Physique

Les forces subies par un avion en vol dépendent de l'état variable dans le temps de l'écoulement du fluide atmosphérique le long de la trajectoire de vol - l'atmosphère étant un fluide qui peut échanger de l'énergie, de l'humidité ou des particules, changer de phase ou un autre état et exercer une force avec des limites formées par surfaces. Le comportement des fluides est souvent caractérisé par des tourbillons ou des vortex à différentes échelles jusqu'au microscopique, mais il est plus difficile à observer car l'air est clair, à l'exception des changements de phase d'humidité comme des traînées de condensation ou des nuages. L'interaction entre la limite atmosphère et le terrain suit la dynamique des fluides, avec des processus à des échelles extrêmement variables et la « météo » est la couche limite planétaire. L’interaction avec la surface de l’avion fonctionne selon la même dynamique, mais à une gamme limitée d’échelles. Les forces ressenties à tout moment le long d'une trajectoire de vol sont donc le résultat de processus atmosphériques complexes à différentes échelles spatiales et d'un écoulement complexe le long de la surface de l'engin. Les vaisseaux subissent également des forces gravitationnelles variables en fonction de la forme 3D du puits de potentiel et de la forme non sphérique de la Terre.

## Physique atmosphérique et environnementale

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FlightGear peut simuler l'atmosphère allant des entrées/sorties d'énergie au système, comme l'énergie du soleil ou des sources volcaniques, jusqu'à l'écoulement des fluides à différentes échelles et changements d'état. FlightGear est capable de modéliser différentes caractéristiques de surface telles que le chauffage ou le refroidissement, ainsi que l'échange de chaleur et d'humidité avec l'atmosphère en fonction de facteurs tels que le flux du vent ou le point de rosée. FlightGear modélise le cycle de vie en constante évolution des phénomènes à différentes échelles, piloté par l'interaction du fluide avec le terrain. Ils vont des turbulences à différentes échelles aux thermiques individuels, aux orages, en passant par les couches d'air en mouvement et la représentation des masses d'air à l'échelle de milliers de kilomètres. L'eau atmosphérique est modélisée par FlightGear, allant des changements d'état tels que la condensation en couches de nuages ​​ou de brume, en passant par l'énergie fournie par la chaleur latente pour générer un écoulement de fluide convectif, jusqu'aux précipitations sous forme de gouttelettes de pluie, de neige ou de grêle.

Le processus de génération de portance crée des turbulences avec des vortex, et les modèles FlightGear réveillent les turbulences avec la perte des tourbillons de bout d'aile par les engins en vol ainsi que par les engins IA.

FlightGear dispose également d'un modèle moins précis physiquement qui utilise des mises à jour météorologiques METAR de fréquence différente, conçu pour une exploitation sûre des aérodromes, pour forcer de manière discontinue l'atmosphère sur la base de tentatives de suppositions de processus qui sont fondamentalement contraints par la proximité ou la densité des stations d'observation, comme ainsi que la précision des informations à petite échelle, limitées, arrondies, qui ne varient pas régulièrement et qui nécessitent de connaître. Les paramètres de waypoint en altitude modélisant les comportements du vent à haute altitude peuvent être synchronisés avec les mises à jour de Jeppeson.

Flightgear dispose d'une simulation des corps planétaires du système solaire qui est utilisée à des fins telles que la conduite des conditions météorologiques en fonction de la latitude à partir du rayonnement solaire, ainsi que la luminosité et la position des étoiles pour la navigation céleste. Il existe un modèle de gravité basé sur une Terre non sphérique, et les engins peuvent même subir une gravité différente sur leur corps, ce qui exercera une force de torsion. Un modèle de la variation observée dans le champ magnétique complexe de la Terre et la possibilité de simuler, dans une certaine mesure, la propagation des signaux d'ondes radio dus à l'interaction avec différents types de terrain, existent également dans FlightGear.

FlightGear utilise un modèle exact et non sphérique de la Terre et est également capable de simuler un vol dans les régions polaires et les aéroports (Arctique ou Antarctique) sans erreurs de simulation dues à des problèmes avec les systèmes de coordonnées.

