数据解析|飞行模拟器研究报告

1飞行模拟器的概念和分类

1. 基本概念

飞行模拟器主要用于民用与军用飞机飞行员的飞行训练，是飞机试飞员、飞行员、领航员和地勤人员进行技能培训和维持飞行训练、试验研究的有效手段。飞行模拟器具有安全、经济、高效和环保的特点，国内外越来越多的用户，已经普遍重视利用飞机飞行模拟器解决飞机设计、飞机销售、飞行员训练等方面的问题。

飞行训练模拟器主要用于训练飞行员，从练习操作与仪表检查，到模拟真实的日常飞行，训练机组成员的正常和紧急作业程序。使用模拟器可训练飞行员处理各种飞机在有问题或不安全的情况下，诸如发动机故障、液压或电气系统失灵、仪表失常等等。

2. 军用与民用飞行模拟器

飞机飞行模拟器主要军用和民用两大类：

1) 军用

为作战训练的需要，主要针对各类战斗机飞行员的战斗技术训练，用于领航、截击、轰炸，空中加油，各种机载设备的操作，各种飞行动作演练，机载武器发射、投放和单机空战，分队规模的多机种合同战术训练等科目训练，正向多军种体系对抗和联合作战的模拟训练方向发展。

2) 民用

主要针对民机飞行员的驾驶技术训练，机载设备的操作使用特殊情况处置等课目的训练，民用客机是作为一种高效的现代化交通工具，有别于军用飞机要求民用客机更安全更舒适，更环保和更经济，因此其相应的飞机飞行模拟器产品，也应具备这些特性。

3. 用于飞机研发领域的工程模拟器

在飞机工程研发领域，工程模拟设备主要用于对设计结果仿真、优化以及对工程结果集成、联调和验证。工程模拟设备主要用于特定型号飞行器的研制和特定技术的研究，重点是由有经验的飞行员参与飞行控制系统控制律的评定和系统开发。工程模拟设备的应用不仅涉及飞机工程发展，还包括制造和操作等。此外，工程模拟设备还可用于研究基本的人机关系特殊课题和特殊试验课题等。

邀请有经验的驾驶员，运用工程模拟设备来参与飞机和飞行控制系统设计的全过程越来越重要。参加飞行模拟研究的飞行员不但要有很高的飞行技术和丰富的飞行经验，而且还要具备较高的理论水平和工程师素质，以便于和飞机设计工程师沟通思想，共同分析问题。

典型的工程模拟设备在飞机设计过程中起到的作用包括：开发、研究和优化飞机的飞行控制率；研究和评定飞机的飞行品质；进行飞机大攻角、失速、过失速状态的研究；研究模态转换和故障瞬态及故障影响（有些状态影响危及飞行安全，不必在空中进行危险试验）；开发新型的人感系统，评定座舱布局和仪表显示；评定综合航空电子系统的结构、硬件和软件；飞行综合控制管理系统研究；配合空中的试验飞行，复现试飞中出现的故障并进行分析；应急和故障条件下的操作特性研究；对试飞员进行地面培训和飞行训练等。

4. 用于飞行训练

地面飞行模拟训练设备从等级上区分，可以由低到高分为以下几类：

• IPT(Integrated Procedures Trainer)飞行综合训练器
• FTD(Flight Training Device)飞行训练器
• FFS(Full Flight Simulator)飞行模拟机

各国的国家民航局，如美国美国联邦航空局与欧洲航空安全局负责检定与测试各种类型的模拟器。美国商用机飞行员只有在美国联邦航空局审核通过的模拟器上的训练时数受到认可，同样地欧洲飞行员的只有在欧洲航空安全局审核通过的模拟器上的时数会受到认可。若模拟器要得到认证，必需能够证明它能够符合监管机构对该被模拟飞机所设计的飞行模拟设备或全功能飞行模拟机的要求项目。中国民用航空总局2005年3月颁布了《飞行模拟设备的鉴定和使用规则》CCAR60，对飞行模拟器做出了详细的规定。

