在民用飞机机载系统的研制过程中，仿真技术以其低成本、灵活部署和安全可靠的优势，逐渐成为需求确认、系统设计和验证等环节的重要方法。
同时，在民用飞机型号审查过程中，需要采用多种不同的方法表明产品对适航条款的符合性。其中分析/计算（MOC2）、试验室试验（MOC4）、模拟器试验（MOC8）等方法均与仿真技术相关，这体现了仿真技术在整个飞机研制过程中的重要作用。
在电动航空时代，更新颖的飞机构型、更综合化的航电平台和更智能化的飞控技术，将使得飞行仿真技术在产品研制和适航过程中得到更为广泛的应用。
一、传统航空的飞行仿真应用
在传统航空项目研制过程中，工程师们通常会搭建全数字仿真环境、工程模拟器、“铁鸟”综合试验台和飞行训练模拟器等飞行仿真系统，用来进行飞行控制系统的设计开发和测试验证。其仿真级别与真实部件的集成程度密切相关，仿真级别越高，系统的复杂性和真实性也越高。随着研制阶段的不断推进，逐步提升真实部件的集成程度，以降低项目成本，并提高研发效率。
1. 全数字仿真系统
全数字仿真环境是完全使用数学模型替代真实部件的仿真系统，通常不具备实时性。系统级仿真通过完整的回路模拟飞机行为，而部件级仿真更注重从原理上模拟设备的组成和功能实现，并确定部件的详细性能指标。
2. 工程模拟器
工程模拟器是飞控系统研制过程中能够进行人在回路仿真试验的第一套较为完整的设备，能够为飞行员提供较为真实的操纵、视觉、声音和运动等感觉。它的主要功能是作为研发设计工具，协助进行飞控系统设计、控制算法开发和参数调试、以及驾驶舱人机功效评估等工作。
3. “铁鸟”综合试验台
“铁鸟”综合试验台是飞控系统设计、集成和验证的关键试验环境，也是最接近真实飞机的试验环境。它通常包括飞控系统、能源系统、综合航电系统和电气系统等真实部件，还包括空气动力、动力装置、起落架等数字仿真模型，可以全面验证系统/设备的接口、功能、动静态性能以及故障模式等试验科目。
4. 飞行训练模拟器
飞行训练模拟器是全任务、全状态的飞行训练设备，功能和性能使用各子系统详细的设计数据和试验数据，并提供与真实飞机基本一致的驾舱环境，通常应用于飞机已完成研制之后的商业运行阶段。
二、eVTOL的飞行仿真应用
与传统民用飞机相比，eVTOL具有飞机构型复杂和飞行模式丰富等特点。eVTOL需要在垂直起降和巡航模式之间灵活且平稳切换，并且同时使用气动舵面和电动推进系统进行操控。这些创新特性为飞机的稳定性、操控性、飞行品质和人机交互等提出了新的挑战。因此，对于eVTOL的从业者而言，传统航空工程经验可能无法直接复制，具备满足eVTOL创新构型设计和需求分析的建模仿真能力至关重要。
以eVTOL行业龙头Joby为例，该团队搭建了多套飞行仿真环境，以支持飞机/系统设计、开发、验证和飞行员培训等多方面工作。
1. 飞行模拟器 Flight Simulator
Joby的飞行模拟器为其机型提供进行MOC8测试和飞行员培训的工程平台。此外，Joby宣布将与全球领先的航空模拟器制造商CAE公司合作，共同开发和认证飞行模拟训练设备，用于培训驾驶Joby全电动飞机的飞行员。
2. 虚拟系统集成实验室 Virtual System Integration Lab, VSIL
VSIL被用来在目标硬件上测试关键飞行软件，一般不包括动力装置和高压电系统部分。其模拟座舱符合实际飞机的座舱结构设计，包括航空座椅、操纵杆、控制开关和航电设备的位置与布局。同时，其采用模拟飞行软件X-Plane生成的外部三维环境和地形信息，并通过三个大型液晶显示器进行视景投影，形成虚拟系统集成环境。在VSIL开发和测试过程中，使用数据记录设备进行数据采集，支持数据分析工作。
NASA正在与Joby合作，在VSIL中进行一系列飞行测试模拟，以收集参考数据来支持飞行计划的制定。这些数据将被用于分析何种机动方式最有利于避障、航路效率、乘客舒适度和噪音等方面的考量。
3. 综合测试实验室 Integrated Test Lab, ITL
ITL中运用真实和模拟的部件，搭建软硬件集成的场景，使团队能够以低成本且高效的方式检查飞机上各系统在数千个测试用例中的响应和交互。同时，ITL正在积极寻求通过FAA的认证，成为满足审定要求的试验环境，为FAA的合格审定提供重要帮助。
除Joby外，德国的Lilium也在积极推进飞行仿真系统研制工作。专业航空培训公司Flight-Safety International为Lilium提供包括沉浸式设备和驾驶舱的飞行模拟器（e-Sim），该模拟器将被整合到地面飞机系统集成实验室中，为飞机系统需求验证提供适当的环境。e-Sim不仅使飞行员能够在飞行测试开始之前熟悉飞机功能和操纵特性，还可以作为符合性验证环境，为Lilium的型号认证提供支持。
这些飞行仿真系统使得飞机制造商能够采用更安全、更快速和更经济的验证方法，从而加速飞机/系统开发、验证和适航取证活动。通过这种方式，飞机制造商能够迅速识别和解决问题，优化飞机设计和性能指标，确保飞机符合安全标准和认证要求。
