Авиационный симулятор (авиасимулятор) самолета Boeing 737
AIRCRAFT SIMULATOR (FLIGHT SIMULATOR) OF BOEING 737 AIRCRAFT

Изобретение относится к области развлекательного оборудования, в частности, аттракционам, имитирующим пилотирование летательных аппаратов, и предназначено исключительно для гражданского коммерческого использования в качестве развлекательного аттракциона.
Из уровня техники известны различные устройства, оказывающие воздействия на органы чувств человека, подобные тем, которые он испытывает в реальных условиях (например, патенты RU51775, RU76154). Для устройств, имитирующих управление летательными аппаратами, характерно наличие нескольких степеней свободы движения кресла пилота (например, US2011039235). Некоторые тренажеры создают иллюзию преимущественно горизонтального полета (US2010028837, US2008034678, GB 2423032, GB 2449214). Гидравлические системы позволяют наклонять кресло или кабину пилота под различными углами в соответствии с положением органов управления и изображением на экране монитора.
Известен тренажер для обучения пилотированию (патент RU114206, МПК G09B9/12, опубл. 10.03.2012 г.), который направлен на создание ощущения перегрузок и перемещения в пространстве, имитирующего все нюансы движения техники. Это достигается применением кинематической системы с электромеханическими приводами, обеспечивающей неограниченность свободного хода кабины тренажера по крену, тангажу, вращению вокруг своей оси.
Недостатками известных устройств являются низкий уровень аудио- и визуальной составляющей, низкий уровень имитации условий реального полёта.
Известен симулятор пилотирования летательных аппаратов, включающий кабину, содержащую кресло пилота, органы управления движением, видеоустройство, раму тангажного вращения, основание со стойками, механизмы тангажного и осевого вращения, где кабина устанавливается внутри рамы тангажного вращения с возможностью поворота вокруг своей продольной оси, а сама рама устанавливается между стойками основания посредством двух подшипниковых узлов. Рама тангажного вращения содержит вилку, соединенную с кабиной посредством подшипникового узла, выполненного на сайлент-блоках, и перпендикулярное плоскости вилки кольцо, которое охватывает кабину; снаружи кабины расположены по окружности, по крайней мере, три ролика, установленных с возможностью качения но упомянутому кольцу; и подшипниковые узлы стоек основания выполнены на сайлент-блоках (патент RU130733, МПК G09B 9/08, A63G 31/00, опубл. 27.07.2013 г.).
Недостатки известного симулятора следующие: низкий уровень акселерационной составляющей, ограниченные перемещения в продольной и поперечной плоскостях (тангаж и крен), вертикальной оси (имитация падения-подъема), а также низкая энергоэффективность и сложность конструкции.
Задачей изобретения является создание развлекательного аттракциона - симулятора пилотирования самолета (авиасимулятора) для гражданского коммерческого использования для имитации воздействий, ощущаемых пилотом в кабине реального воздушного судна.
Технический результат - усиление воздействия на органы чувств человека, подобные тем, которые он испытывает в реальных условиях, за счет высокого уровня аудио, видео и акселерационной составляющих.
