飞行模拟器在航空科普场馆的运用与研究
徐臻荣
摘 要 仿真飞行模拟器因操纵环境和显示界面与真机基本一样，且性能安全可靠、沉浸感强，得到广大体验者的喜爱和参与。文章以缩小版C919 飞行模拟器为例，介绍该机在航空科普场馆中的运用与研究，旨在为相关应用与研究提供参考。
关键词 航空科普场馆；科普；体验；飞行模拟器
1 飞行模拟器在航空科普场馆运用的必要性
1）传播航空科学知识。在我国航空事业蒸蒸日上的今天，航空科普场馆研究飞行模拟器的运用有助于更多的受众能参与到学习航空、了解航空的环境中来，通过飞行体验使他们对航空有更深的了解和认知。航空科普场馆是面向公众，尤其是青少年进行航空科普教育的基地，上海航宇科普中心作为航空航天科普教育的标杆，所展示的飞行模拟器的功能必须与真实飞机的原理相一致。
教师教学理念陈旧、方法单一、内容枯燥 教师已从传统教学中的主体转为主导地位，而课堂教学是教师“传道、授业、解惑”的途径之一，但部分教师教学模式僵化、教学方法单一、教学理念陈旧，教学中存在“一言堂”、照本宣科，课堂教学不灵活，方法不适用于所授科目，课堂教学内容枯燥，课堂氛围不活跃。学生上课时感觉到枯燥无味，就会通过使用手机来打发时间[7]。
2）引导和培养航空兴趣。航空科普场馆是满足观众了解航空、探索航空的窗口，飞行模拟器的运用展现了现代高新技术和人们求知欲的有效结合，为他们打开了解航空、探索航空的通道，使他们有机会体验到飞行带来的乐趣和好奇，从而引起对航空的志趣。
3）互动符合体验者的需求。航空科普场馆作为面向大众，尤其是青少年获取课堂外航空航天科普知识的重要途径，展示的展项必须具有很强的参与性和互动性。通过人机交互与互动反馈内容，能增强受众的兴趣，激发其学习研究航空航天技术的志向，同时又能提升场馆整体参观感受。缩小版C919 飞行模拟器的研制，为受众提供了一种新颖的、感兴趣的航空互动展品，也为外出巡展提供了便利条件。
(3)羟自由基清除活性:将1.5 mL FeSO4 (1.5 mmol/L)、0.5 mL H2O2 (6 mmol/L)、0.5 mL水杨酸钠(20 mmol/L)分别加入1 mL不同浓度的香水莲多糖和维生素C溶液中(1、2、4、6、8 mg/mL),37 ℃水浴反应1 h,在562 nm测水杨酸盐混合物的吸光度。
2 飞行模拟器运用的特点
飞行模拟器能提高人们对学习飞行，了解航空知识的兴趣，通过互动体验，能进一步激发对航空知识、航空科技的热爱。缩小版C919 飞行模拟器在上海航空科普馆的成功运用，揭开了大飞机的神秘面纱，人们除了要体验中国大飞机驾驶体感外，更多的是想了解大飞机驾驶舱的布局、结构，增加对中国大飞机的了解。缩小版C919 飞行模拟器可进行飞行模拟，且在飞行过程中能动态反馈飞行时的俯冲、爬升、倾斜、拐弯、旋转、下坠、颠簸等高难度的惊险刺激动作，从动感、驾驶操控、视景、仿真方面给予体验者超真实的体验。
3 缩小版C919 飞行模拟器的功能设计研究
缩小版C919 飞行模拟器以C919 真实飞机驾驶舱为原型，内部的各种操纵装置、仪表、信号显示设备、工作状态、指示情况等都与真飞机高度相仿，除了空间比真飞机小，其他和真飞机的座舱基本一样。操作时显示器分别显示出地平仪、速度表、高度表、磁罗盘、导航图、航线以及发动机运转情况、温度等电子式仪表、信号灯也与原机一样进入工作状态，而随着飞行员的操纵相应设备也会发出不同的音效声。
3.1 舱体系统总体设计方案
飞行模拟器一般由模拟座舱、航电（仪表）系统、操纵系统、运动系统、视景系统、计算机系统以及飞行软件等组成，具备沉浸感强、空间效率高、体验感好等优点。飞行模拟器飞行原理与真实飞机基本一样，所涉及的操纵系统、飞行仪表、导航等与驾驶真实飞机几乎没有区别，只是由于视镜系统的原因而有所不同。目前视觉系统的发展也已经进入VR/AR 时代。相信不久的视觉系统将更加贴近真机的效果。
3.2 飞行模拟器的组成
