航天飞行模拟器

航天飞行模拟器是模拟飞船飞行状态和过程的机器，其主要功能是训练航天员和研究飞行技术。它是在航空飞行模拟器的基础上于最近二十年来研制成的大型地面设备。
航天飞行模拟器种类很多。从用途上分，有“研究用飞行模拟器”和“训练用飞行模拟器”； 根据训练内容之不同，又可分为“全任务飞行模拟器”和“部分任务飞行模拟器”；根据座舱运动的有无，可分为“静座舱飞行模拟器”及“动座舱飞行模拟器”；等等。
航天飞行模拟器的用途是使航天员熟悉飞行过程和环境，体验航天中各种感受，掌握在各种航天飞行条件下执行和完成任务的技能、技巧，训练航天员与地面控制中心及各跟踪站的联系和协调工作能力。此外还可以进行各种有关的研究工作，如各种和人的因素有关的飞船结构、部件、参数的选取，仪表形式及布局的确定，从而为飞船的设计提供有用的资料，使人机关系更为合理，提高飞行中人与飞船的效率。利用飞行模拟器可以设置和输入实际飞行中可能发生的各种“故障”，训练航天员判定及排除故障的能力。在航天过程中发生故障时，还可以在地面上利用模拟器模拟、探索和确定排除故障的途径。
训练航天员用的飞行模拟器必须满足人体的相应要求，其中最重要者是其“真实性”。就是要用飞行模拟器给航天员造成似乎是在实际飞船中飞行一样的逼真印象，从而诱导出航天员在实际飞行中的各种生理、心理状态，诱导出航天员在实际飞行中要做的各种动作，使航天员在实际飞行前正确地掌握实际飞行中必备的各种技能。要用航天模拟器完全模拟出航天的真实情况往往非常困难，甚至不可能，如高G值超重、长期失重等，就必须在其他专门设备上模拟。但也只有当模拟器模拟的项目和参数达到一定要求时，才能造成较强的真实感。
凡是航天员在实际飞行中感官能够感受到的各种刺激信号，都是需要模拟的对象。和航天活动有关的感觉主要有视觉、运动觉、触觉、本体感觉、听觉、嗅觉以及温度、压力等感觉。各种感觉在飞行模拟中的重要性虽各不相同，但都起一定作用。随着飞行模拟研究工作的深入，模拟技术的发展，航天模拟器的模拟项目将更加全面。
视觉模拟 人的视觉功能极其精密和敏感，因此要获得满意的视觉模拟比较困难。近年来人们进行了广泛的研究，已形成了“视觉模拟”这一独特的科学技术领域。
视觉模拟的参数 在视觉模拟中需要模拟参数的极限值、要求达到值与模拟真实性之间关系的正确确定。虽已有不少工作，但尚缺乏完整性，今后仍需进行更深入系统的工作。
(1) 视场：头部不动时双目视场大约为水平185°，垂直150°。但航天飞行器的舷窗限制了视场的大小。模拟视场的大小需依据具体的航天飞行器的窗口及模拟任务决定。在确定视场时，必须考虑允许的最大头部位移。
(2) 显示亮度：人眼可感受的亮度范围很大，而判断绝对亮度的能力又较差，因此模拟中一般不用实际景物亮度。要求过高的显示亮度会给显示器制作带来很多困难。一般认为平均亮度在17～51尼特(nt)就可满足要求；较为理想的最高显示亮度约为343nt。亮度过低会影响分辨率和对比度，并增加眼观察时的紧张和疲劳程度。
(3) 分辨率： 人眼的最高分辨率大约为1弧分。模拟器视景系统的分辨率要根据具体任务确定，如要求识别目标的形状和大小，景物的杂乱程度和对比度等。目前较好的视景系统的分辨率可达3～6弧分。分辨率太低会影响目标的识别，丧失深度、高度感。显示的景物缺乏细节，会增加眼观察时的疲劳程度。
(4)对比度：在任一亮度下，人眼都有一最小可分辨对比度；当亮度达一定值后，此最小值几乎为一常数。在显示中对比度和灰度级是重要参数，它们直接关系到显示景象的质量，如果其值过低，会影响目标的识别。目前一般认为对比度应大于75，其极限值大约为1000。
(5) 几何畸变：在静态情况下，图象和实物有10～20%的几何畸变也不会引起不良作用，甚至分辨不出来。但在动态情况下，畸变小于5%才能避免干扰作用，小于2%才不会引起畸变感觉。较理想值应小于1%。