Задача решается, а технический результат достигается симулятором пилотирования самолета, включающим корпус,  динамическую платформу и трап, при этом корпус жестко закреплен на верхней раме динамической платформы и представляет собой сборную металлическую раму с закрепленными на ней стеклопластиковыми панелями, создающими внешнюю оболочку корпуса симулятора, причем в корпусе расположены система визуализации для передачи визуальной обстановки, включающая сферический проекционный экран и три  видеопроектора, акустическая система для создания акустического фона, содержащая многоканальный интегральный усилитель мощности и громкоговорители, макет кабины самолета, системы вентиляции и кондиционирования, пассажирская зона с установленными в ней пассажирскими креслами, техническая зона для доступа к различным системам симулятора, а динамическая платформа включает верхнюю и нижние рамы с установленными на них подшипниковыми узлами и шестью электромеханическими приводами, каждый из которых управляется своим контроллером, принимающим управляющий сигнал по интерфейсу CAN, а также обеспечивающий связанный с ним привод электропитанием, при этом в макете кабины установлены центральный пульт управления, пьедестал, оверхэд, штурвальный узел, педальный узел, кресла пилотов, блок рычагов управления двигателями, а трап включает в себя силовой отсек с элементами для подключения к электросети и блоком автоматов защиты, а также  серверный отсек, включающий источники бесперебойного питания, четыре компьютера со специальным программным обеспечением, причем первый компьютер содержит программу-авиасимулятор, создающую видеосигнал для центрального проектора и  ведущую в реальном времени просчет математической модели виртуального воздушного судна, второй компьютер содержит программу-авиасимулятор, выполняющую функцию создания видеосигнала для левого проектора путем получения данных о местоположении воздушного судна от первого компьютера, и отображает  закабинную обстановку с поправкой в горизонтальной плоскости на 70-75° влево, третий компьютер содержит программу-авиасимулятор, выполняющую функцию создания видеосигнала для правого проектора путем получения данных о местоположении воздушного судна от первого компьютера и отображает закабинную обстановку с поправкой в горизонтальной плоскости на 70-75° вправо, при этом указанные  компьютеры находятся в одной локальной сети, позволяющей первому компьютеру отправлять данные о местоположении компьютерам второму и третьему, кроме того, содержат программное обеспечение, позволяющее «сшить» три видеосигнала в единое бесшовное изображение и исказить его таким образом, чтобы оно выглядело корректно при сферической проекции, при этом четвертый компьютер  содержит программу, отслеживающую все органы контроля и управления в макете кабины симулятора, и выполнен с возможностью обмена данными с программой-авиасимулятором в первом компьютере и передачи данных об ускорениях и пространственном положении воздушного судна в программу управления динамической платформой, интерпретирующей полученные данные для отправки в контроллеры динамической платформы с целью расчета в реальном времени необходимого положения динамической платформы, ее скорости и ускорения путем вычисления координаты и скорости перемещения каждого из шести штоков электромеханических приводов динамической платформы таким образом, чтобы их совокупность позволила занять всей платформе необходимое положение с заданной скоростью и ускорением.
Согласно изобретению:
- в качестве самолета-прототипа использован самолет Boeing 737-800;
- элементы для подключения к электросети выполнены в виде розетки для подключения к трехфазной электросети.
Технический результат достигается следующим.
Авиационный симулятор (авиасимулятор) имитирует  условия реального полёта, воспроизводя нюансы управления реальным воздушным судном. Авиасимулятор имитирует визуальную, акустическую и акселерационную обстановку в кабине управления воздушным судном путем получения соответствующих сигналов от компьютерных программ-модуляторов изображения, звука, перемещений воздушного судна, и воспроизведения данных сигналов на соответствующем оборудовании – акустической системе (звук), видеопроекторах с проекционным экраном (визуальная информация) и динамической платформе (акселерационные эффекты). Обеспечивается повышение ощущения реальности пилотирования, создание ощущения перегрузок и перемещения в пространстве с имитацией всех нюансов движения техники, создание сферической видеопроекции окружающей кабину (кокпит) воздушного судна, высокий уровень тактильных ощущений при взаимодействии с органами управления воздушного судна.
Сущность изобретения поясняют схемы и чертежи, где показано:
на фиг.1 а), б), в) - общий вид симулятора,
а) вид сбоку;
б) вид в изометрии;
в) вид сверху;
на фиг.2. – трап авиасимулятора (общий вид);
на фиг. 3 – трап – вид на розетку для подключения к сети;
на фиг. 4 – трап – вид на силовой отсек;
на фиг. 5 – показаны серверный и силовой отсеки;
на фиг. 6 – принципиальная схема взаимодействия систем авиасимулятора;
на фиг. 7 а), б), в) – динамическая платформа (а – вид сбоку, б – вид в изометрии, в – вид сверху)
на фиг. 8 – корпус авиасимулятора;
на фиг. 9 – корпус авиасимулятора, показаны рама и обшивки;
на фиг. 10 – корпус авиасимулятора, показаны рама и элементы системы визуализации;
на фиг. 11 – корпус авиасимулятора, показаны элементы системы визуализации и элементы кабины (кокпита);
на фиг. 12 – видеопроекторы;
на фиг. 13 – показаны элементы кабины (кокпита);
на фиг. 14 – правая боковая панель кабины (кокпита);
на фиг. 15 –  кресло пилотов – общий вид;
на фиг. 16 – показаны ручки регулировок положения кресла пилотов
(а – вид на правый бок, б – вид на левый бок);
на фиг. 17 – техническая зона;
на фиг.18 – система притока воздуха в корпус;
на фиг. 19 – система отвода воздуха из корпуса авиасимулятора и аудиосистема.
