直升机飞行训练体系建设展望.pdf

中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-118-科技工作方案，其研制的军用飞机仿真训练系统向全球 35 个国家 50余个军用用户提供训练服务。该公司是目前公认的世界第一的飞行模拟训练产品服务商和供应商。英德拉公司是欧洲防务、空中客车、波音、欧直以及欧洲其他军火生产商指定的直升机、战斗机以及民航客机的模拟机供应商，也是欧洲战斗机模拟系统股份有限公司的最大股东。其为美国海军研制的八台 H-60“海鹰”飞行模拟器可用于筠连搜索援救、反潜作战任务及水雷探测、扫雷模拟训练。使用此直升机模拟器可节省大量训练成本和准备时间。泰雷兹公司是享誉世界的军用飞机和民用飞机高等级模拟机的制造商，其他阵风系列战斗机模拟机、空客系列飞机模拟机领域均处在世界前列。其作为世界顶级飞行模拟机供应商，已向中国上海航空、深圳航空和四川航空公司交付 10余台全飞行模拟机，并被民航局作为飞行监察员的训练用模拟机。飞安国际是为全球航空公司提供专业航空培训服务，向商业组织、政府机构和军队供应飞行模拟机，目前，该公司在美国、加拿大、欧洲、南非及亚洲等国家和地区的飞行培训中心和培训场所运营着全球最大的全动飞行模拟机队之一。美国 Frasca 公司是全球最大的飞行训练设备研发、生产商之一。40 多年来 Frasca 公司为世界 70 多个国家提供了超过 1 700 台各种飞行训练产品。其主要生产适用于塞斯 纳 172、DA40、DA42、Cirrus、Piper Seminole 和Archer 培训的通用飞行器飞行训练设备，和适用于贝尔、欧直和罗宾逊等直升机飞行训练设备。美国 ART 公司全称为先进旋翼飞行器技术公司，长期从事高等级飞行训练模拟器飞行仿真软件的研发，目前也开发了一些工程模拟器和飞行训练模拟器，机型涵盖 OH-58D、AH-64A/D、MV-22B、UH-60L/M、CH-53D/E等机型。德 事 隆 分 别 于 2013 和 2014 年 收 购 了 Mechtronix公司和 TRU Simulation 公司并形成一定模拟机研制生产能力，于 2016 年为重庆华夏航空培训中心提供庞巴迪CRJ900NG 型 D 级模拟机。美国 L-3 Link 公司和 Lockheed Martin 公司也是世界知名的模拟训练设备制造商，但他们主要服务客户为欧美等国的军队用户，涉及机型包括 F16、F22、F35、C130等多款美军主力战机。以美国为代表的发达国家，十分重视直升机飞行训练的作用，他们的飞行训练体系完整、配套齐全、搭配合理。模拟训练装备包括飞行综合训练器（Integrated 直升机飞行训练体系建设展望张 剑飞行训练模拟器的研究，从上个世纪初至今大致可分为三个阶段：第一阶段从 20 世纪初到 20 世纪 50 年代，该阶段的飞行训练模拟器主要用于飞行训练，使得飞行训练不仅局限于空中飞行训练的概念，在地面模拟器上同样可以开展有效的训练。第二阶段从20世纪50年代到20世纪80年代，期间数字集成电路出现并快速发展，集成电路的发展促进了飞行训练模拟器的集成化，实现了飞行训练的实时仿真，促进了视景系统等技术的发展，提高了仿真的逼真度。第三阶段 20 世纪 80 年代至今，随着微电子技术在视景系统和运动系统等上的应用，进一步提高了视景系统的成像质量和运动平台的逼真度。1903 年，莱特兄弟制造的固定翼飞行成功，由于直升机动力学结构和气动面的复杂性，直升机在 20 世纪 30 年代实现成功飞行。同样，直升机飞行训练模拟器的成功研制晚于固定翼飞行训练模拟器。20 世纪 60 年代成功研制第一台直升机飞行训练模拟器。直升机飞行训练模拟一直是确保飞行员安全和技能水平的关键要素。在不断发展的航空行业中，飞行员的训练需求也在不断演变，因此，飞行训练模拟器的建设体系需要不断更新和改进，以满足新的挑战和要求。国外直升机飞行训练体系现状国外先进的仿真训练技术体系得益于高度发达的科技和不断创新。美国、法国、德国、英国和俄罗斯等国家在飞行训练领域远远领先于其他国家，各国拥有较完善的飞行模拟训练中心，飞行模拟训练在飞行员的训练中比例越来越高。从课堂学习的计算机辅助训练（Computer Based Training，CBT）到全飞行训练模拟器，形成了一套完善的研制规范和先科学有效的飞行模拟训练体系。国外飞行模拟器的研发技术较为成熟，已经形成规模较大的生产和培训公司，国外进行模拟器生产和培训的公司主要有：加拿大 CAE 公司、西班牙英德拉（Indra）、法国的泰雷兹（Thales）、美国的飞安国际（Flight Safety International）、美国 Frasca 公司、美国 ART 公司和美国德事隆（Textron）集团等公司。