Авиационные тренажёры состоят из трёх основных частей: подвижного макета кабины с органами управления и контроля, системы визуализации обстановки за пределами кабины и математической модели, которая, реагируя на действия пилота, имитирует условия полёта.
Работа над тренажёром начинается одновременно с началом проектирования нового самолёта. До принятия самолёта в эксплуатацию тренажёр называют инженерным. Его конструкция и параметры многократно меняются, по мере того как меняется и совершенствуется конструкция самолёта.
После первых продувок самолёта в аэродинамической трубе появляются данные, позволяющие создать математическую модель динамики полёта. Она-то и становится базой для дальнейшей работы над тренажёром. Модель постоянно уточняется, и соответственно приходится менять параметры тренажёра. Чтобы инженеры могли делать это гибко и оперативно, используют специальные программы. В частности, у нас для исследования поведения самолёта в воздухе разработана программа FlightSim (имитатор полёта).
С её помощью разрабатывают компьютеризированную систему управления. На современных самолётах она в том числе служит «защитой от дурака». Если действия пилота могут привести к нарушению штатного режима, система их не пропустит. Но поскольку, например, боевой самолёт должен выполнять сложнейшие манёвры, то и задаваемые системе ограничители предельных режимов необходимо отрабатывать очень тщательно.
Для пилота важно расположение индикаторов и приборов, информирующих его о состоянии систем самолёта и полётной обстановке. Разработанная нами программа DeskSim (имитатор приборной доски) позволяет из «заготовок» (стрелок, шкал, счётчиков, табло) создавать макеты приборной доски (на профессиональном языке — информационно-управляющего поля) и, как в мозаике, легко менять расположение приборов по рекомендациям лётчиков.
Так, постепенно меняясь и совершенствуясь, инженерный тренажёр сопровождает весь процесс проектирования, строительства и испытания самолёта. Последние уточнения вводятся по результатам испытательных полётов. Для этого используют данные записи в устройствах, напоминающих принципом работы «чёрные ящики», но следящих за гораздо большим числом параметров полёта. В ряде случаев изменения в конструкцию тренажёра приходится вносить по замечаниям пилотов.
Современные инженерные тренажёры позволяют отрабатывать режимы полёта ещё до того, как самолёт поднимется в небо. Представить, какие подробности содержит математическая модель, можно по такому случаю. Однажды перед демонстрацией тренажёра перспективного истребителя высокому начальству готовивший его инженер забыл после прошлых испытаний «убрать» тормозной парашют. Так с раскрытым парашютом и «полетел». Естественно, горючее быстро израсходовалось, и «дотянуть» до полосы не удалось.
Такое внимание к «мелочам» даёт результат: пилот, поднявший в первый раз SSJ-100 в воздух, после приземления сообщил, что реальный самолёт вёл себя точно так же, как его виртуальный собрат, — разумеется, в штатных режимах.
На современных тренажёрах имитируются воздействия на органы чувств лётчика, которые участвуют в управлении самолётом. В макете кабины создаётся шум, как от работающих двигателей, — прибавил газ, и тон звука изменился. Чувство осязания активируется усилиями, с которыми приходится двигать педали и рукоятки управления. Работает и так называемое акселерационное чувство, поскольку имеющая шесть степеней свободы кабина может менять положение в пространстве и даже двигаться с ускорением.
Но главное — зрение, поэтому особое внимание разработчики тренажёров уделяют системе визуализации. Она должна создавать реалистичную картину внекабинной обстановки и менять её в зависимости от манёвров самолёта. Всё трёхмерное виртуальное пространство за стенками кабины состоит из сотен тысяч элементарных составляющих, называемых полигонами. Для каждого полигона нужно задать пространственные координаты, ориентацию (направление нормали) и цвет.
Гораздо сложнее сымитировать картину, наблюдаемую в инфракрасных лучах с помощью приборов ночного видения. Нельзя «превратить» день в ночь, просто сделав цветную картинку монохромной, например зелёной. Для каждого полигона приходится дополнительно задавать характеристики его излучения.
После этого компьютерная программа синтезирует изображение, как в компьютерных играх, — правда, лётчик меняет её не мышкой или джойстиком, а штурвалом или ручкой, педалями и рукояткой газа.
Но создать картину мало. Необходимо, чтобы пилот её правильно воспринял. Если вместо переднего остекления поставить компьютерный экран, то лётчику придётся адаптировать глаза на расстояние в несколько сантиметров. А в реальном полёте предметы расположены практически в бесконечности.
С этой точки зрения наилучший эффект дают оптико-коллимационные устройства, представляющие собой как бы зеркальный видоискатель наоборот. Изображение с монитора попадает на наклонное полупрозрачное зеркало и отражается в сторону вогнутого сферического зеркала, а дальше лучи движутся параллельным пучком, создавая иллюзию, что объект расположен очень далеко от наблюдателя.
К сожалению, компоновочная схема оптико-коллимационных устройств не позволяет получать большие поля обзора в вертикальном направлении. Их используют на тренажёрах одноместных манёвренных самолётов. В остальных случаях применяют проекционные установки с цилиндрическими или сферическими экранами, расположенными на расстоянии 3—4 м от кабины. На экраны подаётся изображение с многоканальной (от 3 до 9 каналов) проекционной системы. Чтобы она давала неискажённое изображение, пришлось решить две задачи. Во-первых, разработать программу, которая, искажая проецируемую плоскую картину, создавала бы неискажённое изображение на криволинейном экране и позволяла получать бесшовные стыки соседних каналов. Во-вторых, с помощью другой программы добиться, чтобы при переходе изображения из канала в канал соблюдались слитность и непрерывность изображения.
В кабине тренажёра, когда тебя трясёт, крутит и бросает, когда слышишь рёв двигателей и видишь проносящуюся землю, начинает казаться, что участвуешь не в техническом эксперименте, а в каком-то фантастическом аттракционе.
Современные средства вычислительной техники позволяют соединять компьютеры нескольких тренажёров в сеть и таким образом имитировать условия группового полёта. Более того, за рубежом разработан интерфейс HLA (High Level Architecture — архитектура высокого уровня). С его помощью удаётся объединять разнородные тренажёры (авиационные, танковые, артиллерийские и т. д.) и проводить манёвры любых уровней, не выходя из здания.