(6) 显示观察距离： 理想值应是无限远。一般认为当显示距离在6m以上时，就可以认为是无限远显示。如果显示距离过小，眼在看仪表和外景的相互转换过程中所需的调节时间和实际飞行情况就不一样。近距离显示的另一缺点是视差大，包括头部移动时会造成较大的视差。无限远显示可减小眼观察的疲劳程度。
(7) 透视：透视能造成远近深度感，有助于判断距离，此值与实际值相差不应过大，理想误差应小于1%。
(8) 彩色：颜色是人识别和判定目标的重要因素，它不仅可增强真实感，而且还有提高对比度和分辨率的趋向，从而提高象质，减小观察疲劳。显示彩色和实际彩色间的误差理想值应小于1%。彩色显示有很多优点，技术上也有可能，因此得到广泛应用。
(9) 显示系统出瞳：应包括整个观察区域，即包括几个观察者同时观察加允许头部位移的空间。
(10) 动态响应：在飞行器的整个动态范围内，都应保持良好的动态响应。否则会发生操纵动作和运动响应的脱节，造成不良效果。
一方面要确定合理的参数要求，另一方面要不断地改进和提高模拟技术，从而保证模拟的真实性。
视觉模拟技术 包括舱内环境和舱外环境（视景）的模拟。
舱内环境指座舱内部结构、形状及各种仪表、部件、灯光的布局。制作一个（主要指舱内）1:1的座舱模型，装上相应的仪表、部件等各种装置，就实现了舱内模拟。根据不同的任务，所用之部件可以是真实的，也可以是模拟的，还可用实物模型。总之，让航天员进舱后会产生进入真正飞船的感觉，操作时主要仪表部件要有实际飞行时的响应。为了适应视景显示亮度，舱内照明水平要能调整。
视景的模拟比较困难。为方便可把视景模拟分为像发生端和像显示端。
能把同飞行有关的舱外景物的像储存起来，使用时可方便取出的各种技术，都可做为“像发生技术”。适用于航天模拟的像发生技术主要有以下四种。
(1) 胶片加相应的光学系统： 感光胶片储存信息能力很强，分辨率高，彩色逼真。只要按一定比例把要模拟景物的像复制到胶片上，用相应的光学系统把它放映出来，就可以达到一定的模拟效果。缺点是动态范围小，机动性差。
(2) 模型加相应的光学系统： 按一定比例制作景物模型，用相应的光学系统使模型成像，可以模拟一定的景象。如用天球模型可以产生航天飞行时看到的星空象。
(3) 模型加闭路电视系统： 利用模型储存信息的能力制成一定的比例模型，用特殊的取景器——光学探头和闭路电视摄像机取景，可以把景像显示给航天员观察。这种方法的缺点是，受到模型比例的限制，光学效率较低。
(4) 电子计算机成像系统： 随着电子计算机技术的发展，电子计算机成像技术在视觉模拟中得到了越来越多的应用。其原理是把要显示景物的数学模型储存在计算机中，根据飞行器的动力学特性和瞬时视场，取出相应的信息，通过各种变换和处理，把景物的像以视频信号的形式送到显示端。这种方法有较大的机动灵活性，免去了制造巨大模型和设备等的困难。只要改变景物的数学模型和飞行器动力学特性，可适用于不同飞行器的各种视景模拟。目前由于受到计算机存储量和运算速度的限制，尚难于对复杂景象进行实时的模拟。但随着电子计算机性能的提高，这种方法会得到更广泛的应用。
由于各种方法各有优缺点，因此一套飞行模拟器上往往同时采用几种技术。
把景物的像呈现在航天员眼前，让航天员观察称“视景的显示”。显示方式主要有三种，即“屏式显示”、“幕式显示”和“无限远显示”。前两者缺点较多，无限远显示获得了较广泛的应用。图1表示无限远显示的原理。这种显示观察距离大、视差小，降低了观察时眼肌的紧张和疲劳程度，比较接近实际飞行条件。其原理就是把物面放在光学系统的焦面上，就会得到呈现在无限远的虚像。所用光学原件有球面反射镜加平面透、反射比例分光镜系统，椭球面反射镜系统等。用前种办法，可以把数个像源的像同时显示在一个视场中，称“多路输入”。劈光镜的作用是使入射光束按一定比例分为反射和透射两个光束。无限远显示的缺点是光损较大。为了减轻设备重量，降低成本，可用非玻璃材料制造光学元件。

