近日，一張由韓國科學技術高級研究所研發的人形機器人操作飛行模擬器的照片引起外界關注。照片中，該人形機器人坐在飛行模擬器的駕駛座椅上，面對着幾面按照真機座艙顯示系統位置設置的顯示屏，操作着控制&上的按鈕。
不管事實是否真如外媒所説——該機器人可像人類飛行員一樣自主駕駛飛機，有一點可以確認，那就是飛行模擬器自此又“解鎖”一種新功能：人形機器人可對其進行“上機操作”。
和之前媒體上披露的美國、俄羅斯等國所使用的飛行模擬器相比，照片中的飛行模擬器比較簡陋，看上去有些“骨感”。但憑藉外觀來評價一台飛行模擬器顯然有點武斷，畢竟，除了硬體設施之外，飛行模擬器“能力”的大小更取決於它的軟體，取決於它是否應用了更好的飛行模擬技術。
那麼，什麼是飛行模擬技術？它對飛行模擬器會産生什麼樣的影響？它有着什麼樣的發展歷程？當今應用現狀如何？今後會朝哪些方面發展？請看本期解讀——
圖為人形機器人正在操作飛行模擬器。資料圖片
“教培”飛行員，是飛行模擬器的“看家本領”
2020年5月，有外媒報道，加拿大CAE公司與法國空軍達成協定，向後者提供第三台PC-21飛機全任務地面站飛行模擬器。
報道中特意提到，新的PC-21飛行模擬器使用了皮拉圖斯公司提供的駕駛艙。該駕駛艙集成了一系列CAE公司的倣真和綜合環境構設技術，比如先進圖像生成器、開放地理空間信息聯盟公用數據庫架構，以及計算機兵力生成軟體。
之所以強調這些內容，是因為對飛行模擬器來説，這些技術就是其發揮作用的強力支撐。換句話説，是這些倣真或者飛行模擬技術，使PC-21飛行模擬器能更逼真地營造接近現實的飛行訓練環境，發揮其“教育培養”飛行員的作用。
“教培”飛行員，是飛行模擬器的“看家本領”。最初的飛行模擬器就是從助力“教培”起步的。但隨着時間推移，“教培”飛行員已不再是其全部功用。當前，不少國家的飛行模擬器還可用於研發、測試、評估新機型，或者用於組織對抗演練、對戰爭進行“預演”，等等。
從最初用於練習基本飛行操作，到如今用於練習協同作戰，這種跨越的背後，是不斷發展的飛行模擬技術在強力牽引。
需要説明的是，廣義上的飛行模擬技術，不是指哪項單一的技術，而是與模擬飛行相關的所有技術的“合體”，其中計算機倣真技術尤為關鍵，推動飛行模擬器功能實現“質的躍升”。
20世紀初至30年代，人們對飛機的開發利用剛剛開始，飛機的結構也相對簡單。因此，這一時期的飛行模擬器是較簡易的機械式模擬器，有一定代表性的是安托瓦內特模擬器。而在其後較為著名的林克航空訓練器，則基於儀表技術、控制技術等的發展，本質上仍是機械式模擬器。
1946年，世界上第一台計算機誕生。20世紀40年代末期，首&模擬式電子計算機就被用於三自由度飛行模擬系統的倣真。
之後的二三十年間，隨着集成運算的電子計算機日漸成熟，飛行模擬器開始了從機械式向電子化的蛻變轉型。在此期間，飛行模擬器視覺系統也在快速發展。一些飛行模擬器具備了實時解算飛行參數和航跡信息的能力，擁有了六自由度運動&&，即可以進行俯仰、滾轉、偏航、起伏、橫移、縱移。
20世紀70年代，高性能數字計算機技術的加持，使倣真能力更高的一批新模擬器進入各航空大國的訓練體制，模擬訓練成為先進國家空軍訓練的一部分，並逐步系統化。這些國家的主要作戰飛機和民用客機均配備了相應的模擬器，不僅能進行飛行模擬，還可進行工程模擬。