针对固定翼飞机和旋翼飞行模拟器，美国联邦航空局（US Federal Aviation Administration, FAA）制定了不同的资质等级。

1) 飞行训练器

Flight Training Devices (FTD)，分为1级到7级，第7级最高。

• Level 4：类似于座舱驾驶操作程序练习器（Cockpit Procedures Trainer , CPT), 该级别只适用于直升机。需要建立精确的系统模型，但不要求建立气动模型。
• Level 5：要求建立系统模型和气动模型，但不要求模拟特定型号，可以模拟一组相似的飞行器。
• Level 6：要求建立针对特定型号的气动模型、控制感觉和物理驾舱。
• Level 7：针对特定型号，该级别只适用于直升机。所有适用的气动模型，飞行控制和系统必须进行建模。必须提供振动系统。这是第一个要求视景系统的资质等级。

2) 飞行模拟器

Full Flight Simulators (FFS)，分为A到D级，D级是最高等级、功能最强的全功能飞行模拟机。

• Level A：需要至少有三个自由度的运动平台，该级别只适用于固定翼飞机。
• Level B：需要三轴运动平台和更高可信度的气动模型，该级别是最低级的直升机模拟器。
• Level C：需要六自由度运动平台，更低的延时。视景系统至少为每个飞行员提供75°以上的外部水平视野。
• Level D：目前最高等级的飞行模拟器。在LevelC的基础上，视景系统至少为每个飞行员提供150°以上的外部水平视野。需要模拟驾驶舱中的真实声音，以及一些特殊的运动和视觉效果。

注：六自由度指三个轴线的线性运动与旋转，就如同一个真实的自由物体在空间的运动状况。三种旋转分别是俯仰（机头朝上或下）、滚转（某一面机翼朝上或下）与偏转（机头朝左或右）；而三种线性运动分别是起伏（上下移动）、横移（左右移动）以及纵移（向前加速或减速）。

3) 综合程序训练器

综合程序训练器利用专业触摸屏和飞机设备仿真件营造出与飞机真实驾驶舱一致的训练环境，可复现各种飞行环境。完成航线中飞行前准备、标准离场、爬升、巡航、下降、进近、标准进场、复飞等阶段的飞行程序和机组配合、飞行管理系统、电子飞行仪表系统等操作程序的训练。

4) 其他低等级模拟仿真系统

• 虚拟维护训练器（ VMT ）

• 虚拟仿真器（ VSIM ）

虚拟仿真器基于航空仿真技术，广泛应用图形图像方式在计算机以上二维形式虚拟出真实驾驶舱系统。飞行学员通过VSIM，可以完成单机版的飞行标准程序训练和有效的机组配合训练，满足飞行学员培训所需的非正常程序和应急程序训练。

• 基于仿真技术的理论培训教程（ SBT ）

基于仿真技术的理论培训教程基于飞机仿真技术进行开发研制，满足学员对飞机主要系统的工作原理和操作程序的自学功能。学员可以通过SBT自学，了解飞机各系统理论知识和各系统的交互。

2飞行模拟器的组成

通常由模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台等五大部分组成。

1. 模拟座舱

训练用飞行模拟器的模拟座舱，其内部的各种操纵装置、仪表、信号显示设备等与实际飞机几乎完全一样，它们的工作、指示情况也与实际飞机相同。因此飞行员在模拟座舱内，就像在真飞机的座舱之中。飞行员操纵各种操纵设备驾驶杆、油门、开关等时，不但各种仪表、信号灯能相应工作，而且还能听到相应设备发出的声响，以及外界环境的声音。同时，飞行员的手和脚上还能有因操纵飞机而产生的力感。

2. 运动系统

它是用来模拟飞机的姿态及速度的变化，以使飞行员的身体感觉到飞机的运动。飞行机器运动系统工作状况，决定了整个飞行操作的工作效率，必须要结合飞行机器结构组装运动系统。先进的飞行模拟器，其运动系统具有六个自由度，即在三维坐标中绕三个轴的转动及沿三个轴的线位移。主要有六个液压伺服作动筒及支撑的平台，模拟座舱就安装在平台之上。六个作动筒的协同运动，可驱动平台并使座舱模拟出飞机的运动变化情况。

