雏鹰成长的摇篮——飞行模拟器今昔

万磁王

原作者：Crazy Ivan

　　在航空界流行这么一句话：“飞行员是用跟他们体重相等的黄金堆出来的”，以此形容培养专业飞行员耗资不菲。而一旦脱离地面的支撑飞上云端，他们就要面对各种已知或未知的挑战。显然，在羽翼丰满之前还需要一个既经济又安全的成长“摇篮”。这就是飞行模拟器，与飞机几乎同时诞生，尽管从不离地，却托起了一代又一代的蓝天骄子。

从木桶座到“企鹅”机
　　即使是天生就长有翅膀的雏鹰也需要在父母的带领下蹒跚学飞，那么100多年前动力飞机刚出现的时候，谁来教会第一代的飞行员们如何实现升空梦想呢？对于美国的莱特兄弟、巴西的阿尔贝托·桑托斯-杜蒙、法国的路易·布莱里奥等航空先驱来说，摸索飞行规律和操纵方法的难度可不比发明飞机低多少。在前无古人的条件下，他们通常要小心翼翼地驾驶着简陋的机器，在地面滑跑中尝试着跳跃离地。通过不断延长跳跃的距离，直到可以在空中保持一定时间的稳定状态，才算是完成了“自学成才”的第一步。而他们的学生接受到的操作指导和经验之谈也相当有限，真正飞起来之后同样要冒着不小的风险，尤其是飞机上还只能乘坐一个人的时候。
　　早期的统计数据表明，90%的飞行事故都是因人员操作不当而造成的。可见，必须要让初学者在更为安全的地面环境下掌握到足够的操作技术后才能允许他们放单飞。于是就有人利用气球或吊架把无动力的滑翔机悬吊起来，在迎风状态下控制翼面保持平衡，体验飞行的感觉，不过这种方式并不太稳当。1910年前后，在英国和意大利开始出现了固定在地面上的飞行训练器具。其中一种被称为“桑德斯教师”，实际上是英国军官阿诺德·桑德斯（Arnold Sanders）把自己设计的飞机机身通过万向支架安装在地面基座上。当有风吹来时，机身随之转动，机上人员操纵升降舵和方向舵等活动部件，就可以获得与真实飞行中相似的气动反应。不过显而易见的是，如果没有足够强劲稳定的风力，这些“飞机”就只能成为静止的摆设。

最原始的地面飞行练习装置“桑德斯教师”需要足够的风力才能运作

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　　为了摆脱对自然风的依赖，法国的安托瓦内特（Antoinett）公司研制出一种靠人力作用的训练器。这家公司在1909年与法国陆军合作成立了一所飞行学校，为军方培养飞行员来驾驶他们制造的单翼机。安托瓦内特的训练器由两个剖开的空木桶上下叠成，内部是活动的万向节，外部再装上支架和杠杆。使用时，两个教员通过杠杆上下左右地晃动支架以模拟气流的作用，坐在桶身上方的学员就要相应转动两边的操纵轮来克服外力的干扰，还可以用脚控制“舵面”来调整方向，而前头竖起的T型杆则是学员保持水平位置的参照物。这个“桶式训练器”勉强可以算得上是第一种专门设计的飞行模拟器了，但它不能对学员的动作产生准确的反应，实际效果并不理想，因此没有被广泛使用。

安托瓦内特“桶式训练器”的使用效果并不理想

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　　第一次世界大战爆发后，飞机很快被投入战场，对飞行人员的需求也迅速膨胀起来。相对于飞机可以大规模生产，成批地培养合格的军事飞行员就没那么容易了。许多辅助设备被发明出来测试和筛选候选者，及早淘汰掉那些被认为在生理和心理上不符合飞行要求的人员，并强化合格者的身体素质。比如让蒙着眼睛的受试者坐在摇晃倾斜的机身内，用电子仪器记录他们的反应时间，还有可做三轴旋转和垂直运动的定向感觉模拟器等。只是当时的航空医学理论也刚刚起步，通过这些设备得出的结果并不可靠。
　　在飞行模拟训练方面同样没有取得突破性的进展，大多将现有装备加以临时改装。法国曾利用截短了机翼的“布莱里奥”单翼机在地面训练飞行员，以每小时60多千米的速度进行蛙跳式滑跑和起降，被戏称为“企鹅”机，可谓“想学会飞，先学会跑”。然而当时飞机的种类和型号繁多，每一种机型都有自己的特性，更增加了训练的复杂度。虽然还有用双座教练机进行带飞的程序，但由于飞机的可靠性较差，缺乏安全措施，训练手段也不够完善，导致在一战期间死于飞行训练中的人员比在空中作战行动中阵亡的还要多。除了驾机技术外，各国还普遍使用地面器械训练飞行人员的其它技能。如在活动的机枪座内射击固定或移动的标靶，在悬空的座舱下架设传送带，铺上按比例缩小的地形图，让乘员在相对运动的状态下学习寻找导航地标，或是把握对准目标投下炸弹的提前量。