本飞行模拟器舱体按照“C919 大飞机”外形尺寸进行1∶1.5 仿真，采用双座双列布局，双人操纵体制，舱内包含有主驾驶台、中央控制台、两侧控制台、顶控板、航空座椅、侧置操纵杆、中置联动油门、襟翼和空气刹车手柄、仿真舱体等。座舱比例设计为1∶1.5 的主要目的之一是为了在外出巡展时方便车辆整体运输的要求。
1）模拟座舱。采用先进制造工艺，高仿C919大飞机的座舱结构，操纵设备、仪表布局等，使体验者能真实感觉到是进入了一架真的飞机内；飞行操纵侧杆、各种手柄、按钮、油门、脚踏等以及航电设备和仪表显示方式基本与C919 真机一致，画面清晰，触感精致（见图1、图2）。
2.3 术后护理 电切术后的护理对于保证患者的安全尤为重要。术后应密切关注患者的主观不适、生命体征、腹部情况、膀胱冲洗通畅程度、膀胱冲洗液颜色及液体总出入量。膀胱持续冲洗时间因人而异，需根据冲洗液的颜色进行调整。拔除尿管的时机应根据患者的身体状况和手术中的情况综合考虑。国内多数医院在术后3～7 d拔除尿管。
图1 缩小版C919飞行模拟器座舱布局图
图2 C919座舱布局图
2.2.1 混交度 树种隔离程度指的是树种在群落中的空间配置，它是林分空间结构的重要组成部分，是群落树种混交状况的表达方式，分离程度越大，表明同种个体聚生的可能性越小，林木对空间的利用程度也越大，同种之间的竞争机会减少，群落的稳定性也会越大[6]。
2）航电（仪表）系统。航电仪表系统包括PFD主飞行显示屏、系统综合显示屏、备用地平仪、起落架收放手柄、中央操纵台、EFIS 控制板、FCU 控制面板、无线电磁指示器、头顶控制面板等组成。缩小版C919 飞行模拟器采用与真机一样的综合显示技术，显示内容都能在4 块主飞行显示屏之间相互切换，互为备份，具有极佳的人机功效（见表1）。
6）计算机系统。计算机系统是飞行模拟器的大脑神经，它指挥着飞行模拟器各个系统的协调和运行工作。由于飞行模拟器在瞬间的信息交流量很大，而且人机协调和同步性要求也很高。所以计算机系统必须能够承担着整个飞行模拟器的航电（仪表）系统、操纵系统、运动系统、视景系统以及飞行软件各个系统的数学模型的解算与控制任务。
5）视景系统。飞行模拟器视景系统一般采用如：金属球幕、环幕、显示器等多通道投影系统、飞行模拟视景软件平台或VR 头显系统等构成。缩小版C919 飞行模拟器采用5 屏32 寸显示器为视觉系统，通过计算机与5 通道视频信号同步处理，实现5 屏实时融合，实时畸变处理；使5 屏画面完整（见图3）。
视景系统是由计算机系统来复现座舱外如：机场、跑道、天地线等，以及飞机起飞、着陆时周围的景象。从而让飞行者判断出飞机的姿态、位置、高度、速度以及天气等情况，使其有身临其境感觉。VR 头显系统应用在驾驶舱后排两个座位，利用头戴式显示设备将后排体验者对外界的视觉、听觉封闭，引导体验者产生一种身在虚拟环境中的感觉。
表1 航电仪表系统名称功能表
表2 六自由度动感平台参数表
何冰离婚的过程充满了波折。赵晓峰不知吃错了什么药，就是不肯在协议书上签字，就算何冰把私家侦探暗中拍到的偷情照片拍到他脸上，他也还是死皮赖脸地企图蒙混过去。
图3 五屏视景系统
4）运动系统。运动系统是飞行模拟器的一种辅助系统，有三自由度、六自由度等仿真运动平台组成，飞行座舱就安装在平台之上。目前液压式的运动平台已逐渐被电动式运动平台所取代。全数字化闭环伺服电动缸控制六自由度运动平台，保证了飞行模拟器在运动时的平滑性和高仿真性，增加了体验者的飞行真实感以及在飞行中感受到的飞行姿态、速度和因气流影响产生的扰动、颠簸等现象。其主要优点是噪音小、稳定性好，安装方便，维护简单 多重机械电气安全保护（见表2）。