Авиасимулятор состоит из следующих основных частей (фиг.1):
1 – Трап
2 – Динамическая платформа
3 – Корпус авиасимулятора.
Трап 1 представляет собой конструкцию (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5), изготовленную из металлического каркаса 4 и обшивок из листового металла 5.
Конструкция трапа состоит из основания 6, надстройки 7 и  подъемного мостика 8. В основании трапа  6 имеются дверцы для доступа в силовой 9 и серверный 10 отсеки. Для перемещения трап 1 оснащен съемными колесами 11, а для фиксации - винтовыми опорами 12. Опоры 12 находятся под съемными кожухами 13. Для безопасного подъема трап 1 оснащен перилами 14 и ступенями 15 с наклеенным на них противоскользящим покрытием. На основании трапа  6 установлена панель 16 управления подъемом/спуском динамической платформы 2 и мостика трапа 8.
Трап выполняет следующие функции:
• Подъем по ступеням 15 с уровня пола на уровень входной зоны корпуса ависимулятора 3.
• Функции аппаратного шкафа.
Трап оборудован розеткой 17 для подсоединения к трехфазной электрической сети. Внутри трапа 1 оборудованы специальные места для установки электрических компонентов: блок 18 автоматов защиты сети, источники бесперебойного питания 19, обеспечивающие авиасимулятор электропитанием в случае внезапного отключения электроэнергии, компьютеры 20, 21, 22, 23, которые отвечают за программную часть авиасимулятора, блок контроллеров 24 динамической платформы, система 25 вентиляции и охлаждения элементов аппаратного шкафа, а также тормозные резисторы 26 динамической платформы.
От трапа 1 идут кабели 27, соединяющие контроллеры 24 с электромеханическими приводами 28 динамической платформы 2, а также жгут проводов 29, который заходит в корпус 3 авиасимулятора  для обеспечения работы  видеопроекторов 30, 31, 32 и системы 33 имитации управления полета  (фиг.6).
Динамическая платформа 2 состоит из двух металлических рам: верхней 34 и нижней 35, и электромеханических приводов 28 в количестве 6 шт. (фиг. 7). Нижняя рама 35 динамической платформы  жестко крепится к полу, в то время как верхняя рама 34, имея 6 степеней свободы, несет на себе корпус 3 авиасимулятора. На нижней  и верхних рамах установлены блоки подшипников: нижние  подшипниковые узлы 36 и верхние подшипниковые узлы 37. Обе рамы 34 и 35 соединяются друг с другом через электромеханические привода 28, которые крепятся на оси подшипниковых узлов. Электромеханические привода 28 представляют собой устройства, осуществляющие линейное перемещение штока относительно корпуса, вследствие этого при работе авиасимулятора происходит перемещение верхней рамы 34 с установленным на ней корпусом 3 авиасимулятора относительно нижней рамы 35.
Корпус 3 авиасимулятора включает оболочку 38 корпуса  с установленными в нем системой визуализации и макетом кабины (кокпита)  39 самолета Boeing 737 (фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13).
Оболочка 38  корпуса авиасимулятора состоит из металлической рамы 40 и стеклопластиковых обшивок 41 корпуса.
Система визуализации состоит из трех видеопроекторов 30, 31, 32, которые проецируют видеоряд во время имитации полета на трехсекционный сферический стеклопластиковый экран 42.