三、飞控系统研制与仿真
飞控系统是飞机的核心控制系统，它与飞机的各个主要子系统（包括电气系统、通信系统、导航系统和显示系统等）之间存在着复杂而密切的交联关系。这种交联关系的有效管理和协同运作是确保飞机安全飞行的关键。
1. 飞控系统研制的仿真应用
飞控系统的研制普遍采用自顶向下的“V”型研制流程，各阶段工作以满足各级设计需求的最终目标为目的进行螺旋式迭代。从研制流程来看，飞控系统的研制是需求定义、需求确认和需求验证的过程，是多个循环反复迭代的过程。在研制初期，根据上层需求逐级完成自身需求的分解和定义，并为下一层级分配需求，直到完成部件的需求确认，转入详细设计和工程试制阶段，最后对各层级需求进行验证。
仿真技术为飞控系统的研制提供了重要的工具和平台。结合飞行控制系统的研制流程，根据仿真工作的层次、广度和深度，可以将飞控系统研制中的仿真应用划分为四个阶段：
(1) 需求定义与确认阶段
(2) 方案论证与设计阶段
(3) 详细设计与验证阶段
(4) 飞机试飞与培训阶段
仿真形式表现为全数字仿真环境、工程模拟器、“铁鸟”综合试验台和飞行训练模拟器，主要工作包括进行试飞问题复现，完善系统软硬件设计，完善控制律结构参数，协助完成试飞员培训。
综上所述，仿真技术在飞控系统研制过程中具有重要的作用。它可以帮助克服系统复杂性高、验证周期长等技术难题，最大限度地避免出现设计反复的情况。
2. 飞控系统的飞行仿真系统实例
边界智控作为国内最早从事eVTOL飞控和导航系统的团队之一，在过往的项目中积累了丰富的飞行仿真系统搭建经验，也在实验室搭建了飞控系统验证的完整飞行仿真环境，并对飞控系统产品进行充分验证。
边界智控开发的飞行仿真系统主要包括三个部分：综合仿真测试机柜、驾舱显示系统以及视景仿真系统。这些系统不仅能够支持飞控系统的研发，还可以帮助主制造商完成各种飞控功能和综合化信息显示的验证。此外，基于低耦合、高内聚的设计理念，该仿真系统还具备模块化、通用化和标准化等设计特征。通过这样的设计，飞行仿真系统具备了灵活、便捷的特性，使其能够出色地实现定制化能力，从而在最大程度上满足不同类型客户的需求。
综合仿真测试机柜内部包括一台实时计算机和支持线路级硬件故障注入设备。它提供了飞控/航电系统的实时测试和仿真环境，并且具备多种功能：
首先，它适用于飞控/航电子系统的半物理仿真测试和故障排除工作，能够模拟真实飞行情况下的各种场景和故障情况，以验证系统的性能和可靠性；
其次，它还适用于装机前的系统集成和联调测试工作，能够验证整个系统在实际环境中的接口交联关系和协同运行的准确性；
此外，通过总线与机载子系统进行交联，它能够实现飞控/航电子系统飞行测试的故障复现，以便进行更全面和真实的测试与评估。
主要具备的功能特点如下：
(1) 支持Matlab/Simulink或SCADE等工具建模，包括飞行器动力学建模、环境建模、操纵设备建模、作动系统建模、传感器建模、惯性导航系统建模和电源系统建模等，支持eVTOL全构型的数字仿真工作；
(2) 支持代码生成、自动加载、运行控制、模型变量监视、在线参数修改、数据存储、数据回放、自动配平和快速重启等功能；
(3) 支持故障注入功能，具备线路级硬件故障注入能力，以及通过模型和用例编辑工具实现的软件故障注入功能；
(4) 支持自动化测试，根据试验任务编辑测试用例，自动或半自动执行测试用例，并生成测试报告；
(5) 支持可选真件接入系统，例如惯性导航系统、作动系统和操纵设备等。
四、飞行仿真系统在电动航空时代的展望
为了更好地支撑电动航空时代产品商业化工作的开展，边界智控判断飞行仿真系统可能会出现以下趋势：
1. 随着电动航空时代的到来，eVTOL机载产品的综合化程度越来越高，这使得故障影响分析变得更加复杂。因此，研发人员需要深入研究更多的故障注入方法、仿真激励实现方法、以及更先进的故障诊断技术，以提高实验室测试验证效率；
2. 在电动航空时代，eVTOL和其他构型的电动飞机机载仿真平台技术将逐步向数字化、智能化和集成化方向发展。通过软件的仿真技术，可以逼真地模拟机载软件运行的物理硬件环境，减少对实际物理设备的依赖；
3. 对于eVTOL等小型飞机，在缩比样机、全尺寸验证机、原型机阶段，基于飞行试验（MOC6）符合性方法将比大型民航客机使用得更多，但这并不意味着仿真系统重要性的下降。飞行试验所产生的实飞数据，可用于不断修正和完善仿真模型，提高仿真系统的可信度。因此，如何更好的使用不同符合性表明方法，做到成本和效率的最优，将是eVTOL研制单位的一大挑战；
4. 随着城市空中交通中飞行器数量的增加，空中交通规划和飞行管理变得尤为重要。通过飞行仿真模拟技术，可以评估不同的交通管制策略和算法，以提高空中交通的运营效率。
以上就是边界智控从飞控系统研发角度看到关于仿真系统的一些观点分享，如果各位有兴趣，也非常欢迎来与我们交流。
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