布莱里奥“企鹅”教练机模型

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脱胎于玩具的“蓝盒子”
　　一战结束后，大量军用飞机被当作剩余物资低价抛售，引发了民间的航空热潮，吸引到许多人去学习飞行。可传授飞行的方式还是以一带一的言传身教为主，飞机的质量和教员的水平参差不齐，飞行中的事故率和伤亡率仍居高不下。一位名叫艾德温·林克（Edwin Link）的美国年轻人就颇为烦恼，花了好几年时间和不少学费才在1927年考取飞行驾照。能不能找到更好的方法来提高学习飞行的成效呢？林克平时在父亲开的一家生产钢琴和管风琴的公司里工作，熟悉气动机械原理。他就结合学飞过程的经验，利用乐器的气动部件在1929年制作出一台飞行练习器，并在两年后取得专利。这台机器的箱式底座内装有多个管风琴的风箱和电动气泵，上面架着粗短的木制机身，并装上短翼和垂尾。使用者坐在敞开的座舱内，通过操纵杆和脚舵可以控制气动阀门，让不同位置的风箱充气膨胀或排气收缩，使机身产生俯仰、倾斜和偏航等变化，另一个电动驱动装置还会产生重复和连续的姿态扰动。

艾德温·林克和他的林克教练机

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　　林克对这一设计进行了反复的测试和调整，直到取得比较满意的效果。在申请专利时，他称之为“一种有效的航空训练辅助设备，也是一种新奇有益的娱乐装置”，可以用于演示飞行中操纵副翼、升降舵和方向舵时对机身姿态的影响，帮助学员熟悉基本操作。不过作为第一种实用型的飞行模拟器，其座舱内还没有仪表，各操纵机构的模拟效果也是互相独立的，并不能体现真实飞行中受到的综合影响，连林克一开始也是把自己的作品主要当成“游戏机”向游乐场推销，甚至还加上了投币口。
　　1920年代，自动控制技术和机电技术得到了一定程度的发展并运用到航空领域，使飞行员依靠仪表指示也能进行长距离飞行，在地面培训中则开始较为系统地讲授飞行理论，采用更加科学的训练大纲。1930年林克开办了自己的生产企业和飞行学校，利用气动模拟机以低廉的费用招收飞行爱好者。他敏锐地意识到仪表飞行将是大势所趋，于是着手改进最初的设计，安装了高度表、空速表、磁罗盘和侧倾指示器等仪表，还为座舱加上不透明的罩盖，可供盲目操作练习。不过，升级版的林克机仍不受专业人士的重视，在参加圣路易斯航空博览会时就被拒之门外，作为“玩具”反倒卖出了100多台。
　　转机发生在1934年，当时美国陆军飞行军团接管了国内的航空邮政运送业务，但在不良天气和夜间环境下的飞行中接连发生严重事故，人员和财产的损失招致公众的批评。为了改善飞行安全性，美国军方特意考察过林克的发明，以单价3500美元的价格订购了6台林克机，用于提高飞行员的仪表飞行技能。使用效果得到肯定后，林克公司的业务开始一飞冲天，不仅来自国内军方和民间航空公司的订单剧增，还吸引到日本、苏联和英国等国外用户，并在加拿大设立分厂扩大生产。由于粗短的机身通常被漆成明蓝色，林克机就获得了“蓝盒子”的绰号。

早期林克机外观很像一个大玩具，但却是第一种实用型飞行模拟器

“蓝盒子”的座舱内部还相当简单

苏联仿制的林克教练机

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　　二战前夕，日趋紧张的国际局势促使各国加强军备建设，林克机的销量也搭上了顺风车。根据新式飞机的装备需要，林克陆续研制出能够水平旋转360度的Model C/D系列和功能更复杂的ANT-18等改进型模拟机，以及针对特定机型如AT-6/SNJ教练机的专用模拟机。这些林克机不仅可以帮助新学员掌握基本技能，学习当发生失速或自旋等紧急情况时应如何处理，也可以让有经验的飞行员进一步提高对不同机型的操作水平。林克后来还为模拟机配上了辅助监控台，利用航线标图器自动记录学员操作飞机时的运动轨迹，绘制成图表，使教员得以同步监视学员的训练情况，并便于进行评价和总结。

