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摘要：球幕是直升机飞行模拟器的重要组成部分，为飞行员提供逼真的视觉场景，是飞行员与模拟的视觉环境直接进行交互的承载系统。由于模拟器运动平台能力的限制，为满足总体的重量及惯量要求，球幕在满足成像、刚强度要求的同时必须使结构最轻，本文对球幕进行轻量化设计，采用比强度、比刚度好的复合材料结构，充分考虑制造极限，减少装配工作量，从而使球幕满足模拟器设计的重量及惯量要求。
关键词：直升机；飞行模拟器；轻量化；结构设计
通过直升机飞行模拟器进行飞行模拟已成为直升机型号设计、飞行试验和训练的重要手段[1]。在新型直升机的研制过程中，必须利用飞行模拟器做大量实验以评估新机型的性能参数，模拟器与涡轮轴发动机、风洞实验台和结构环境实验设备并称为直升机四大试验研发设施[2]；利用飞行模拟器进行训练可以不受环境、地域和气候的限制，利用模拟器中的指挥控制系统可以随意挑选训练科目，训练的时效性高；同时，还具有节省时间、人力和物力资源等优点，从而使训练费用大大降低[3]。
视景系统是飞行模拟器重要子系统，为飞行员提供逼真的视觉场景，是飞行员与模拟的视觉环境直接进行交互的承载系统。高品质的视景系统是高等级模拟器训练质量的重要保证。球幕是视景系统成像的直接载体，同时球幕尺寸大（半径一般在3.5m作用）且距离运动平台中心较远，对整个模拟器重量重心及惯量的影响巨大，因此球幕结构轻量化设计对提升模拟器运动性能，降低成本至关重要。
1.球幕设计要求
球幕结构是飞行模拟器视景系统重要组成部分，在满足成像要求及强高度要求的同时，在设计时还需综合考虑以下要求：
球幕内球幕面为成像面，在加工过程中必须为贴模面，保证其精度，拼接处阶差、间隙满足总体技术要求；
球幕设计需充分考虑运输与安装的方便性，要求分块与连接合理；
球幕各块之间拼接部分须有减振处理。
2.系统关键部件
飞行模拟器中视景显示系统最为关键的部件为显示屏幕和投影机。这两个关键部件选择的好坏直接影响着飞行模拟器的质量和飞行训练效果[4]。
2.1显示屏幕选择
按成像方式不同，飞行模拟器成像系统分为两类：实像视景及虚像视景。实像视景又分为柱幕实像显示系统和球幕实像显示系统。其中球幕实像视景系统给飞行员带来的沉浸感更强，且结构较为简单、成本低廉、垂直视场大。虚像视景显示通过在负压屏幕上成正立放大虚像，具有景深感强、成像逼真度高等特点，但其系统结构复杂需付出较大的重量代价且视场较小，不适合用于直升机飞行模拟器。
目前实像显示系统中能实现大视场角的显示系统有球幕显示系统和多板块显示系统，其中多板块显示系统不用进行通道间的边缘融合，在生成系统硬件上能够大大节省成本[5、6]，但板块之间存在接缝影响成像且不易清理，其屏幕价格高昂。本直升机飞行模拟器为全动模拟器，还需考虑球幕与其余系统之间的连接，多板块显示系统并不适合。综上所述，本模拟器球幕选用实像球形屏幕。
2.2投影机选择
投影机是虚拟景物产生的关键部件，它影响着视景系统要求的视觉。而投影机的个数的确定又关系到系统的工程造价，所以投影机的选择至关重要。目前，市场上投影机的种类繁多，但多属于商务用机。而在飞行模拟器的显示系统中通常选用投影面积更大、距离更远、光亮度高的工程投影机[4]。
本模拟器投影机选用SONY公司生产的VPL-GTZ280，该投影机具有5000流明亮度和4096× 2160分辨率。
3.球幕结构设计
由于模拟器运动平台能力的限制，为满足总体的重量及惯量要求，视景系统在满足成像、刚强度要求的同时必须使结构最轻，本文对视景系统进行轻量化设计，采用比强度、比刚度好的复合材料结构，充分考虑制造极限，减少装配工作量，从而使视景系统满足模拟器设计的重量及惯量要求。
3.1成像球幕设计