CAE 公司为全球的军用航空客户提供全面的训练解决张 剑中国直升机设计研究所张剑(1972)，江西南昌，大学本科学位，高级工程师，研究方向：科技管理及自动控制。-119-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期科技工作Procedures Trainer，IPT）、座 舱 操 作 程 序 训 练 器（Cockpit Procedures Trainer，CPT）、飞行训练设备（Flight Training Device，FTD）、全飞行模拟器（Full Flight Simulator，FFS）和全任务模拟器（Full Mission Simulator，FMS）等。各发达国家的训练中心购置教练机，同时配置 FFS/FMS、FTD 及低端辅助 CBT，合理搭配不同训练设备，为飞行员提供综合模拟训练手段。尽可能满足从航校到换装等各项飞行任务训练要求。国内直升机飞行训练体系现状我国直升机模拟器的研究工作起步较晚。20 世纪 70 年代，直升机的飞速发展驱动了直升机模拟器技术的发展，并建造了我国第一个直升机模拟器。航空工业直升机所陆续研发了直-10 直升机等多种型号专用模拟器，积累丰富的直升机飞行训练设备的研制经验。研制产品还有 S-300 CBI 直升机 5 级 FTD（如图 1）、AC311 直升机 5 级 FTD 等。某研究所于 2002 年研制了一款全任务直升机模拟器，并顺利通过了专业技术鉴定检测，这款全任务直升机模拟设备基本覆盖了飞行训练大纲所规定的内容，能够完成 95%以上的战术、战法训练科目和空中特性处理。北京蓝天航空科技公司可实现模拟器的设计、研发、制造。该公司拥有多个型号固定翼和直升机飞行训练设备的研制经验，其中有代表性的是“支奴干”大型运输直升机模拟器和“新舟”60 模拟器。“新舟”60 模拟器已通过民航局的 D 级认证。国产民用直升机保有量偏低，国内直升机目前主要依赖进口，民用直升机飞行员主要靠送往国外进行训练。国内有一些公司可对直升机飞行员培训，由于直升机设备的数据主要把持在原始设备制造商手里，直升机飞行训练设备的研制存在严重制约，直升机飞行训练设备主要依靠国外进口。军用直升机飞行训练设备主要依靠国内研究所、部队和高校自主研制。但国内直升机飞行训练设备研制经验较少，同时配套产品性能与国外相比也存在较大差距。各种原因造成国内直升机飞行训练设备的总体技术水平与国外成熟飞行训练设备公司相比仍有较大差距。特别是高等级 FFS 或FMS 的逼真度和训练效果不尽如人意。国内飞行训练设备还在发展阶段，技术人员和研制经验积累较为薄弱。此外，飞行训练设备配套的视景、声音仿真、运动、振动等通用产品的逼真度与国外相比也尚有差距。国内直升机飞行训练设备相关规范、标准还未完整建立，特别是 D 等级直升机模拟器的自主研发上经验欠缺。未来发展趋势模拟器体系结构标准化自林克训练器问世以来，模拟器技术得到了显著发展。欧美国家早期的模拟器都是针对特定机型定制开发，没有采用统一架构，无法实现与其他培训设备互联。过去 10 年，美国投资数亿美元对旧设备进行升级，以实现联网训练的需求。但是这些模拟器升级成本较高，目前还未实现旧设备联网目的。欧美等国家已经从各种类型和等级的飞行训练设备向标准化的飞行训练设备转变。复杂仿真系统体系结构标准化是模拟器技术发展的重要趋势。模拟器体系结构标准化对于推动模拟器可扩展性、可互操作性，提高模拟器设备使用效率、降低模拟训练成本起着重要作用。训练体系的虚实结合在日益复杂的大国竞争环境下，军用训练装备需要适应一体化联合仿真训练、强化训练对抗体系、适应复杂自然环境和人文环境等要求。这些具有时代特征的要求对训练设备提出更高要求，迫切需要研究新的训练方式，以适应训练装备样式和训练需求的变化。得益于信息技术和传感器技术的高速发展，军用训练装备的信息化水平和复杂程度也越来越高，逐渐显示出技术集成化、控制智能化等特点。LVC（Live，Virtual Simulation，Constructive Simulation）一体化训练方式综合了实兵训练、虚拟模拟和推演模拟三者的优势，能够提升训练的逼真度和复杂度，降低训练成本。LVC 的有机结合能够实现从战术、交战到战役级等不同层级的训练，达到训练成本-效益最优化的目的。直升机模拟器在未来不仅用于单机训练和科研眼睛，在 LVC 一体化训练方式中将充当“V”的核心，在体系环境下发挥更重要的作用。