Полеты на земле и наяву: 3D-пространство

Возможно, профессиональному пилоту движения и не хватает, но только не человеку, впервые увидевшему, как работает комплексный тренажер экипажа вертолета Ка-52. И головокружение, и дрожь в ногах, и ощущение стремительного полета — все эти более чем реалистичные иллюзии неизменно возникают, хотя кабина тренажера остается неподвижной.

Удар по чувствам

О том, как создать реалистичное ощущение пилотирования, мы поговорили с Андреем Бюшгенсом, доктором технических наук, главным конструктором ЦНТУ «Динамика». Эта компания, конструирующая ипроизводящая авиатренажеры, базируется в подмосковном Жуковском, на территории знаменитого ЦАГИ, с которым связана неразрывными узами.

«Задача тренажера — "ударить" по всем органам чувств человека, который проходит обучение, — говорит Андрей Бюшгенс. — При этом надо понимать, какие факторы воздействия более важны, а какие менее. Принято считать, что главный канал, через который человек получает около 70% информации, это зрение. Поэтому первостепенное значение в тренажере имеет система визуализации. На втором месте система подвижности, которой мы отдаем максимум 10%. Важен и интерьер кабины, степень его идентичности кокпиту реального аппарата. Необходимо также добиться правильной загрузки рычагов управления, которая меняется в зависимости от режима полета. И наконец, тренажеру необходима корректная математическая модель динамики полета. Это наш традиционный конек, в силу того что мы — выходцы из ЦАГИ. Здесь мы находимся среди людей, которые располагают исходными данными для расчета моделей и хорошо понимают, что с этими данными надо делать. Кроме того, необходимо смоделировать ряд других систем, которые также очень важны для тренажера. Это вооружение, гидравлика, электрическая система, радиосвязь, навигация и т. д.»

В системе визуализации для авиатренажера есть два существенных компонента. Первый — это компьютерный синтез изображения, программное обеспечение для которого постоянно совершенствуется в части реалистичности, быстродействия, разрешения. 60 кадров в секунду — сегодня минимальная частота для системы визуализации авиатренажера, хотя имитация полета высокоманевренных аппаратов требует и больших значений. Отдельная сфера деятельности — создание баз данных окружающего мира: рельефа, зданий и других сооружений, летательных аппаратов, бронеобъектов. Базы данных составляются на основе спутниковой картографии с колоссальным объемом ручной доработки в районах повышенного интереса. Зданиям придаются узнаваемые черты путем внедрения в 3D-модель реальных фотографических изображений. Работы по созданию таких баз данных в России весьма успешно ведет компания «Константа-дизайн», с которой ЦНТУ «Динамика» сотрудничает вот уже десять лет.

Особенно сложна визуализация для вертолета. Самолет летит высоко и быстро, и разглядывание земли пилотом в основном не предполагается. Более-менее детально прорабатываются лишь территории аэродромов и зоны боевого применения. Вертолет же может сесть где угодно, летает медленно, и у пилота нередко возникает желание или необходимость изучить местность. Кроме того, подробность картинки — это фактор для оценки высоты, скорости и т. д.

Второй компонент — система проецирования виртуальной реальности. Здесь требуется обмануть человеческий мозг, заставить его поверить в реальность изображения. Какой бы качественный монитор ни находился у нас перед глазами, для рассматривания условно далекой точки, например ландшафта, нам все равно приходится сводить глаза, фокусируя взгляд на плоскости монитора. В реальности лучи света, поступающие от далекого (дальше 10−15 м) объекта, практически параллельны, а наши глаза, воспринимая их, сфокусированы на бесконечности. Задача систем отображения — этот эффект воссоздать. Самая простая из них — проекционная система. В этой системе происходит прямая проекция 3D-реальности на экран, размещенный перед кабиной тренажера. Однако устанавливать полусферический проекционный экран на расстоянии, с которого начинается эффект бесконечности, технически нерационально. Поэтому конструкторы идут на компромисс и создают системы с радиусом около 4 м. Проекционные системы хороши тем, что позволяют сделать почти полный круговой обзор. В тренажере Ка-52, который нам довелось увидеть в работе, как раз применена именно такая система, иона обеспечивает весьма убедительную реалистичность.

Полноценный искусственный эффект бесконечности создают коллимационные системы, из которых наиболее совершенны панорамные системы коллимационной визуализации. В панорамной системе напротив кабины устанавливается зеркальный экран полусферической формы из тонкой пленки с нанесенной на нее амальгамой. За пределами поля зрения экипажа расположено полупрозрачное зеркало, на которое направлен проектор. Изображение с зеркала отбрасывается на экран, благодаря чему формируется удаленное до бесконечности изображение. Смысл создания таких систем не только в обычном зрительном комфорте, но и в совместимости коллиматорных прицелов и систем индикации, существующих в военных летательных аппаратах, с видом из кабины. В случае с проекционной системой приборы приходится перенастраивать, фокусируя их не на бесконечность, а на расстояние проекционного экрана. К недостаткам коллимационных систем относится суженное поле обзора, достигающее по вертикали максимум 60 градусов.

Но как же система подвижности, дающая обучающемуся на тренажере более реалистичные ощущения движения и перегрузок? «В части выбора комплектации тренажера очень важна стоимость, — объясняет Андрей Бюшгенс. — Подвижность, при том что она не сильно повышает функциональность тренажера, удваивает стоимость аппарата, в силу того что и сама она непросто устроена, и тянет за собой усложнение всего остального: тренажер не должен дребезжать, иметь резонансных пиков, провода не должны отваливаться при вибрации. С другой стороны, если заказчик готов потратить деньги, добавив к своему тренажеру еще 10% реалистичности, то почему бы не пойти ему навстречу? Кроме того, в некоторых особо ответственных и сложных ситуациях, которые, впрочем, встречаются достаточно редко, применение системы подвижности становится совершенно необходимым и существенным. Это прецизионное прицеливание на конечной стадии, задачи палубной посадки, задачи слежения за рельефом. Что же касается гражданской авиации, то там для тренажеров наиболее продвинутых классов система подвижности — это обязательный элемент. Мы в "Динамике" в настоящее время ведем работы как по созданию собственной системы коллиматорной проекции, так и по конструированию систем подвижности для наших тренажеров — и первый образец уже собран».