Макет кокпита 39 представляет собой реплику оригинальной кабины самолета Boeing 737 и состоит из: металлической рамы 43 кокпита, стеклопластиковых элементов 44 кокпита, кресел пилотов 45, пассажирских кресел 46, штурвального узла 47, педального узла 48, блока РУД (рычаги управления двигателями) 49 и системы 33 имитации управления полета.
Пассажирские кресла 46 установлены в задней части кокпита и служат для размещения пассажиров.
Штурвальный узел 47 служит для управления авиасимулятором по каналам  крена и тангажа и является полнофункциональной репликой оригинальных штурвалов самолета Boeing 737. Усилия, прикладываемые к штурвалам, соответствуют усилиям оригинальных штурвалов.
Педальный узел 48 служит для управления авиасимулятором по каналу рысканья и является полнофункциональной репликой оригинальных штурвалов самолета Boeing 737. Педальный узел 48 состоит из двух блоков,  соединенных друг с другом тягами для обеспечения синхронной работы. Усилия, прикладываемые к педалям, соответствуют усилиям оригинальных педальных узлов.
Блок РУД 49 служит для управления двигателями, ручным (парковочным) тормозом, закрылками и воздушным тормозом во время имитации полета на авиасимуляторе и является копией оригинального блока РУД.
Система имитации полета 33 включает в себя:  центральный пульт управления 50, пьедестал 51 и оверхэд 52. Центральный пульт управления 50, пьедестал 51 и оверхэд 52 представляют собой компоновку из блоков управления, выполненных по модульному принципу. Каждый блок управления собран в соответствии с характеристиками и особенностями оригинала. Функциональность всех элементов управления соответствует описанию в руководстве по летной эксплуатации РЛЭ (FCOM) реального воздушного судна.
Стеклопластиковые элементы 44 кокпита  задают внутреннее пространство модели кокпита самолета Boeing 737. На боковых панелях установлены ручки (Tiller)53 управления поворотом носовой стойкой шасси, на правой боковой панели Tiller 53 продублирован для инструктора. Также там установлены USB-зарядные устройства 54, подстаканники 55  (фиг. 14). На левой панели расположена имитация панели кислородной маски 56. На правой панели (для инструктора) расположена панель управления 57 звуком и приведения авиасимулятора в рабочее/парковочное состояние. На потолочных панелях расположены фонари 58 штурманской подсветки  и компас 59.
Кресла пилотов 45 представляют из себя реплику оригинальных кресел пилотов самолета Boeing 737. Кресла 45 состоят из основания 60, сидушки 61, спинки 62, подлокотников 63 и подголовника 64 (фиг. 15).
Кресла имеют  следующие органы регулировки положения кресла: ручка 65 регулировки кресла в продольном направлении, ручка 66 регулировки кресла по высоте, ручка 67 регулировки наклона спинки, ручка 68 регулировки высоты спинки, ручка 69 регулировки поясничного подпора  (фиг. 16). Подлокотники также могут быть перемещены в вертикальное положение для облегчения посадки в кресло.
Пространство между корпусом авиасимулятора и кокпитом является технической зоной. Оно служит для доступа к системам авиасимулятора для их монтажа и сервисного обслуживания. Для безопасного доступа к видеопроекторам (для их обслуживания) в технической зоне установлены специальные нескользящие ступени 70 и ручки 71.
Система воздухообмена авиасимулятора обеспечивает приток воздуха через штатные вентиляционные отверстия в кабине пилотов, а также верхнюю вытяжку через верхнюю обшивку корпуса авиасимулятора и включает в себя две основные части: кондиционирование (приточка) и вытяжка.  Основная разводка воздуховодов системы кондиционирования выполнена в подпольном пространстве. В кабине пилота подача воздуха осуществляется через воздуховоды 72 кабины пилота, в зоне пассажирских кресел подача воздуха осуществляется через воздуховоды 73 (фиг. 18). Отвод воздуха осуществляется от каждого из трех проекторов 30, 31, 32 и из зоны пассажирских кресел при помощи воздуховодов 74 с вентиляторами. В состав вытяжной системы также входит вентиляционный короб 75, к которому присоединены воздуховоды 74 с вентиляторами  (фиг. 19).