二战中美国采购大批林克机用于集中训练飞行员

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　　除了飞机驾驶技术，远程飞行中的精确导航也需要经过模拟训练。1939年，英国就急需一种能提高空勤人员天文导航能力的训练器材，使他们能安全飞越大西洋接收美国援助的飞机，以及改善深入德国占领区进行夜间空袭时的轰炸精度。林克与美国海军的导航专家菲利普·威姆斯合作，研制出一种适合轰炸机机组成员使用的模拟器。这种天文导航模拟器的体积比一般林克机要大得多，高度约为13米，可容纳飞行员、领航员和投弹手。模拟器内的平台上不仅包含标准林克机的所有仪表和设备供飞行员进行操作训练，也装有轰炸瞄准器对准下方的活动目标地图。而穹顶上还布置了精细的天文图，标定有用于导航校准的常见星辰，并能够产生相对运动，让领航员在模拟飞行过程中练习测量经度和纬度上的位置变化。此外，林克机还有用于自动驾驶、无线电导航、雷达操作、机枪射击等不同训练目的的特别改型。

复杂的林克天文导航模拟器

可容纳整个飞行机组进行导航训练

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　　在同一时期，德国的罗德尔发明了一种以液压运动平台为基础的飞行模拟器。英国中央飞行学校曾将废旧的Avro 504双翼机的机身改成双座练习器，让学员和教员使用的仪表和操纵机构产生联动。英国皇家空军后来还采用由“喷火”战斗机的机身改装的练习器进行空战训练，将“哈利法克斯”轰炸机的机身用于训练整个机组的基本操作和故障处置的能力，除了模拟飞行特性、动力、电气和液压系统外还能发出声响，教员通过控制台可以设置故障并监控学员的操作。苏联也研制过几种用小型飞机或教练机改装的地面模拟系统，不过因资源有限另外引进了100多台林克机。二战期间应用得最广泛的还是“蓝盒子”，共有上万台在35个国家投入使用，训练过50多万名飞行员，节省的费用估计达3亿美元，甚至到1970年代初期仍在一些国家发挥作用。

英国空军的“哈利法克斯”机身模拟器

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从机械式飞向电子化
　　不难看出，在飞行训练中使用地面模拟器既可以确保受训人员的安全性，也大幅降低了器材、油料和勤务保障等方面的费用，还不用担心天气和场地的影响，在缩短训练周期和提高训练质量上的成效相当显著，因此引起各国航空部门越来越高的重视。然而，想贴近真实地模拟运动中的飞机，不仅要建立描述这架飞机的气动特性以及响应操作者和外部环境影响的数学模型，还需要能实时求解相关参数的计算方法，并具备让操作者用各种感官体会到同步变化的表现手段。以林克机为代表的早期模拟器虽然可以通过模型或原型重现真实飞机的气动特性，但还无法实时计算运动参数，只能依靠机械的方式去模拟，即根据经验调整控制系统中的部件，使操作者输入动作时模拟器的仪表读数和姿态变化与实际情况相仿。显然，这种方式主要适用于仪表飞行模拟，对实际飞行训练来说还只是一种辅助手段。
　　在二战期间，战争的需要刺激了电子技术的发展，催生出第一台采用模拟电路（即利用连续变化的电流模拟自然信号）的电子计算机，使实时计算运动参数成为可能。1941年，英国电信研究所设计了一种能解算飞机运动方程的模拟计算机，用在空中截击雷达练习器上，可模拟使用雷达进行引导截击的过程。有的练习器还能装在车上，成为流动训练平台。美国的贝尔实验室为海军的PBM-3水上飞机研制作战飞行训练器时，将PBM-3的前机身及其操纵装置、仪表等设备和电子计算装置结合起来。寇蒂斯-莱特公司生产的AT-6教练机练习器也装有电子自控部件，1948年还向泛美航空公司提供了波音377高空客机模拟器。这是专为民用航空公司设计的第一种综合飞行模拟器，采用与真实飞机一样的全套座舱设备，训练机组人员按程序进行飞行操作和意外故障的处理。而不甘人后的林克公司也开发出自己的模拟计算机，1949年起用于C-l1喷气式飞机练习器，将飞行程序、发动机控制、无线电导航等系统结合在一起，向美国空军售出了1000多台。

寇蒂斯-莱特公司在AT-6练习器上采用了模拟计算机

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　　不过，这些模拟器虽然可以通过仪表参数反映飞机的实时运动状态，但还不能较为准确地模拟出飞机的受力情况，因此大多采用固定基座形式。既没有运动反馈系统，也看不到外部环境的变化，这导致操作者可能产生错误的感觉，从而影响到模拟的真实性。另外，如果想提高模拟器的精度，势必要使用更多的模拟电路，但模拟电路增加到一定数量后所带来的累积误差又会抵消精度的提高，同时也会缩短整个系统工作时的平均故障间隔时间。面对这样的问题，也是在二战期间科学家开始研究具有逻辑运算能力的数字电路，以提高计算机的处理精度和可靠性。美国海军就与麻省理工学院和宾夕法尼亚大学合作，开展通用数字式作战飞行训练器项目的技术研究。

50年代英国海外航空公司委托寇蒂斯-莱特公司研制的波音377模拟器