图1 无限远显示原理图

为加大视场，可把几个无限远显示器组合起来，称“光学镶嵌技术”。这样既可保证大视场，又不降低显示指标。实现镶嵌技术的办法较多，“圆煎饼(Pancake)窗”是一种便于实现大视场的结构。
运动模拟 运动模拟为人感知飞船状态提供了一条重要的信息通道，不但会增强模拟的真实感，还能给航天员提供监视、感知飞行状态和故障的早期信号。因此在具有运动系统的飞行模拟器上，受训者的响应和操作方式与实际飞行中的情况更为接近。
要完全真实地模拟航天器的加速度是不可能的，因为加速度会导致很大的位移。但无论是前庭，还是触觉和本体感受器，对加速度及张力的刺激都有一定的“适应时间”；当适应后，对这些刺激的敏感度便迅速下降以至消失。即这些感觉器官只对起动刺激，也即只对加速度的变化率敏感。根据人体这一生理特点，采用了一种“冲消技术”来模拟起动加速度： 当模拟的加速度达一定数值后，使用一反向的阈下加速度使模拟的加速度值减小、变为零值并倒向，最后使座舱回复原位，以保证运动系统不致运动到极限位置，并为模拟下一个运动作好准备。
根据不同的任务和要求，运动系统自由度的数目和有关参数不同。目前用于飞行模拟的先进运动系统已可提供六个运动自由度。这是一种由六个作动简组成的结构，靠六个作动筒同时动作，即可模拟六个自由度运动。
要完全真实地模拟持续性的线加速度也是不可能的。但改变座舱与人体方位，利用不断改变作用于人体的1G重力矢量相对于人体的方向及作用部位的办法，可达到一定程度的模拟。发射或者上升段的较大垂直持续性线加速度只靠运动底座难于较好地模拟。除运动底座外，可加装一倾斜架，使座舱纵轴可由水平仰成垂直，利用地面上作用于航天员背部的1G重力矢量的变化，模拟上升段的持续性线加速度。离轨和再入时的持续性线加速度可利用运动底座改变俯仰和滚转角度达到一定程度的模拟。此外，还可利用G椅、抗荷服及背带、操纵力系统等设备，协同运动系统共同模拟加速度和操纵力的作用，使模拟更加逼真。
轨道飞行段的失重状态尚无法在飞行模拟器上真实地模拟，但反推火箭点火所造成的小幅度冲击性加速度对航天员的影响，应加以模拟。模拟中必须利用角度冲消技术，保证航天员体位无明显改变，从而消除地面上1G重力矢量相对人体方向改变造成的虚假信号的影响。
听觉和嗅觉模拟 利用高度逼真的音响系统不仅可提高模拟的真实性，还可使航天员增加一个通道的信息来源，提供故障的早期信号。还可以模拟噪声的不良影响。声音可由“声音合成器”产生。先对飞行中各种声源的声音进行频谱、音量分析，把各种频率的声音信号储存起来，然后由电子计算机控制，响应航天员操作及仪表、设备等运行情况，合成逼真的音响信号。各个扬声器应相应布置在适当方位上，由计算机控制，模拟声音方向。电子设备等的烧焦气味的模拟可以作为嗅觉信号，用来指示有关的故障，同样可增加信息来源和逼真性。
模拟器的其他设备
教练员和机务员台 教练员台上除装有舱内的相应仪表和显示外，还装有各种控制开关、监视系统、记录系统、通话系统、飞行条件给定装置及冻结装置、故障输入等系统。教员可在教员台上指导、控制和评定学员的操作。机务员台是为保证整套设备正常运行的操作台。
电子计算机 它是飞行模拟器的“心脏”，除视景系统中的电子成像计算机外，其他各系统也要用计算机。飞行过程中各种飞行条件数据都要储存在计算机中； 飞行器的动力学参数、方程和各种座标变换等一系列数学模型都要由计算机实现。此外，还有很多转换和接口设备。计算机接受舱内受训者及教练员发出的各种输入，经过相应的运算处理，把输出送到各相应系统。一套完整飞行模拟器的组成和关系如图2所示。
模拟器性能的评定 除一般技术指标外，最主要的指标是其模拟的真实性。除靠有经验的教练员和飞行员进行主观比较评定外，较客观的指标是“训练转移能力”(training transfer)。所谓训练转移能力是指航天员在飞行模拟器上训练学得的经验和技术带到真正飞行器上以后执行同样任务所能达到的正确和熟练程度； 从人的角度看，就是在模拟器上执行某任务所受到的刺激和响应与在真正飞行器上执行同一任务时所受到的刺激和响应的一致程度。
训练转移能力与模拟器真实性密切相关，但真实性与研制费用有关。当真实性达到一定程度后就可以满足使用要求； 如过高地追求真实性，不仅对转移能力提高不大，反而会使研制费用十分昂贵。真实性、训练转移能力和费用三者间有一定关系，必须合理要求，讲求实效。

图2 飞行模拟器组成方块图

总之，航天飞行模拟器是训练航天员的最安全、最经济、最灵活而又十分有效的地面设备。随着科学和技术的发展，模拟技术亦将不断进步，模拟器将日趋先进和完善。