Wie werden genaue Flugsimulationsmodelle genannt? Gibt es ein Standardmodell?

Ich riskiere eine Frage, die "meinungsbasiert" sein könnte, aber ich hoffe, dass sie nicht so gesehen wird.

Diese Frage wird in den folgenden Fragen berührt:

Was sind die Unterschiede zwischen PC- und professionellen Simulatoren?

Ist diese Meinung zu PC-Flugsimulatoren zu streng oder stimmt sie tatsächlich?

Was sind die Grenzen der Aerodynamik-Modellierung, die in Flugsimulatoren verwendet wird?

Sie beantworten jedoch nicht, was ich hier frage, auch wenn einige spezielle Dinge diskutiert werden, wie zum Beispiel die Aussage, dass die Koeffizienten eine Mischung aus CFD-, Windkanal- und Flugtestdaten sind oder dass Böenlasten mit Markov modelliert werden können Matrizen. Es wird jedoch kein Flugmodellpaket oder -system genannt, das ich sehen konnte.

Bei Rennsimulatoren oder Autosimulatoren werden genaue Simulatoren manchmal als Milliken & Pacejka oder "Pacejka-ähnlich" bezeichnet, abhängig von der jeweiligen Implementierung. Dies scheint ein Referenzmodell zu sein, mit dem viele Simulatoren verglichen werden. Ich bin kein Experte für Reifensimulatoren, also verzeihen Sie mir, wenn ich gerade etwas Dummes gesagt habe.

Was ist mit der Flugsimulation? Gibt es für den Flugmodellteil des Simulators einen "Goldstandard", der normalerweise bei den meisten respektablen Simulatoren verwendet wird?

Flugsimulatorspiele sprechen oft vom "Flugmodell" und beschreiben es als genau. Während ich mir leicht vorstellen kann, dass dieses Flugmodell auf einer Vereinfachung von Navier-Stokes basiert,

Ich habe selbst Software-Hintergrund, und obwohl ich selbst noch keinen Flugsimulator geschrieben habe, verstehe ich die Notwendigkeit einer Vereinfachung und dass keine Simulation jemals 100% genau sein wird. Alle Modelle haben von Natur aus verschiedene Kompromisse und bringen gewisse Opfer. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es keine relativ akzeptierte Methode zur Durchführung einer solchen Simulation gibt.

Ich bitte nicht um eine meinungsbasierte Antwort, "dieses Modell ist das Beste". Ich frage sicherlich nicht nach einer Liste der "besten" Flugsimulatoren. Ich bin neugierig, welches zugrunde liegende Flugmodell verwendet wird - ich hätte nichts dagegen, ein oder zwei Beispiele für "dieses berühmte Modell, das in der folgenden wissenschaftlichen Arbeit beschrieben wird, wird in den Flugsimulatoren X und Y verwendet" zu haben.

Im Grunde bin ich einfach neugierig, ob in der Branche ein typisches Modell oder eine kleine Gruppe (ein paar) von Modellen entweder als tatsächlicher "Goldstandard" oder eher als De-facto-Standard angesehen wird.

Wenn es so etwas nicht gibt, dass es so ziemlich jeder Flugsimulator anders macht, dann akzeptiere ich das als Antwort. Wenn es eine kleine Gruppe von Begriffen gibt, mit denen jeder in der Branche vertraut ist, würde ich es gerne wissen. Es würde mir ermöglichen, leicht Papiere zu suchen, die diese Systeme beschreiben.

Ich akzeptiere auch eine Antwort, die ein Übersichtspapier zu den Herausforderungen einer genauen Flugsimulation auf modernen Computersystemen auflistet.

Antworten (3)

14 CFR Part 60 regelt, was ein Flight Simulator Training Device (FSTD) für ein bestimmtes Flugzeugmodell ausmacht. FSTD ist in zwei große Kategorien unterteilt: Full Flight Simulatoren (FFS) und Flight Training Devices (FTD). Ein großer Unterschied zwischen den beiden Kategorien besteht darin, dass FFS Bewegungshinweise erfordert, während Bewegungshinweise bei FTD optional sind. Darüber hinaus ist die erforderliche Genauigkeit der simulierten Flugdynamik (im Vergleich zu Flugtestergebnissen) für FFS viel strenger als für FTD.