近年来，随着战场环境和战争方式的复杂化，LVC 的种种优势引起了以美国为代表的军队的重视。从模拟器互联、红旗与虚拟器的联合演习，到分布式任务的例子表明，构建LVC 的训练环境是推动军事训练转型和提高军事训练水平的有效方式。各国采用 LVC 技术进行联合作战演习和任务演习，要求不同设备，包含模拟训练设备、直升机和固定翼和指挥控图 1 S-300CBI 五级训练器中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-120-科技工作制系统具备互联互操作能力。模拟器体系结构的标准化使LVC 仿真更容易开展。美国在 LVC 上有丰富的经验，以模拟器为主的地面分布式作战网络是 LVC 仿真演练的核心。通过该网络可实现实装数据、仿真数据和模拟数据互联互通。2019 年美军知名的“阿尔法空战系统”击败人类飞行员的训练系统就是在 LVC 一体化仿真框架下实现，美国国防预先研究计划局（DARPA）的空战演示项目的技术领域之一就是通过在体系仿真环境中验证战术战法或关键技术的可行性。在项目实施中，美军结合目前已经开展的项目，按照“L/LC”“VC”及“LVC”三条线同步进行实施，如图 2 所示。训练设备效能最优化现在飞行模拟器不仅承担飞行训练任务，也用于战术训练等任务。一些先进复杂的飞行模拟器造价高昂，有的成本已经超过被模拟对象。随着微电子、材料等领域的最新技术应用到飞行模拟器上，有望降低飞行模拟器的成本。此外还应合理搭配高等级飞行模拟器与普通训练/练习模拟器的使用，加上辅助教学系统建立完善的训练体系，以提高飞行模拟器的使用效能。CAE 公司在亚拉巴马州多汉市建立了美国空军和陆军培训中心。培训中心拥有电子课堂、桌面式训练器、低等级训练模拟器、高等级训练模拟器、实装飞机等各种培训和训练设施，是全球领先的培训中心之一。根据对学员的理论知识和训练数据进行分析，合理安排学员的训练计划。日前，美国 FSI 公司正在与 IBM 公司合作，联合开发飞行员综合绩效评估和培训工具“FlightSmart”。通过“FlightSmart”分析工具可以快速得出飞行员下一阶段针对性训练计划，节约训练资源，提高训练效果。FSI 公司计划将“FlightSmart”应用到其系列产品上，对飞行员整个培训周期进行评估。美国军方从飞安国际、CAE、空客直升机、洛克希德马丁、Ryan 航空航天等公司订购了大量的飞行训练设备，用于美军直升机飞行员训练。飞行训练设备可以给训练人员提供相对准确的仪表响应和飞行控制，可以实现常规飞行训练和故障特情处置训练。虽然在沉浸感和逼真度上逊色于高等级模拟器，但可以低成本地实现飞行训练程序和构建正确肌肉记忆。虚拟现实（VR）和增强现实（AR）作为新兴的技术，有希望成为培养飞行员的新途径。与传统飞行训练系统相比，基于 VR 和 AR 的飞行训练系统具有降低设备成本和可实现不同机型的训练等优势，目前世界很多国家开展基于 VR和 AR 技术的模拟器研究。2019 年，美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心（NASAs Armstrong Flight Research Center）和系统技术公司（Systems Technology Inc）合作研究 VR 和 AR 技术，设计了一种头戴式增强现实工具，结合座舱和操纵设备实现了飞行训练功能。近几年，专门从事直升机模拟训练的 Ryan 航空航天公司与美军合作开展了虚拟现实和增强现实在飞行训练领域的研究，成功研制出了利用虚拟现实和增强现实技术的一系列新产品。图 4 为 Ryan 公司开发的基于 VR 技术的飞行训练系统 HELIMOD Mark。结语目前军用直升机的模拟训练与直升机实装训练的结合越来越紧密，直升机模拟器的发展目标之一就是尽可能替代实装训练，高逼真度的模拟器也越来越受军队欢迎，模拟器使机组人员能够在驻地进行训练，从而提高训练灵活性和效率。欧美等国家的直升机模拟器技术领先亚洲 10 多年的时间。我国可以吸取欧美等国家的经验教训，在现有模拟器设备和未来模拟器的研制中考虑联合化训练，采用模块化设计和通用化设计，跳过旧训练系统的弊端，直接进入训练新体系。此外，我国应借鉴欧美的体系结构标准化的经验，制定适合本国的模拟器体系结构标准化策略，满足后续模拟训练需要，同时为 LVC 一体化训练建设打下基础。图 2 美军 LVC 建设规划图图 3 基于 AR 的飞行训练系统图 4 Ryan 公司基于 VR 技术的飞行训练系统