1 应用背景

    飞机模拟器近些年在飞机设计和飞行训练方面都有了广泛的应用。飞行训练模拟器作为对飞行员进行驾驶术、空战、设备操作训练的地面设备已经被广泛应用；而飞机工程模拟器则为飞机或机载设备从预研论证到产品设计到快速原型的一系列的设计过程提供了全面的环境支持，成为相关工程设计中主要的综合调试环境和验证手段。

    然而，大型的工程模拟器造价昂贵、建设周期长，只有部分主机厂所有能力投入人力和财力进行建设，并且对于大部分的机载设备生产厂商也不一定需要完备的工程模拟器环境。

    基于PC的飞机模拟器正式考虑到这些因素设计的一款产品。对于主机厂所，可以在项目前期通过基于PC环境的飞机模拟器进行相关的论证和设计工作，这样可大大减少开支，降低项目风险。而对于机载设备生产厂商，可以通过基于PC环境的飞机模拟器来完成所生产设备的各种基于飞机环境的试验工作，或者将飞机模拟器作为综合半实物仿真实验室中的一个组成系统。

    另外，此飞机模拟器也可以作为工程师平台，与大型工程模拟器集成在一起，为工程技术人员提供了一个集模型编辑管理、实时运行环境、数据记录分析及可视化环境于一体的综合平台。

    2 系统简介

    基于PC飞机模拟器的工程师平台既可以与大型模拟器平台全环境运行共同完成各种复杂的工程试验，同样也可以作为一个独立运行环境进行飞机性能计算和品质分析等不依赖座舱硬件设备的试验。

    总体来说，基于PC的飞机模拟器建设费用低、可扩展和可配置性强、使用灵活，对环境要求少。虽然在视觉、听觉和驾驶杆力等方面不可能与大型模拟器相比，但在实现功能方面并不比大型工程模拟器少，区别在于将大型工程模拟器上硬件环境下实现的座舱仪表等系统的模拟以全数字仿真的方式来实现而已。

    基于PC的飞机模拟器按功能划分为以下几个子系统或关键技术内容：

    •单机视景系统

    •飞行仿真建模

    •综合控制及数据处理软件

    •通用的飞机操纵环境

    3 系统构成

    单机视景系统

    主要特点：

    全球地景数据库；

    多视角切换；

    雨、雪设置；

    时间场景设置（黄昏、中午、傍晚等）；

    三维的虚拟仪表模型；

    基于XML的三维模型配置；

    环境要求低（市售PC，P42.0，2GB内存，独立显卡）。

    飞行仿真建模

    规范要求

    严格按照国标相关要求建模，保证相关坐标系、量纲和命名规则符合专业要求

    全包线的飞行模拟

    以飞机运动方程为核心，结合气动力计算、地面作用力计算和质量计算等内容完成下列内容的模拟：

    • 地面滑跑

    • 起飞

    • 爬升

    • 巡航

    • 空中机动

    • 下降

    • 着陆

    完善的地面作用力模型

    地面作用力模型主要负责计算地面对飞机的作用力和力矩，其中包括纵向、侧向和垂向的力和力矩计算。纵向计算要求考虑飞机轮胎与地面的静摩擦力、滚动摩擦力和刹车力等内容，并且计算过程中应考率刹车系统的防滑功能的模拟。侧向力计算要求考虑轮胎的侧向摩擦、前轮偏角、不对称刹车等内容。垂向支反力的计算主要考虑起落架支柱的静态载荷和动态阻尼影响。整个地面控制模型的计算中考虑干、湿、冰、积水、积雪、不均匀湿、不均匀冰和橡胶擦痕等跑道情况。如果没有数据支持，特殊跑道条件采用理论数据计算。

    标准/非标准大气模拟

    按标准大气数据建立的大气模型，可以完成大气温度、压强、声速等参数的计算；另外，通过修改海平面温度和压强将标准大气垂向移动，或设定特殊的温度剖面来实现非标准大气的模拟。

    风的模拟

    以特定的风场数据模拟为基础根据飞机的高度和位置计算风速，主要考虑的风模型包括：侧风、风切变和微下冲气流。

    微下冲气流与飞机和跑道的几何关系

    微下冲气流数学模型

    紊流的模拟

    紊流主要模拟的是常见的雷雨紊流、晴空紊流和低高度紊流三种紊流类型，主要是通过特定的随机数发生器和成形滤波器来实现。紊流强度可通过设置改变，分为轻度、中度和重度三个级别。

    飞参设置功能

    飞行仿真建模的过程中将考虑到工程试验的更重要求，实现主要飞行参数的设置、锁定或冻结的功能，以方便各工程试验的进行。

    可设置的主要飞行参数包括：高度、速度、马赫数、俯仰角、滚转角和航向角。

    冻结和锁定的内容包括：飞行冻结、高度锁定、速度锁定、俯仰锁定、滚转锁定、航向锁定、水平飞行和机翼改平。

    自动配平功能

    在仿真过程中设置了不同的高度和速度后将自动通过迭代计算实现相关的配平工作。这里的自动配平分为初始配平和实时配平，初始配平是指在初始化过程中根据初始参数完成的全机各向配平，实时配平是指在模型运行过程中的纵向配平。

    目标机生成

    通过设置界面设定目标机的初始位置、速度和加速度，并可实现特定的相对飞行态势的设定，主要用于雷达系统的模拟。

    综合控制及数据处理软件

    综合控制及数据处理软件主要负责对飞行仿真模型控制、数据监控和数据记录的功能。同时综合控制及数据处理软件也集成了数据浏览和处理的功能，可通过本软件完成数据的整理和专业计算，例如：性能评估和品质分析计算等。

    通用的飞机操纵设备

    试验过程中如果需要人在回路的仿真模式，可考虑采用高端的游戏设备来代替飞机上的驾驶杆、油门杆等主要操纵环境。

    如果上述设备不能满足工程试验的要求，也可以根据要求定制相应的飞机座舱仿真组件来实现人在回路的仿真。