Jedes FFS und FTD ist weiter in Qualifikationsstufen unterteilt (Stufe A bis D für FFS, Stufe 4 bis 6 für Starrflügler-FTD). Je höher die Stufe, desto mehr Treue hat der Simulator zum tatsächlichen Flugzeug. Teil 61 kann nur angerechnet werden, wenn Sie an den Simulatoren mit den entsprechenden Niveaus für die Systeme/Flugphasen trainiert werden, mit denen Sie arbeiten.

Der Simulatorhersteller muss der FAA einen Qualifizierungstestleitfaden vorlegen, um nachzuweisen, dass der Simulator in Bezug auf das aerodynamische Modell, das Flugdeck, das visuelle System, den Bewegungshinweis und das Tonsystem für das entsprechende Niveau gut genug ist.

Jeder kann einen Flugsimulator mit beliebiger Wiedergabetreue bauen; Aber einen Flugsimulator für die FAA gut genug zu machen, ist schwierig und teuer. Lesen Sie dies für eine ausführlichere, aber Laien-Erklärung der verschiedenen Qualifikationsstufen.

Das ist eher die formale Seite der Dinge. Ja, es muss formal nachgewiesen werden, dass sich der Simulator entsprechend der gewählten Stufe verhält . Aber es beantwortet nicht die Kernfrage: wie solche Modelle gebaut werden.
Ich bin auch nicht der Meinung, dass der "größte Einzelunterschied" zwischen FFS und FSTD die Bewegung ist. In der Praxis haben die meisten FSTDs (zumindest auf höheren Ebenen) Bewegung. Vielmehr ist es ein völlig anderes Maß an Zertifizierungsaufwand und -treue.
@Zeus Das OP fragte "was der Goldstandard für Flugsimulatoren ist" und nicht, wie Simulationen / Modelle erstellt werden. Ich habe einen Hintergrund als Flugzeugbauer, also hört mein Fachwissen bei der physischen Modellierung auf. Meinem Verständnis nach werden Level-D-Simulationsmodelle jedoch austauschbar für hochqualifizierte FFS/FSDT bereitgestellt. Die Optionalität des Bewegungshinweises stammt aus einer flüchtigen Untersuchung der Texte von Teil 60 und scheint von der Sekundärquelle in dem Beitrag bestätigt zu werden.
'Geliefert?' Das Modell ist der Kern des Simulators; Die gesamte Hardware um ihn herum ist sekundär. Es kann vorkommen, dass für Unternehmen, die sowohl FFS als auch FSTD herstellen (was nicht sehr verbreitet ist), Teile des Modells geteilt werden, aber oft sind sie sehr unterschiedlich. Tatsächlich sind die meisten FSTDs (mit Ausnahme der höchsten Stufe vielleicht) auf „Gaming“-Engines wie X-Plane oder P3D aufgebaut: Für sie ist nur eine „generische“ Darstellung einer Flugzeugklasse erforderlich, und dies ist wohl eine viel grundlegenderer Unterschied als Bewegung.
@Zeus Nach Überprüfung der objektiven Tests zwischen FFS und FDT von Teil 60 stimme ich Ihrer Aussage zu. Habe meine Antwort geändert.

Soweit ich das beurteilen kann, gibt es zwei allgemeine Ansätze:

  • Dynamische Festkörpersimulation mit vielen experimentellen Koeffizienten.

    Die meisten aerodynamischen Effekte werden einfach für das gesamte Flugzeug summiert, obwohl die fortgeschritteneren Simulatoren die Radposition und die Durchbiegung von Flügel und Rumpf berechnen müssen, um die richtigen Reaktionen hauptsächlich bei der Landung zu erhalten. Aber es sind immer noch nur wenige Elemente, daher ist es nicht rechenintensiv und kann sehr genau sein, wenn genügend Daten verfügbar sind.

    Das Problem besteht darin, diese Daten zu erhalten. Auftriebskurve für Anstellwinkel und Geschwindigkeit, Nickmomente für Anstellwinkel und Geschwindigkeit, Rollverhalten bei Seitenschlupf, Nickverhalten bei Seitenschlupf, Auftriebsverhalten bei Gleitschlupf, Nickdämpfung, Rolldämpfung, Gierdämpfung, auch Boden Wirkung und so weiter und weiter und weiter.