成像球幕分为前球幕、后球幕、支撑球幕及上顶盖及球幕安装结构五部分。其中前后球幕为主成像区；支撑球幕参与成像的同时也是投影机的安装支架，为整个球幕主要承力部分；上顶盖不参与直接成像；起封闭结构传力路线及遮光作用。
3.1.1前球幕
前球幕为成像主要区域，由6块分球幕①、②、③、④、⑤、⑥组成，分球幕四周有高60mm的翻边用于安装连接用紧固件；每块分球幕在经向方向為28°且外形一致可以同一套模具成型，分球幕之间通过在翻边上托板螺母，用螺栓连接。
前球幕顶部通过螺栓、托板螺母与上顶盖相连；两侧通过螺栓与托板螺母与支撑球幕相连；底部通过螺栓、托板螺母与遮光角材相连；外侧面通过螺栓、镶嵌件与球幕安装结构相连。球幕采用纸蜂窝夹层结构，重量为140.298kg。
3.1.2后球幕
后球幕为成像主要区域，由上后球幕①、右后球幕②、左后球幕③组成，为支撑球幕与后房体的过渡区域，结构及材料形式与前球幕类似；后球幕通过螺栓、托板螺母与支撑球幕、后房体连接，外侧面通过螺栓、镶嵌件与球幕安装结构相连；重量为39.214 kg。
3.1.3支撑球幕
支撑球幕既参与成像的又是顶部4台投影机的安装平台，为整个球幕组件的主承力结构。
支撑球幕骨架为复合材料盒形件铆接而成，蒙皮为蜂窝夹层结构，骨架与蒙皮铆接；其中外球幕留有维护口盖。
支撑球幕与前球幕及上顶盖通过螺栓、托板螺母连接；底部通过螺钉、镶嵌件与支撑球幕安装结构连接。
3.1.4上顶盖
上顶盖主要作用是将球幕封闭成为完整结构同时保证不漏光，并不参与成像，也不是主要的承力结构。
与前球幕结构相似，上顶盖四周翻边用于安装连接用紧固件。上顶盖与前球幕、支撑球幕结构采用托板螺母与螺栓的形式连接。上顶盖为纸蜂窝夹层结构，重量为4.457 kg。 3.2球幕安装结构设计
球幕安装结构为球幕提供与底部运动平台安装接口。
球幕组件安装结构由机加盒形件①（数量2）、底部安装板②、锥形件③及机加角材④（数量4）组成，其中底部安装板、机加角材与盒形件铆接后与安装在底部平台的锥形件对接螺栓拧紧。球幕组件安装结构通过螺钉与球幕中的镶嵌件相连。
3.3遮光结构设计
遮光角材用于遮挡外部光线，防止其对视景系统产生干扰。遮光角材为钣金件，通过螺栓、托板螺母与前球幕及底部平台连接。
整个模拟器球幕结构总重量不超过500kg（包含紧固件），比传统玻璃钢或钢骨架蒙皮结构球幕减重50%左右，使模拟器选用吨位较小的运动平台也可满足设计指标，提高经济效益。
4.结构强度分析
球幕组件模型采用hypermesh软件进行网格划分及优化，导入有限元仿真软件ANSYS进行强度及变形分析，有限元模型见图 7、应力见图 8、变形见图 9所示。
球幕整体应力及变形满足设计要求，应力最大点位于上后球幕与左后球幕、右后球幕接触点，变形最大处为上后球幕（13mm），实际情况球幕与后房体相连形成封闭体，对球幕有良好的支撑作用，整体模拟器仿真分析结果表明球幕整体应力集中及变形会有较大改善，满足设计要求
5.结论
本文针对某型直升机飞行模拟器设计了一种球幕实像视景系统，通过光路设计满足模拟器视景要求，同时对成像球幕结构进行了轻量化设计，在满足成像功能及整体刚强度要求的同时也为投影机安装提供平台，简化了结构形式，是一种高性价比、大视场、轻量化的视景系统，极大地提高了飞行仿真的逼真性和飞行训练效果。
参考文献：
[1]栗英杰.直升机飞行模拟器关键技术研究[D].吉林大学，2012.
[2] 齐潘国.飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究[D].哈尔滨工业大学，2009.
[3] Kim S.K.，Tilbury DM.Mathematical modeling and experimental identification of an unmanned helicopter robot with flybar dynamics[J].Journal of Robotic Systems，2004，21（3）：95-116.