20世紀80年代末至90年代初，隨着虛擬現實技術（VR）誕生，一些國家開始研製基於VR技術的飛行模擬器。英國航空航天局在1991年巴黎航展上展出了研製的“虛擬環境構形訓練輔助”系統——虛擬駕駛艙系統。這方面的研製，為後來的多武器系統體系對抗倣真奠定了基礎。一些西方國家在此基礎上開發出了戰役訓練模擬裝備,並逐漸用計算機模擬系統演習來取代部分實兵演習。
20世紀90年代至今，隨着互聯網技術和虛擬現實技術的快速發展，飛行模擬器的發展進入新階段，其異地高速交互、全任務類型模擬、高逼真度、強沉浸感等特點，使飛行模擬訓練變得更加便捷而高效。
蘇-35戰鬥機飛行模擬器。
從“飛行員搖籃”拓展到“虛擬空戰場”
實際上，在航空航天領域，飛行模擬技術後來更多指狹義上的計算機倣真技術。
這種倣真，在很大程度上基於設計人員通過計算機“搭建”的數學模型。這些數學模型能用科學的方法來反映實物的基本特徵，並代表實物參與到以計算機運行和控制為特徵的相關實驗、分析和研究中。
以當前一些先進飛行模擬器的視景系統為例，計算機倣真技術的運用，能讓使用者看到相應的一系列逼真的虛擬場景，如同正在放眼真機艙外。這其中，既包括機場跑道、燈光、建築物、地形地貌，也包括雲、雨、雪等氣象條件，還包括白天、黃昏、夜間景象等，從而使飛行員産生身臨其境的感覺。
在研製新型飛行器過程中，計算機倣真技術則能將新型飛行器由“無形”化為“有形”，即通過將新型飛行器的性能和機載設備狀態參數輸入飛行模擬器的控制計算機，就能對飛行器的運動進行實時倣真計算，模擬新型飛行器的動態飛行性能、空中飛行的視聽覺和座艙環境，以及滑行、顛簸、空中氣流擾動等真實動感，“預覽”其性能、系統工作狀態、設計缺陷，為改進提供依據。
由此可見，搭建數學模型是計算機倣真的靈魂。而要搭建數學模型，則離不開包括網絡技術、圖形圖像處理技術、軟體工程、信號處理技術、自動控制技術、分佈式交互倣真技術等在內的諸多技術的支撐。
從“飛行員搖籃”到“虛擬空戰場”，從當前飛行模擬器的發展來看，飛行模擬技術已邁入以計算機倣真技術為核心的更高層級的實用化新階段：
一是能支撐和“營造”更接近於實戰的虛擬飛行訓練環境。尤其是虛擬現實技術的運用，能讓使用者面對複雜而“真實”的場景，提高人機交互效果，對各種情況快速、準確地做出反應。該技術的運用，也使工程師可在虛擬環境中設計座艙布局、人機界面和儀表板等，進一步簡化實物設置，更方便地實現對不同飛行環境和飛機的模擬，測試和優化相關布局。
二是能提供模擬器聯網及開展協同訓練演練的條件。當前，分佈式模擬交互技術已成為飛行模擬器發展的主流技術。該技術可推動單武器&&的模擬向多武器&&模擬和多兵種武器體系模擬轉變。幾年前，有媒體記者受邀參觀俄羅斯的蘇-35多用途戰機飛行模擬器，發布的相關信息中，有一條引發特別關注，現場的16個模擬器可通過網絡連接，用於進行編隊和對抗訓練。有的國家還可借助相關技術，將分散在各地的多個部隊的模擬器聯為一體，進行綜合、協同訓練。
三是能實現飛行模擬器的提前部署和預訓練。與以前飛行模擬器在飛行器列裝後才配發不同，如今的飛行模擬器，各生産商都在爭取提前將其研製成功，盡快裝備部隊。經過幾十年的發展，將高級模擬器與普通模擬/練習器提前進行高低搭配，預先開展模擬訓練，已成為各國的通用做法。