Аудиосистема обеспечивает передачу аудиоряда (звук двигателей, сигналы оповещения системы управления) во время имитации полета. В качестве аудиосистемы выбрана многоканальная сборка на основе интегрального усилителя мощности 76 и громкоговорителей  77.
Авиационный симулятор работает следующим образом.
Подъемный мостик трапа 8 опускается для обеспечения посадки/высадки экипажа в корпус авиасимулятора  3 и поднимается во время имитации полета.
Компьютеры 20, 21, 22, 23 оснащены специальным программным оснащением. Компьютер 21 содержит программу-авиасимулятор, которая выполняет две основные функции: создает видеосигнал для центрального видеопроектора проектора 31, а также в реальном времени ведет просчет математической модели виртуального воздушного судна. Компьютер 20 содержит точно такую же программу-авиасимулятор, которая выполняет лишь функцию создания видеосигнала для левого видеопроектора 30, путем получения данных о местоположении судна от компьютера 21, и отображения закабинной обстановки с поправкой в горизонтальной плоскости на 70 градусов влево. Компьютер 22 аналогично, но создает видеосигнал для правого видеопроектора 32, с такой же поправкой вправо. Эти компьютеры находятся в одной локальной сети, что позволяет компьютеру 21 отправлять данные о местоположении компьютерам 20  и 22. Также на всех этих компьютерах установлено специальное программное обеспечение, позволяющее «сшить» три видеосигнала в единое бесшовное изображение и исказить его таким образом, чтобы оно выглядело корректно при сферической проекции. Компьютер 23 содержит программу, которая отслеживает все органы контроля и управления в физической кабине авиасмулятора и отправляет эти данные в компьютер 21, в программу-авиасимулятор. Таким образом, если в физической кабине были отключены топливные насосы, эти данные поступят в программу-авиасимулятор, которая отключит топливные насосы в виртуальном самолете, что приведет к остановке двигателей, отключению ряда бортовых систем, резкому снижению текущей скорости судна, и, соответственно, повлияет на характер дальнейшего полета воздушного судна. При этом программа отслеживания получит обратную связь от программы-авиасимулятора, и включит в кабине сигнальные лампы отключения топливной системы, двигателей и прочих систем, а также аварийную звуковую сигнализацию для пилотов. Вторая функция программы отслеживания – передача данных об ускорениях и пространственном положении судна в программу управления системой подвижности. Последняя, основываясь на этих данных, интерпретирует их для отправки в контроллеры 24 динамической платформы, а именно рассчитывает в реальном времени необходимое положение верхней рамы 34 динамической платформы  (фиг. 7), ее скорость и ускорение путем вычисления координаты и скорости перемещения штока каждого из шести электромеханических приводов 28  таким образом, чтобы их совокупность позволила занять верхней раме 34 динамической платформы  необходимое положение с заданной скоростью и ускорением. Программа управления динамической платформой отправляет каждому контроллеру задание на перемещение соответствующего привода.
Динамическая платформа 2 служит для имитации акселерационных воздействий, таких, как наклоны воздушного судна, перегрузка при ускорении, проезд стыков бетонных плит взлетно-посадочной полосы и пр. Во время посадки/высадки экипажа динамическая платформа 2 стоит в нижнем (парковочном) положении. После посадки экипажа, инструктор специальным переключателем в кокпите авиасимулятора переводит его в рабочее положение. При этом сначала осуществляется подъем мостика трапа 8 в верхнее положение, после чего происходит подъем верхней рамы динамической платформы 34 с установленным на нем корпусом 3 авиасимулятора  в рабочее положение. После завершения имитации полета, инструктор также переводит специальным переключателем авиасимулятор в  парковочное положение. При этом сначала опускается верхняя рама динамической платформы 34 с установленным на ней корпусом 3 авиасимулятора  в парковочное положение, после чего опускается мостик трапа 8. После этого экипаж может покинуть корпус 3 авиасимулятора.
Таким образом, применение изобретения позволяет усилить воздействие на органы чувств человека, подобные тем, которые он испытывает в реальных условиях, за счет высокого уровня аудио, видео и акселерационной составляющих.