Симулятор представляет собой идентичную копию кабины самолета и устанавливается наверху либо электронной подвижной базы, либо гидравлической подъемной системы, которая реагирует на действия пользователя и события в симуляции.
Перед креслами пилотов расположены экраны с видеоизображениями любого из аэропортов и их окрестностей по всему миру, которые являются точными копиями реальных пейзажей. За время работы на симуляторе пилоты могут выполнить взлет и посадку в любых запрограммированных городах.
Чтобы пилот чувствовал себя как во время реального полета самолета, модуль, в котором он находится, ускоряется и наклоняется в разные стороны, обеспечивая обучаемому тактильную обратную связь. Это особо важно, поскольку именно обратная связь оказывает значительное воздействие на пилота при обучении, делая имитационный полет более реальным и, следовательно, более эффективным методом обучения.
Для обеспечения реалистичных условий виртуального полета ученые-информатики используют набор данных, собранных из компьютерных моделей, полевых испытаний и сложных алгоритмов, на основе которых осуществляется программирование поведения симуляторов.
При тренировках на таких устройствах обучаемый находится внутри подвижной платформы, создающей перегрузки, которые действуют на самолёт и пилота при реальном полете. Когда самолет в полете совершает эволюции в пространстве, возникают ускорения.
Для получения реальных ощущений на симуляторе с помощью гидравлических цилиндров или электрического привода платформа наклоняется в разные стороны, создавая иллюзию движения. При этом, поскольку внутри пилот видит перед собой большой экран с изменяющейся картинкой - у него всё поле зрения занято изображением, а кресло под ним наклонилась, то его мозг обманывается: вестибулярный аппарат воспринимает изменение положения в пространстве. В результате комбинации этих двух воздействий создается практически полная иллюзия нахождения в кабине самолета во время полета.
Система состоит из 3 частей: первая часть - это собственно симулятор полета он симулирует полет в любых условиях (хоть в космосе), время суток, погодные условия, аэродромы и пр. Вторая часть - это системы самолета: как взаимодействуют между собой гидравлическая, пневматическая, электрическая и электронная, системы. Третья - управление подвижной платформой.
Платформа может отрабатывать различные ситуации; если включить турбулентность – то она будет трястись; если как-то неосторожно воздействовать органами управления, то соответственно, платформа начнет ускоряться. Она имеет шесть дней свободы поэтому как линейные, так и угловые ускорения отражаются реалистично. Наиболее эффектные движения при посадке, когда происходит толчок при касании и на взлете, когда наблюдается ускорение - соответственно платформа наклоняется сильно либо вперед, либо назад и пилот испытывает соответствующие ускорения.
Самолет летает при различной погоде. Поэтому имитация полетов при плохой погоде очень важна. Многие симуляторы полета могут учитывать внешние силы - моделировать погоду: ветер, облака, темноту, плохую погоду, либо низкую плотность воздуха с целью создания более реалистичной ситуации полета.
Соответственно, задавая условия плохой погоды, пилот видит вокруг темные облака, молнии, туман, чувствует вибрацию от турбулентности, которую можно выставить в широких пределах, вплоть до того, что трудно будет усидеть в кресле. На посадке можно имитировать «сдвиг ветра», когда резко изменяется направление ветра и самолет стремительно перемещается в непредсказуемую сторону, либо сильный боковой ветер. Соответственно, всякое такое движение может отслеживаться платформой.
Таким образом, имеется возможность воссоздать любые условия на планете Земля, теоретически – даже на Луне.
Симуляторы имеют рабочие станции инструктора, в которых можно быстро имитировать любое штатное или аварийное состояние в моделируемом летательном аппарате или в моделируемой внешней среде. Это может быть: возгорание двигателя со всеми происходящими в кабине световыми и звуковыми предупреждениями, неисправное шасси, электрические неисправности, штормы, нисходящие порывы, молнии, встречный самолет, скользкая взлетно-посадочная полоса, отказы навигационной системы и множество других проблем, с которыми экипаж должен быть знаком и умело действовать при их возникновении. Самое важное, конечно, отработать взлёт и посадку, как наиболее сложные и ответственные периоды полета. В целом симулятор предоставляет возможность неограниченного количества тренировок для действий в аварийных ситуациях, в том числе таких, которые опасно создавать в реальном полете.