3. 视景系统

它是用来模拟飞行员所看到的座舱外部的景象，从而使飞行员判断出飞机的姿态、位置、高度、速度以及天气等情况。先进的视景系统，是用计算机来产生座舱外部的景象，然后通过投影、显示装置显示出来。虽然飞行模拟器的视景范围属于虚拟状态，但其同样为飞行员提供了真实的操作场景。

空中地面自然景色和地理环境的变化，要用到三维可视战场环境数据库，这种虚拟的三维战场环境数据库是运用地理信息系统、三维动态可视化仿真、场景建模和图形图像处理等技术集成数字化高程卫星遥感影像、实体纹理、文化特征等数据源而生成的，它可以再现真实环境中的自然地形地貌，如山川、河流、森林、海洋、天空，和人文景观，如城镇、建筑物、桥梁、公路、铁路、机场等，同时提供雾、雨、雪等多种气候条件下的昼夜景象，创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。外部环境模拟可以为参训人员提供多种飞行条件下，较为逼真的飞行视觉和临场感觉，提高训练质量和参训人员对环境的认知效率。

4. 计算系统

计算机系统是飞行模拟器的神经中枢。飞行模拟器就是一个实时性要求很高、交流的信息量很大，精度要求较高的实时仿真控制系统。计算机系统承担着整个模拟器各个系统的数学模型的解算与控制任务。现代的飞行模拟器，通常都是由若干台计算机联合组成一个网络，各计算机既分别处理不同的信息，相互之间又不断地进行信息交流，从而使整个模拟器协调一致地运行。

5. 教员控制台

它是飞行模拟器的监控中心，主要用来监视和控制飞行训练情况。它不但能及时显示飞机飞行的各种参数，飞机飞行的轨迹，而且还能设置各种飞行条件，比如风速、风向、气温、气压、起始位置等。另外，还能设置各种故障，以训练飞行员的判断与处理故障的能力。先进的教员台，还具有维护检测、考核、鉴定等功能。

航空飞行离不开地面指挥中心的全程调控，教员控制台也是飞行模拟器涉及的主要内容，重点按照飞行要求执行调控指令，保持空间飞行与地面控制的一致性。

3飞行模拟器的主要技术及难点

1. 传感技术 2. 无线技术

飞行模拟器能够模拟的对象很多，主要集中于各类飞行装备，包括：飞机、卫星、导弹等，大部分集中于军事科技改造。地面指挥中心遥控飞行器，必须要由超远程的无线控制平台，这样才可准确地传递飞信信号。模拟器配备超远程无线技术是不可缺少的，无线图像监控系统工作频率高，相对波长短，其绕射能力差，传输时，必须满足视距条件，即接收和发射天线之间无遮挡，有遮挡时可加大功率绕射或设立中继站发站。

3. 数字技术 4. 人机技术

当前，飞行模拟已经成为航空科技研究必经的环节，任何一项航空飞行都必须事先经过模拟，确定无误后再正式进入飞行动态。模拟不仅减小了正式飞行的风险系数，也大大改善了飞行器的可调度功能。④航空器执行飞行任务中，所有操作都由驾驶人员参与操作，选定人机技术是飞行器控制技术的关键。例如，根据人机工程系统可灵活地调整飞机舱座椅，使驾驶人员出于最舒适的操控状态，有助于提高飞行机器的操作效率。

飞行模拟器最核心的东西还是内部的飞行气动数据表，因为模拟器一般是针对某一机型开发的，真实的模拟贵在与有一套较为真实的数据，这个数据是进过飞行验证和修正的。

分三个方面：1、对飞机本身的操作模拟 2、操作后对飞行状态的模拟 3、飞行状态改变后对心理的模拟。

1、对飞机本身的操作模拟。比如拉杆导致气动面的动作之类，这个方面基本可以做到完全真实。原因不多解释。

2、操作后对飞行状态的模拟 。这个方面才是现在模拟器最大的不足。举个例子，飞机以恒定速度飞行，当面的风速是X米/秒。此时，风向突然改变，飞行员操作飞机保持航向的操作。模拟器上的操作可能就和实际情况有差距。根本原因就是因为现在模拟器依赖的计算机的运算模型和运算能力远达不到真实模拟的要求，导致模拟出来的飞机姿态改变量和事实情况不吻合。而在实际飞行中，可以通过传感器实时测量这些数据来校正飞控系统。正如一句话所说“人类可以列出复杂的方程式来计算流体力学，但永远不能像鸟一样理解风”。

