智能仿真技术在航空领域的应用与发展
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作者:麻耘豪
摘 要： 在航空领域，智能仿真技术技术的运用与研究起步相对较高。在上世纪50年代，智能仿真技术技术就开始运用在航空控制自动化领域。本文对智能仿真技术的起源与发展史进行介绍，最后结合航空领域对智能仿真技术的应用与发展进行了探讨与分析。
关键词： 航空领域;智能仿真技术;应用;发展
中图分类号： TP182 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.030
【Abstract】： In the field of aviation， the application and research of intelligent simulation technology has started relatively high. In the 1950s， intelligent simulation technology began to be used in the field of aviation control automation. This paper introduces the origin and development history of intelligent simulation technology. Finally， it discusses and analyzes the application and development of intelligent simulation technology in the aviation field.
【Key words】： Aviation field; Intelligent simulation technology; Application; Development
0 引言
所谓仿真技术，就是结合相似的原理、系统技术以及信息技术，通过计算机与相关物理效应工具，对系统模型进行试验的一种技术。仿真技术具有很强的综合性，其结合了计算机技术、多媒体技术、信息技术、自动控制技术等多项智能技术。该项技术在现代社会多领域都有着非常广泛的应用，对于推动社会发展而言有着十分重大的意义。本文以航空领域为例，对智能仿真技术技术的应用与发展进行探讨与研究[1-5]。
1 我国航空领域智能仿真技术发展史概述
在飞机型号研制中，人们运用三轴模拟转台的自动飞行控制系统的半实物仿真试验。到60年代，随着连续系统仿真的发展，围绕离散事件系统仿真技术开始得到探究。70年代，在我国航空领域，训练仿真器的发展取得了重大突破，除了国外引进的飞行模拟器，我国自主研制的型号飞机飞行模拟器也取得了成果。80年代，我国的半实物仿真系统不管是技术水平还是规模都取得了重大突破，在歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统中都得到了体现，这对于研制武器型号而言无疑有着重大影响。到了90年代，智能仿真技术在我国的研究水平得到了进一步提升，其方向开始转变为分布交互仿真、虚拟现实仿真等领域，针对一些复杂系统仿真的规模也在逐步扩大。
2 智能仿真技术在模拟飞行器中的具体应用
2.1 工程飛行模拟器
在工程设计中，工程飞行模拟器可以为设计人员提供支持，促使其在一个真实的环境下进行飞机设计工作，从而对设计方案进行改进，调整重要的设计参数，最终提高方案的可行性与合理性，实现
设计与制造成本的有效控制。与此同时，对于首飞的飞行机组而言，通过工程飞行模拟器还可以开展训练活动，维护人员也可以凭借此获得有效培训，进而为新型飞机的首飞与后期研制工作奠定扎实的基础，减少相应的成本。通常来讲，工程飞行模拟器在飞机研制中能够减少近7000万美元的成本，其取得的经济效益显然是非常可观的[6-9]。
2.2 训练模拟器
训练模拟器则属于一种“真实”的定型飞机，飞行员可以利用其联系驾驶技术。不可否认，飞行员培养成本是非常高的，采用真实的飞机来完成训练不管是成本还是安全都面临着巨大风险，而在智能仿真技术的支持下，只需要通过地面仿真飞机就可以完成飞行员的训练，不管是成本还是安全都得到了保障。中国民航就提出，所有型号的飞机的市场都取决于其是否有飞行模拟器。在飞行模拟器的支持下，飞行员的训练成本大大降低，美国曾针对39种飞机进行调查，并得出结论：在每小时内使用飞行模拟器的的成本只占到使用真实飞机成本的8%。特别是有的训练项目可能有一些特殊的飞行动作或者极限边界，在如此真实的环境下进行训练，飞行员的安全将会受到严重的威胁，而选择飞行模拟器则可以化解这一风险。