Управляется симулятор из отдельной комнаты в которой находится сервер с установленными компонентами программного обеспечения и шкаф управления. В них происходят вычисления необходимых управляющих воздействий, которые и дают команды гидравлическим или электрическим исполнительным системам.
Современные симуляторы высокого качества стоят дорого. Аттестованные FAA полнопилотажные тренажеры могут стоить 10 миллионов долларов. Но эффект от их использования, даже дорогостоящих, во много раз превышает затраты, которые необходимо было бы понести если бы обучение проводилось на самом самолете: они экономят время, деньги и жизни.
Авиационные тренажеры нового поколения
Киберфизическая система авиационного симулятора - это новое революционное направление в области информационных и коммуникационных технологий и встроенных систем, которая относится к интеграции вычислений, сетей передачи данных и физических процессов, чтобы стать интеллектуальными объектами, которые могут взаимодействовать друг с другом и образовывать распределенные и автономные системы. Такая система включает несколько дисциплин, связанных с программным обеспечением (системная инженерия, вычисления, связь и управление) и оборудованием (промышленная инженерия, механика, электрика и электроника).
Высококачественные коммерческие и военные симуляторы полета включают в себя подвижные базы, чтобы обеспечить максимально реалистичное моделирование. Большинство этих симуляторов полагаются на платформу Стюарта для создания движения, имитирующего полет.
Используя гидроцилиндры, эти системы обеспечивают реальное движение для многих сценариев летной подготовки. Однако у платформы Стюарта есть один существенный недостаток. Этот недостаток - ограниченный тангаж, крен и рыскание. Базы движения, использующие платформы Стюарта, обычно достигают максимального угла наклона или крена не более ± 35 градусов. Несколько компаний проводят исследования и разработки передовых платформ движения, которые обеспечат увеличенные значения этих углов.
Симулятор Desdemona разработан для обеспечения устойчивого моделирования перегрузки с неограниченной свободой вращения. Подсистема кардана Desdemona поддерживается каркасом, который добавляет вертикальное движение. Кроме того, этот каркас установлен на большой вращающейся платформе с регулируемым радиусом.
Исследовательский центр Эймса НАСА использует симулятор вертикального движения. Это усовершенствованная платформа для движения с высокой точностью воспроизведения и впечатляющим вертикальным диапазоном 60 футов. Сменная конструкция кабины позволяет быстро переключаться между различными симуляциями самолета. Моделирование может варьироваться от дирижаблей до космических кораблей.
Simulation Kinetics, Inc. разрабатывает симулятор, в котором используется вращающаяся сферическая капсула. Основная концепция этой конструкции была впервые запатентована во время Второй мировой войны. Более свежий пример этой конструкции - симулятор вращательного полета, созданный и эксплуатируемый во время космической гонки. Капсула-симулятор имеет диаметр 3 м (10 футов) и вес 2 903 кг (6 400 фунтов). Simulation Kinetics, Inc. разрабатывает новый симулятор сферической капсулы под названием Xenosphere. Этот новый прототип имеет диаметр чуть менее 2,4 м (8 футов) и сделан из легких композитов. Этот новый симулятор предназначен для совмещения неограниченного вращения с высоким уровнем маневренности.
Современные полнопилотажные симуляторы настолько реалистичны, что начинающий пилот может научиться летать с нуля в виртуальном мире и сразу сесть за штурвал самолета для осуществления реальных проверочных полетов.
Идеальный симулятор полета имитирует трехмерное или пространственное ощущение полета, в то же время точно соответствуя реальным реакциям органов управления пилота. Таким образом, когда пилоты в симуляторе активируют органы управления, они испытывают те же ощущения, что и в реальных полетах на самолетах.
До недавнего времени в симуляторах использовались электрогидравлические приводы, чтобы обеспечивать обратную связь с пилотами и обеспечивать движение симулятора. Сегодня конструкторы полнопилотажных тренажеров используют те же механические концепции, но приводы полностью электрические.