[4] 郭云松，飛行模拟器球幕视景显示系统的研究与实现[J]，系统仿真学报，2013（05）.
作者简介：
胡文强，男，生于1991年7月，工程技术部设计员，助理工程师，联系电话18870370166
（作者单位：航空工业昌河飞机制造集团有限责任公司）
关键词：直升机；飞行模拟器；轻量化；结构设计
通过直升机飞行模拟器进行飞行模拟已成为直升机型号设计、飞行试验和训练的重要手段[1]。在新型直升机的研制过程中，必须利用飞行模拟器做大量实验以评估新机型的性能参数，模拟器与涡轮轴发动机、风洞实验台和结构环境实验设备并称为直升机四大试验研发设施[2]；利用飞行模拟器进行训练可以不受环境、地域和气候的限制，利用模拟器中的指挥控制系统可以随意挑选训练科目，训练的时效性高；同时，还具有节省时间、人力和物力资源等优点，从而使训练费用大大降低[3]。
视景系统是飞行模拟器重要子系统，为飞行员提供逼真的视觉场景，是飞行员与模拟的视觉环境直接进行交互的承载系统。高品质的视景系统是高等级模拟器训练质量的重要保证。球幕是视景系统成像的直接载体，同时球幕尺寸大（半径一般在3.5m作用）且距离运动平台中心较远，对整个模拟器重量重心及惯量的影响巨大，因此球幕结构轻量化设计对提升模拟器运动性能，降低成本至关重要。
1.球幕设计要求
球幕结构是飞行模拟器视景系统重要组成部分，在满足成像要求及强高度要求的同时，在设计时还需综合考虑以下要求：
球幕内球幕面为成像面，在加工过程中必须为贴模面，保证其精度，拼接处阶差、间隙满足总体技术要求；
球幕设计需充分考虑运输与安装的方便性，要求分块与连接合理；
球幕各块之间拼接部分须有减振处理。
2.系统关键部件
飞行模拟器中视景显示系统最为关键的部件为显示屏幕和投影机。这两个关键部件选择的好坏直接影响着飞行模拟器的质量和飞行训练效果[4]。
2.1显示屏幕选择
按成像方式不同，飞行模拟器成像系统分为两类：实像视景及虚像视景。实像视景又分为柱幕实像显示系统和球幕实像显示系统。其中球幕实像视景系统给飞行员带来的沉浸感更强，且结构较为简单、成本低廉、垂直视场大。虚像视景显示通过在负压屏幕上成正立放大虚像，具有景深感强、成像逼真度高等特点，但其系统结构复杂需付出较大的重量代价且视场较小，不适合用于直升机飞行模拟器。
目前实像显示系统中能实现大视场角的显示系统有球幕显示系统和多板块显示系统，其中多板块显示系统不用进行通道间的边缘融合，在生成系统硬件上能够大大节省成本[5、6]，但板块之间存在接缝影响成像且不易清理，其屏幕价格高昂。本直升机飞行模拟器为全动模拟器，还需考虑球幕与其余系统之间的连接，多板块显示系统并不适合。综上所述，本模拟器球幕选用实像球形屏幕。
2.2投影机选择
投影机是虚拟景物产生的关键部件，它影响着视景系统要求的视觉。而投影机的个数的确定又关系到系统的工程造价，所以投影机的选择至关重要。目前，市场上投影机的种类繁多，但多属于商务用机。而在飞行模拟器的显示系统中通常选用投影面积更大、距离更远、光亮度高的工程投影机[4]。
本模拟器投影机选用SONY公司生产的VPL-GTZ280，该投影机具有5000流明亮度和4096× 2160分辨率。
3.球幕结构设计
由于模拟器运动平台能力的限制，为满足总体的重量及惯量要求，视景系统在满足成像、刚强度要求的同时必须使结构最轻，本文对视景系统进行轻量化设计，采用比强度、比刚度好的复合材料结构，充分考虑制造极限，减少装配工作量，从而使视景系统满足模拟器设计的重量及惯量要求。
3.1成像球幕设计
成像球幕分为前球幕、后球幕、支撑球幕及上顶盖及球幕安装结构五部分。其中前后球幕为主成像区；支撑球幕参与成像的同时也是投影机的安装支架，为整个球幕主要承力部分；上顶盖不参与直接成像；起封闭结构传力路线及遮光作用。
3.1.1前球幕