    Dies scheint der übliche Ansatz für die großen Simulatoren zu sein (soweit Quellen öffentlich zugänglich sind; die Anbieter neigen dazu, die Details geheim zu halten), da der Hersteller ohnehin alle Daten während des Designs sammelt – aus Flugtests, Windkanälen und neuerdings Computer Fluiddynamische Situationen.

    Es ist auch leicht zu zeigen, dass es dem Verhalten des realen Flugzeugs entspricht.

    Nachteil ist, dass die Daten bei Fluglagen, die zu weit vom normalen Flugbereich entfernt sind, oft von geringerer Qualität oder gar nicht verfügbar sind, sodass die Simulation bei Störungen weniger realistisch ist. Aber für das Flugtraining spielt das eigentlich keine Rolle, denn es geht darum, diese Einstellungen überhaupt zu vermeiden.

  • Simulation der Klingenelementtheorie.

    Bei diesem Ansatz wird das geometrische Modell des Flugzeugs in Elemente zerlegt, und die aerodynamischen Kräfte auf jedes einzelne werden unter Verwendung einiger grundlegender Auftriebs- und Widerstandsmodelle geschätzt und dann für das gesamte Flugzeug summiert.

    Dies ist nicht so genau wie das erstere, wenn Sie alle Koeffizienten zur Verfügung haben, ermöglicht aber dennoch eine recht gute Simulation von Flugzeugen, für die Sie diese Daten nicht haben, einschließlich noch nicht gebauter Flugzeuge, so dass es manchmal bei der Designvalidierung verwendet wird, um es zu erhalten grobe Vorstellung davon, ob ein vorgeschlagenes Design gut zu handhaben ist.

Aber im Allgemeinen ist das Flugdynamikmodell nur ein winziger Teil dessen, was ein Flugsimulator leisten muss. Das Instrumentenverhalten muss mit seinen Verzögerungen und Fehlern simuliert werden, die Auswirkungen verschiedener Systemausfälle können ziemlich komplex sein usw. Und dann muss natürlich die gesamte Hardware realistischerer Simulatoren angesteuert werden.

Der Code des Flugsimulationsmodells für Level-D-Simulationen ist urheberrechtlich vom Hersteller der Simulatoren geschützt.

Was ist mit der Flugsimulation? Gibt es für den Flugmodellteil des Simulators einen "Goldstandard", der normalerweise bei den meisten respektablen Simulatoren verwendet wird?

Der Goldstandard ist: genaue Simulation der gesamten Physik, die für die Ausbildung eines Piloten erforderlich ist, wie das Flugzeug und alle seine Systeme reagieren. Der vollständige Code, der Level D entspricht, ist riesig und erfordert etwa 30 Mannjahre Aufwand. Eine Liste von Quellcodedateien wäre:

  • Umwelt: Atmosphäre und Navigationsgeographie.
  • Aerodynamik: Umsetzung aerodynamischer Kräfte und Momente in sechs Freiheitsgraden.
  • Flugdynamik: Reaktion des Flugzeugs auf Kräfte und Momente. Einschließlich Aeroelastizitätseffekte.
  • Bodenreaktionen.
  • Absturzbedingungen.
  • Flugzeugsystemschnittstelle (AFCS, AGPWS, FMCS etc.)
  • Masse und Gleichgewicht.
  • Flugzeugsysteme. Alle ATA-Kapitel (Autopilot, Flugsteuerungshydraulik usw. usw.). Dies ist eine riesige Menge an Code, der auch den gesamten Umgang mit Systemausfalleffekten erfasst, in dem Piloten geschult sind. Druckverlust des Hydrauliksystems führt zu einer Reduzierung des max. Oberflächendurchbiegung, abhängig vom Staudruck etc etc.

Ich verstehe die Notwendigkeit einer Vereinfachung und dass keine Simulation jemals 100 % genau sein wird. Alle Modelle haben von Natur aus verschiedene Kompromisse und bringen gewisse Opfer. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es keine relativ akzeptierte Methode zur Durchführung einer solchen Simulation gibt.

Die Genauigkeit, Kompromisse und Opfer werden bestimmt durch: für welchen Standard die Software geschrieben wurde. Die Einhaltung der Norm muss nachgewiesen werden.

Wenn es so etwas nicht gibt, dass es so ziemlich jeder Flugsimulator anders macht, dann akzeptiere ich das als Antwort.