3、飞行状态改变后对心理的模拟。

国内外飞机制造商生产飞机时并不随机生产对应的模拟机，而是将每一型号飞机相关信息的“数据包”出售给飞行模拟机专业制造公司。各航空公司只能向模拟机制造企业购买飞行模拟机，而 各大模拟机制造商必须与飞机制造企业紧密合作才能得到相关数据。

4飞行模拟器的市场

2014年，我国民航全行业运输飞机在册总数量达到2370架，相较于上年的2145架增长了10.49%。2010年至2014年期间，我国民航运输飞机总量呈稳定增长态势，每年增长率均在10%以上。根据民航总局《中国民航十二五规划》，到2015年，我国民航运输机队规模将增加至2750架，飞行员的数量将由2010年2.4万人增加至4万人。通常每增加20-25架飞机就需要新增一台航空模拟设备。

民航总局预测显示，我国到 2020年和 2030年，航线运输类飞机数量将分别达到 3140架和 5200架，需要飞行模拟机分别为 157台和 260台，现行飞行模拟机数量只有 130余台，到 2030年缺口将达到 130台。若按每台 8000万元计算， 2030年新增市场规模高达 100亿元。

据了解，民航正在使用的各机型D级飞行模拟器单台价格均在，1200到1500万美元左右，且这些飞行模拟器的售后服务不方便不及时，零备件和消耗件价格也非常昂贵，造成上述飞行模拟器运转效率不尽如人意，运转费用也极其高昂，每小时训练费用达到3000元人民币。

飞机飞行模拟器的正常使用周期为二十年，每年4000小时，进口模拟器的备品备件，每年的费用为200万到400万人民币左右，不包括人工费用，目前由于国内飞机飞行模拟器数量不足，一般每年运行时间均超过5500小时，同时模拟器基本上是“带病”工作，这就使得飞机飞行模拟器的正常使用周期大大缩短，从另一方面增加国内航空公司对飞机飞行模拟器的需求。

飞行模拟器已经成为民航飞行员训练体系中的一个重要环节，不仅新飞行员改装新机型，需要通过飞行模拟器进行飞行训练，老飞行员也必须每年定期进行技术训练和考核，只有这样才能够保障飞行安全降机、运营成本和提高运输效率。 在飞行员复训方面每人每年的复训时间为25小时。此外，D级飞行模拟器，不仅能够完成飞行员正常飞行情况下的飞行操作训练，还能够完成相当一部分真实飞行中不可能完成的危险课目飞行训练，如发动机空中失火单发着陆等，训练任务覆盖率达99%。

市场需求，ARJ21新支线客机，ERJ21支线客机，空客320飞机，新舟60及后继机，运八及后继运输机，以及新立项的大型客机。

专题报告如下

一、警务航空

中国各地公安机关已于上个世纪90年代初开始装备警用直升机。1993年，我国第一支警务航空队—武汉市公安局警务航空队成立。截至到2019年底，全国已有24个省、自治区、直辖市、公安机关建立了40支航空警务队，配备警用直升机约67架，警航飞行员100多名。详见数据解析 | 我国警务航空机队一览表（不完全统计）

二、航空护林

2019年，农业共计完成飞行小时5.23万小时，飞行架次13.3万架次。包括人工降水、航空喷洒（撒）、气象探测、渔业飞行、使用具有特殊适航证的航空喷洒（撒）等。全年共计102家企业参与农业通航服务，平均飞行时间512.75小时。

详见数据解析 | 航空护林业务的调研报告

三、空中游览

空中游览作业全年共计完成2.16万小时，飞行10.33万架次，搭载乘客22.86万人次。全国共有148家企业参与运营，平均飞行小时145.86小时。生产效率方面，平均每小时空中游览载客量平均值为10.6人，每个起降架次的载客量平均值为2.21人次。

详见数据解析 | 空中游览业务深度研究报告

四、商业模式探讨

详见通航视角 | 通用航空新型商业模式探研

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