法，将飞行模拟器的研制和使用与相应机型的设计和生产同步进行，这样就缩短了飞行培训时间，使新飞机能尽快投入运营或形成战斗力。此外，还注重将高级模拟器与普通模拟/练习器进行合理的高低搭配，加上辅助教学系统建立完善的训练体制，以提高设备的使用成效。