Das Verstehen und Erfassen der zugrunde liegenden Physik ist die einzig richtige Art, Simulationscode zu schreiben. In den Neunzigern noch ein bisschen schwarze Kunst, machen Tools wie Simulink das Erstellen von Blockdiagrammen und Systemantworten viel zugänglicher. Aber jedes neue Simulatorunternehmen muss mithilfe von Physiksimulationen von Grund auf neu schreiben.

Der letzte Absatz ist nicht ganz richtig. Sogar Physiksimulation kann auf sehr unterschiedlichen Ebenen durchgeführt werden; Jans Antwort erwähnt zwei der häufigsten Ansätze. Aber am Ende ist jeder „Schummel“ akzeptabel, wenn sich das Modell wie echt verhält und es demonstriert werden kann. Die meisten starren Wechselwirkungen werden eher „betrogen“ als physikalisch gelöst. Das OP erwähnt Pacejkas Ansatz: Dies ist völliger Betrug (dies ist eine „Zauberformel“, die in der Praxis funktioniert, anstatt die Reifenphysik zu lösen), und es ist sehr verbreitet. Wie bei der meisten Software gibt es Freeware-Simulations-Engines für das Umschreiben.
Bei der Einhaltung kann es verwirrend sein, „Standard“ zu sagen. Vielmehr muss die Validität des Verhaltens nachgewiesen werden (soweit durch die Simulatorebene vorgegeben). Dies ist möglicherweise nicht trivial, da auch die Gültigkeit der Quelldaten nachgewiesen werden muss. Aber die Standards für das Schreiben von Software per se für Simulatoren sind nicht speziell geregelt, im Gegensatz zu Avionik und anderen luftgestützten Dingen.
@Zeus "Wie bei der meisten Software gibt es Freeware-Simulations-Engines zum Umschreiben." Ich weiß, ich habe eine zum Testen des Aero- und Flugdynamikmodells eines Nav-Trainerhubschraubers verwendet, einschließlich der Systemsimulation, die wir geschrieben haben und wird derzeit zum Training genutzt. Allerdings nicht auf einem Level-D-Simulator, das ist ein anderer Fischkessel, und Sie kommen mit viel Schummeln überhaupt nicht davon, ohne irgendwo anders Bugs einzuführen, die Sie in Schwierigkeiten bringen
Nun, natürlich verwendet man selten einfach jemandes Modell, selbst wenn es erlaubt ist. Aber wie bei jeder etablierten Software (wie OS) kommt es selten vor, dass ein neues Projekt „von Grund auf neu geschrieben werden muss“: Es gibt genug Material, auf dem man aufbauen kann, selbst wenn man nur die Erfahrungen und Ansätze nutzt.
Was das Schummeln angeht, kann ich versichern, dass es selbst auf Level D reichlich davon gibt. Es gibt Dinge, die einfach nicht realistisch (oder nicht wert) sind, "physisch" in Echtzeit zu berechnen, und "Schummeln" kann bessere (genauere) Ergebnisse liefern als „ehrliche“ Simulation. Wenn das Modell beispielsweise bei einer bestimmten Frequenz eine Flügelbiegung annimmt, ist dies im Großen und Ganzen „Schummeln“: Es ist nicht realistisch, FEA der Flugzeugzelle in Echtzeit durchzuführen. In ähnlicher Weise kann es sinnvoller sein, das Rutschen direkt zu induzieren, anstatt Gummireifeneigenschaften zu simulieren. Ausfälle und andere zufällige Ereignisse fallen ebenfalls in diese Kategorie.
@Zeus Das Unternehmen, mit dem ich Erfahrung habe, hatte strenge Richtlinien für die Modellierung und durchlief alle Level-D-Anforderungen, EASA + FAA + alle anderen. Daten vom OEM, mit zusätzlichen Daten aus dynamischen Windkanaltests bei sehr großen Anstellwinkeln und Seitenschlupf. Full Stall Recovery und UPRT vor 10 Jahren implementiert. Auch die Art und Weise, wie wir die Physiksimulation der Flugsteuerung praktizierten, wurde jedes Flugzeug analysiert und die jeweilige Hardwarekonfiguration implementiert. Mit eingeschränkter Systemfunktionalität usw. Sicherlich versucht die Industrie insgesamt, mit minimalem Aufwand davonzukommen.
Wie werden genaue Flugsimulationsmodelle genannt? Gibt es ein Standardmodell?
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