## Dynamique de vol

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FlightGear prend en charge plusieurs moteurs de dynamique de vol avec des approches différentes et des sources externes telles que MATLAB/Simulink, ainsi que des modèles de vol personnalisés pour les montgolfières et les engins spatiaux.

## JSBSim

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JSBSim est un moteur de dynamique de vol basé sur les données avec un noyau C++ construit pour répondre aux besoins du projet FlightGear de 1996 pour remplacer LaRCSim de la NASA, et intégré dans FlightGear par défaut à partir de 1999. Les caractéristiques de vol sont préservées malgré une faible fréquence d'images, comme le sont la physique de JSBSim. découplé du rendu et coché à 120 Hz par défaut. Cela prend également en charge une accélération élevée du temps, car le rendu n'a pas besoin d'être effectué plus rapidement, ce qui constitue un goulot d'étranglement pour le GPU.

Le bilan de masse, les réactions au sol, la propulsion, l'aérodynamique, les forces de poussée, les forces externes, les forces atmosphériques et les forces gravitationnelles peuvent être utilisés par JSBSim, le moteur de dynamique de vol par défaut actuel pris en charge par FlightGear, pour déterminer les caractéristiques de vol. JSBSim prend en charge les atmosphères non terrestres et a été utilisé par la NASA pour modéliser des vols sans pilote dans l'atmosphère martienne.

## Tests de référence par la NASA

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JSBSim a été utilisé par la NASA en 2015 avec d'autres codes de simulation de l'industrie spatiale, à la fois pour établir une règle permettant de juger le futur code des exigences et des normes de l'industrie spatiale, ainsi que pour vérifier l'accord. La vérification a testé le vol atmosphérique et orbital à 6 degrés de liberté pour des simulations comme JSBSim qui prenaient en charge les deux. Les résultats de 6 participants comprenant le NASA Ames Research Center (VMSRTE), Armstrong Flight Research Center (Core), Johnson Space Center (JEOD), Langley Research Center (LaSRS++, POST-II), Marshall Space Flight Center (MAVERIC) et JSBSim était anonyme car la NASA souhaitait encourager la participation. Cependant, l'évaluation a révélé un accord pour tous les cas de test entre la majorité des participants, les différences étant explicables et réductibles pour le reste, et les tests orbitaux convenant « assez bien » pour tous les participants.

## YASim

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L'approche de YASim en matière de dynamique de vol utilise la géométrie de l'avion présente dans le modèle 3D au démarrage, conceptuellement similaire à la théorie des éléments de pale utilisée par certains logiciels, pour calculer une approximation approximative de la dynamique des fluides - avec les problèmes conceptuels que chaque « élément » est pris en compte. dans l'isolement, il manque donc l'effet sur l'écoulement du fluide vers d'autres éléments, et l'approximation se décompose pour les engins dans les régimes transsoniques à hypersoniques. En revanche, les approches hors ligne comme JSBSim peuvent intégrer des données de soufflerie. Ils peuvent également incorporer les résultats de la dynamique des fluides computationnelle qui peuvent atteindre une précision calculable uniquement limitée par la nature du problème et les ressources informatiques actuelles.

FlightGear prend également en charge LaRCsim et UIUC.

## Accélération du temps

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FlightGear est capable d'accélérer et de décélérer le temps, accélérant ou ralentissant la simulation. L'accélération temporelle est une fonctionnalité essentielle pour simuler des vols et des missions spatiales plus longues. Pour toutes les interactions avec le simulateur, il permet aux utilisateurs d'accélérer les parties sans incident et d'acquérir plus d'expérience (décisions et résolution de problèmes). Cela signifie également que les simulations automatisées utilisées pour la recherche se terminent plus rapidement – ​​ceci est facilité par le mode sans tête de FlightGear.

FlightGear est capable de prendre en charge des accélérations temporelles élevées en permettant à certaines parties de la simulation de s'exécuter à des rythmes différents. Cela permet d'économiser les ressources CPU et GPU en laissant les parties sans importance de la simulation, comme les visuels ou les systèmes d'avion moins sensibles au temps, s'exécuter à des rythmes plus lents. Cela améliore également les performances. Des horloges distinctes sont disponibles pour la physique JSBSim, différentes parties des systèmes d'avion, ainsi que pour les simulations d'environnement à grande échelle (simulation céleste) et à petite échelle (physique météorologique).