總的來説，如今的飛行模擬技術在飛行訓練中“貢獻率”越來越高。有些先進運輸機、轟炸機的飛行模擬器，甚至可以實現所謂“零過渡”,即一旦模擬訓練合格，飛行員就可直接上真機進行實際飛行訓練。這在一定程度上為各國空軍普遍加大飛行模擬訓練提供了注腳。
F-35戰鬥機飛行模擬訓練中心。
“好用”才見真功夫，“管用”才是硬道理
飛行模擬技術的內容一直在更新，但其目標——營造無限接近於現實的虛擬訓練環境——卻沒有發生過改變。尤其是軍用飛行模擬技術，它的發展就是為了讓空戰相關人員的訓練“離實戰近些更近些”。
“好用”才見真功夫，“管用”才是硬道理。展望未來，軍用飛行模擬技術正在呈現出如下幾個鮮明的階段性特徵：
一是繼續致力於提高飛行模擬器的任務覆蓋率。當前，在飛行模擬技術的助力下，各國的飛行模擬器任務覆蓋率已然不低。如美國空軍的F-15全任務飛行模擬器能模擬F-15飛機九成以上的訓練任務；英國空軍的“鷹”式飛行綜合訓練模擬器涵蓋了該型飛機幾乎所有的訓練課目。今後，飛行模擬器的任務會進一步拓展。綜合性的大型飛行模擬器，將能提供超出“教培”飛行員傳統內容之外的多樣化服務，比如“教培”地勤維護人員和相關主管等。同時，憑藉更科學的建模、更靈敏的反應和更高的精度，將更多用於測試新飛行器，比如模擬高超聲速武器、翼面融合型飛行器等。一些便攜式飛行模擬器也將更加普及，比如捷克VRgineers虛擬現實創業公司研製的便攜式飛行模擬器，其重量只有80千克，一個人可在30分鐘內完成組裝，既能用來培養數種戰鬥機的飛行員，還能培養直升機的飛行員。
二是繼續致力於高效開展戰役模擬訓練。今後，建立飛行模擬訓練中心、進行基地化訓練，仍是一种經濟、高效的組訓方式。結合未來戰場是體系之間對抗的實際，協同作戰將進一步成為基於飛行員技能提升的飛行模擬訓練內容。這就意味着，通過飛行模擬技術，把更大範圍的飛行模擬器聯通為一體，使之成為更加強大、高效的空戰模擬訓練&&，將變得更加必要。不僅如此，還可以在此基礎上，實現體系化飛行模擬器與其他軍兵種模擬器在更大範圍內的融合，使分散在各地的人員在模擬的同一個戰場環境下進行聯合協同訓練，在更複雜而逼真的交互中感受戰爭，研究作戰方法、樣式、理論，評估作戰毀傷效果，為制訂未來作戰方案提供決策依據。
英國某飛行模擬訓練中心。
三是致力於飛行倣真技術的標準化與模擬的“實戰化”。飛行模擬器由於使用對象、環境等方面的不同，類型也將越來越多。尤其是隨着模擬對象的多樣化複雜化及力量耦合情形增多，飛行模擬器各有其發展側重成為大勢所趨。要使這些飛行模擬器充分發揮作用，並能順暢地實現“聯手”，就必須進一步明確與規範飛行倣真技術的標準，從而在“標準”層面打通飛行倣真的基本路徑。與此同時，多措並舉地推動飛行模擬的“實戰化”也很必要。比如，讓飛行模擬器與真實飛機組隊參訓參演，可有效解決模擬飛行氣動數據表“不夠真實”的問題；通過引入MR混合現實技術，可在現實世界及虛擬世界之間搭建起一個交互反饋的信息回路，讓使用者在保持沉浸式體驗和交互的同時，觀察到實物座艙的設備分佈，使相關操作更接近於在真機上的感受。
此外，飛行模擬技術今後還會在致力於降低訓練成本等方面繼續發揮作用。而其可用於虛擬無人機的飛行、可參與風洞部分虛擬飛行技術研究等方面的探索與實踐，則預示着其更為廣闊的發展前景。（張天）