3）操纵系统。缩小版C919 飞行模拟器的操纵系统由侧杆、主动侧杆和两套脚踏系统、一套双联动油门系统组成。操纵杆采用同C919 同款的飞行操纵杆，侧置安装，前推后拉为升降舵通道，左右旋转操纵杆为副翼通道。完全仿真C919 大飞机的驾驶操纵方式，同时具有自动驾驶模式。脚踏系统采用力回馈全金属结构，可以承受极大的操纵力与冲击力的同时，操纵顺滑精度高。脚踏系统可以操纵飞机方向舵和机轮，以控制飞机的航向，用以滑跑起飞和飞机降落时跑道的对准。脚踏还具有左右主机轮刹车功能，可以起到地面降速和辅助转弯功能。油门系统包括发动机油门控制手柄、襟翼收放手柄、发动机反推控制手柄、发动机油路通断开关和发动机紧急灭火开关、配平轮等。
4 飞行模拟器的运用与研究
4.1 运用模式研究
飞行模拟器由多种型号和级别组成，不同年龄采用不同体验形式：年龄在3～7 岁的儿童，由于对飞行没有什么概念，因此我们建议体验一种采用3D 或VR 视镜的飞行模拟器，如太空梭、时光机之类的，这些模拟器只能体验感受飞行，不能控制飞行。年龄在8～12 岁之间的儿童，一般我们建议体验中端的飞行模拟器，它们除了具有操纵飞机的油门、升降；左右翻滚、转弯以及熟读速度、高度和地平仪等基本飞行仪表，这种级别的飞行模拟器一般不设置动态运动平台。年龄12 岁以上人员，一般具备一定的航空知识，因此他们体验的飞行模拟器一般都有体验者自己控制和操作飞行，而且都是全动态的，操纵系统和仪表显示也是和真机几乎一样，能真正体验到飞行的奥妙和乐趣。
4.2 以传播航空知识为主线
体验模拟飞行能够让体验者基本掌握飞行技能，了解飞行原理，熟悉人机协调能力，感知飞行姿态和速度的变化。除此以外是让体验者能在学习飞行中学到与飞行有关的航空知识，看懂各种飞行仪表，以及起落架收放、油门收放等。使体验者对航空飞行产生兴趣，从而对航空产生爱好，将来此事航空事业。
4.3 建立受众意见反馈机制
在飞行体验区，设有意见簿，目的是让那些经过飞行体验的受众留下飞行的经历和感想，并提出在飞行中遇到的各种问题和希望改进的建议，通过这些建议在对飞行模拟器做出更加合理的修改和调整。使得模拟器更加符合人机工效学的要求。
4.4 培养模拟飞行教员
飞行教员是体验者的教官，航空理论知识的储备量和飞行技能的熟练掌握程度是对教员的基本要求。教员承担了向体验者传授航空理论知识和飞行技能的责任。一个好的飞行教员应该备有一份飞行大纲，并能坚持按大纲的操作程序和操作技能教学，使体验者从一开始就养成一种正确的行为模式。通过体验能激发出飞行的乐趣，从而达到体验的目的。因此培养一个好的模拟飞行教员，不仅是为了教学，更是为了提高体验者对航空的兴趣，培养他们对航空的感情，为将来能有更多的人来报效祖国的航空事业做好铺垫。
5 结论与展望
随着飞行模拟器技术的深入研究，仿真技术的不断完善，人机交互处理技术、虚拟现实技术在飞行模拟器上的大量应用，使得飞行模拟器的功能越来越多、性能也越来越稳定，真实感将会越来越强。在未来的航空科普场馆中，飞行模拟器将会成为互动展品中最受欢迎的展品之一。
参考文献
[1]Paul E IIlman.飞机员航空知识手册[M].王同乐，杨新湦，译.北京：航空工业出版社，2006.
[2]赵延渝，朱代武，杨俊.飞行员航空理论教程（上册）[M].成都：西南交通大学出版社，2013.
[3]李林，翁冬冬，王宝奇，等.飞行模拟器[M].北京：北京理工大学出版社，2012.
[4]王思磊.C919驾驶舱设计的奥秘[J].大飞机，2018（8）.
[5]刘丽，彭晓源，王行仁.基于网络的大型民用飞机飞行仿真系统[J].北京航空航天大学学报，2000（3）：321-324.
[6]王金英，陈砾.教学飞行仿真模拟器的开发与应用[J].计算机仿真，2006（7）：280-282.
中图分类号 G2
文献标识码 A
文章编号 1674-6708（2019）244-0164-03
作者简介： 徐臻荣，高级工程师，上海航宇科普中心（上海航空科普馆），研究方向为科普馆展陈设计与实现、航空互动展品研究。
标签：航空科普场馆论文; 科普论文; 体验论文; 飞行模拟器论文; 上海航宇科普中心(上海航空科普馆)论文;