训练飞行模拟器的组成包括仿真计算机、视景系统、运动系统、音响系统、操纵负载系统以及模拟座舱等。其中仿真计算机的作用在于对飞行动力学与机载系统特性的数学模型进行计算;视景系统则可以对真实的飞行环境进行模拟，给飞行员一个真实的驾驶体验，帮助其完成训练;运动系统则可以为飞行员提供飞行感觉，例如加速、过载等;音响系统的作用则是营造音响效果，让飞行员感受发动机噪声、气流声音等;模拟座舱则是按照真实飞机的座舱进行布置。在模拟座舱中，飞行员可以结合仪表及模拟环境相关信息做出反应与判断，然后操作操纵杆输出操作量，通过仿真计算，对飞机动力学数学模型进行解算，最后实现相关飞行参数的形成，例如飞行高度、飞行速度等。
3 智能仿真技术在航空领域的应用与发展
3.1 虚拟样机
所谓的虚拟样机，就是以仿真技术为基础进行的设计方式。虚拟样机源自于计算机制造，换言之就是利用计算机进行装配、组合以及调试而形成的样机。在设计过程中，设计者可以对其特点与属性进行评估，从而采取优化与完善措施。波音公司将虚拟技术运用在777飞机上，并实现了设计无纸化，设计内容涉及到仅300万个零件，却没有具体的图纸，也没有物理样机。而在传统设计模式下，飞机定型生产首先需要利用物理样机进行试验与测试，然后以此为基础来优化方案，这种方式显然付出的成本较高，而选择虚拟样机则规避了物理样机的问题，不管是设计成本，还是设计周期都得以降低，其取得的效益无疑是非常可观的。基于虚拟技术建立的虚拟样机，除了在设计方案的修改与优化上可以提供诸多便利，与此同时产品的设计水平也得到了提升，这无疑可以增强产品市场竞争力，对于推动航空领域的发展有着十分积极的影响。 3.2 虚拟制造
虚拟制造指的是利用计算机来实现制造过程，这种方式将计算机技术与仿真技术结合到一起，基于仿真模型的建立，将生产过程进行计算机仿真，从而使产品工艺规程、加工制造、装配调试等得以实现，并且可以更好的评价与测定产品的性能参数，这对于航空领域而言显然具有较高的应用价值。虚拟制造的组成涉及到三个系统，即虚拟物理系统、虚拟信息系统以及虚拟控制系统。其中虚拟物理系统包括虚拟机床、加工体、机器人等，虚拟信息系统则涉及到虚拟计算、管理、调度等内容，虚拟控制系统有控制器、控制计算机等。就本质而言，虚拟制造就是对计算机加以利用，從而实现“虚拟产品”的生产与制造[10]。
3.3 虚拟试飞
飞机的运动具有六自由度特点，在飞行过程中，飞行员需要完成一系列动作，例如驾驶、引导、攻击等，通常来讲，飞机的特性与飞机稳定性、操纵性、控制系统、发动机特性等因素有着密切联系。基于建模与仿真建立的飞机动力学系统的建立，可以实现对飞行动作的虚拟，并在方案论证、概念设计以及详细设计等环节有效验证飞机前期技术水平。基于此还能够对设计方案进行完善与优化，最终使飞机满足预期设计的要求与标准。待飞机定型后，虚拟试飞还可以根据用户的使用情况，对训练飞行模拟器进行研制与开发。
3.4 虚拟空战
随着科学技术不断发展，在未来空战在战争中将会占据主导地位。在现代空战中，飞机的作战距离往往决定了其机动性。在现代空战中，大部分情况下都是利用机动飞行的载机来进行搜索、探测以及跟踪任务，然后基于此由发射出的机动飞行导弹，
对瞄准的目标进行打击，换言之即“三机动”。机动飞行的载机向机动飞行的目标发射机动飞行的导弹进行攻击。基于智能仿真技术对这一过程进行描述与演示，就被称为虚拟空战。在地面试验条件下，如何实现真实交战环境中的飞机攻击仿真具有一定的难度。此外，现实交战环境十分复杂，有时存在多对多以及目标不固定的情况，基于此还要对目标选择与分配问题进行分析与研究。在多对多的空战中还涉及到空中预警机、地面指挥系统的数据、语音交互，并且要考虑干扰与反干扰问题，这无疑也成为了智能虚拟技术需要研究的内容。
4 结论
总而言之，在科学技术不断发展的背景下，航空事业的发展也取得了重大突破，现阶段航空领域对智能仿真技术的应用水平也在不断提升。当然我们也需要承认的是，相较于发达国家，我国航空领域中关于智能仿真技术的应用依然存在一些不足，这就要求我们围绕此展开深入研究，不断提高技术水平，充分发挥出智能仿真技术的作用与价值，从而为推动航空领域的发展提供有力支持。
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