前球幕为成像主要区域，由6块分球幕①、②、③、④、⑤、⑥组成，分球幕四周有高60mm的翻边用于安装连接用紧固件；每块分球幕在经向方向為28°且外形一致可以同一套模具成型，分球幕之间通过在翻边上托板螺母，用螺栓连接。
前球幕顶部通过螺栓、托板螺母与上顶盖相连；两侧通过螺栓与托板螺母与支撑球幕相连；底部通过螺栓、托板螺母与遮光角材相连；外侧面通过螺栓、镶嵌件与球幕安装结构相连。球幕采用纸蜂窝夹层结构，重量为140.298kg。
3.1.2后球幕
后球幕为成像主要区域，由上后球幕①、右后球幕②、左后球幕③组成，为支撑球幕与后房体的过渡区域，结构及材料形式与前球幕类似；后球幕通过螺栓、托板螺母与支撑球幕、后房体连接，外侧面通过螺栓、镶嵌件与球幕安装结构相连；重量为39.214 kg。
3.1.3支撑球幕
支撑球幕既参与成像的又是顶部4台投影机的安装平台，为整个球幕组件的主承力结构。
支撑球幕骨架为复合材料盒形件铆接而成，蒙皮为蜂窝夹层结构，骨架与蒙皮铆接；其中外球幕留有维护口盖。
支撑球幕与前球幕及上顶盖通过螺栓、托板螺母连接；底部通过螺钉、镶嵌件与支撑球幕安装结构连接。
3.1.4上顶盖
上顶盖主要作用是将球幕封闭成为完整结构同时保证不漏光，并不参与成像，也不是主要的承力结构。
与前球幕结构相似，上顶盖四周翻边用于安装连接用紧固件。上顶盖与前球幕、支撑球幕结构采用托板螺母与螺栓的形式连接。上顶盖为纸蜂窝夹层结构，重量为4.457 kg。 3.2球幕安装结构设计
球幕安装结构为球幕提供与底部运动平台安装接口。
球幕组件安装结构由机加盒形件①（数量2）、底部安装板②、锥形件③及机加角材④（数量4）组成，其中底部安装板、机加角材与盒形件铆接后与安装在底部平台的锥形件对接螺栓拧紧。球幕组件安装结构通过螺钉与球幕中的镶嵌件相连。
3.3遮光结构设计
遮光角材用于遮挡外部光线，防止其对视景系统产生干扰。遮光角材为钣金件，通过螺栓、托板螺母与前球幕及底部平台连接。
整个模拟器球幕结构总重量不超过500kg（包含紧固件），比传统玻璃钢或钢骨架蒙皮结构球幕减重50%左右，使模拟器选用吨位较小的运动平台也可满足设计指标，提高经济效益。
4.结构强度分析
球幕组件模型采用hypermesh软件进行网格划分及优化，导入有限元仿真软件ANSYS进行强度及变形分析，有限元模型见图 7、应力见图 8、变形见图 9所示。
球幕整体应力及变形满足设计要求，应力最大点位于上后球幕与左后球幕、右后球幕接触点，变形最大处为上后球幕（13mm），实际情况球幕与后房体相连形成封闭体，对球幕有良好的支撑作用，整体模拟器仿真分析结果表明球幕整体应力集中及变形会有较大改善，满足设计要求
5.结论
本文针对某型直升机飞行模拟器设计了一种球幕实像视景系统，通过光路设计满足模拟器视景要求，同时对成像球幕结构进行了轻量化设计，在满足成像功能及整体刚强度要求的同时也为投影机安装提供平台，简化了结构形式，是一种高性价比、大视场、轻量化的视景系统，极大地提高了飞行仿真的逼真性和飞行训练效果。
参考文献：
[1]栗英杰.直升机飞行模拟器关键技术研究[D].吉林大学，2012.
[2] 齐潘国.飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究[D].哈尔滨工业大学，2009.
[3] Kim S.K.，Tilbury DM.Mathematical modeling and experimental identification of an unmanned helicopter robot with flybar dynamics[J].Journal of Robotic Systems，2004，21（3）：95-116.
[4] 郭云松，飛行模拟器球幕视景显示系统的研究与实现[J]，系统仿真学报，2013（05）.
作者简介：
胡文强，男，生于1991年7月，工程技术部设计员，助理工程师，联系电话18870370166
（作者单位：航空工业昌河飞机制造集团有限责任公司）