Como são chamados os modelos de simulação de vôo precisos? Existe um modelo padrão?

14 CFR Part 60 regula o que constitui um dispositivo de treinamento de simulador de vôo (FSTD) para um modelo de aeronave específico. O FSTD é dividido em duas grandes categorias: Full Flight Simulators (FFS) e Flight Training Devices (FTD). Uma grande diferença entre as duas categorias é que o FFS exige sugestões de movimento, enquanto que a sugestão de movimento é opcional no FTD. Além disso, a precisão exigida da dinâmica de vôo simulada (em comparação com os resultados dos testes de vôo) é muito mais rigorosa para o FFS do que para o FTD.

Cada FFS e FTD é dividido em níveis de qualificação (nível A a D para FFS, nível 4 a 6 para FTD de asa fixa). Quanto maior o nível, maior a fidelidade do simulador em relação à aeronave real. Você só pode obter créditos pela Parte 61 se receber treinamento nos simuladores com os níveis adequados para as fases de sistemas / vôo com as quais está trabalhando.

O fabricante do simulador deve enviar um Guia de Teste de Qualificação à FAA para demonstrar que o simulador é bom o suficiente em modelo aerodinâmico, cabine de pilotagem, sistema visual, sugestão de movimento, sistema de som para o nível apropriado.

Qualquer um pode fazer um simulador de voo, para qualquer nível arbitrário de fidelidade; mas fazer um simulador de vôo bom o suficiente para a FAA é difícil e caro. Ler esta para uma explicação mais aprofundada, mas leiga, dos diferentes níveis de qualificação.

Até onde eu sei, existem duas abordagens gerais:

• Simulação dinâmica de corpo sólido com muitos coeficientes experimentais.

  A maioria dos efeitos aerodinâmicos é simplesmente resumida para toda a aeronave, embora os simuladores mais avançados precisem calcular a posição da roda e a flexão da asa e da fuselagem para obter reações apropriadas principalmente no pouso. Mas ainda são apenas alguns elementos, por isso não é computacionalmente intensivo e pode ser muito preciso se houver dados suficientes disponíveis.

  O problema está em obter esses dados. Curva de elevação para ângulo de ataque e velocidade, momentos de inclinação para ângulo de ataque e velocidade, resposta do rolamento ao deslizamento lateral, resposta do passo ao deslizamento lateral, resposta do levantamento ao deslizamento, amortecimento do passo, amortecimento do rolo, amortecimento de guinada, também retificado efeito e assim por diante e assim por diante.

  Essa parece ser a abordagem usual para os grandes simuladores (na medida em que as fontes estejam publicamente disponíveis; os fornecedores tendem a manter os detalhes confidenciais), porque o fabricante coleta todos os dados durante o projeto de qualquer maneira - desde testes de voo, túnel de vento e situações de dinâmica de fluidos.

  Também é fácil mostrar que ele corresponde ao comportamento da aeronave real.

  A desvantagem é que os dados geralmente têm qualidade inferior ou não estão disponíveis para atitudes muito distantes do envelope de voo normal; portanto, a simulação é menos realista nos transtornos. Mas para o treinamento de vôo isso não importa, porque o objetivo é evitar entrar nessas atitudes.

• Simulação de teoria de elementos de lâmina.

  Nesta abordagem, o modelo geométrico da aeronave é dividido em elementos e as forças aerodinâmicas de cada uma delas são estimadas usando alguns modelos básicos de elevação e arrasto e depois somadas para toda a aeronave.

  Isso não é tão preciso quanto o anterior, se você tiver todos os coeficientes disponíveis, mas ainda permite uma simulação bastante boa das aeronaves que você não possui esses dados, inclusive aeronaves ainda não construídas, portanto, às vezes, é usado na validação do projeto para ter uma idéia aproximada de se um projeto proposto irá funcionar bem.

Mas, em geral, o modelo de dinâmica de vôo é uma pequena parte do que um simulador de vôo deve fazer. O comportamento do instrumento deve ser simulado com seus atrasos e erros, os efeitos de várias falhas do sistema podem ser bastante complexos etc. E, é claro, há todo o hardware de simuladores mais realistas.

O código do modelo de simulação de vôo para os Sims de nível D está protegido por direitos autorais do fabricante dos simuladores.

What about flight simulation? The flight model part of the simulator, is there a "gold standard", that is typically used with most respectable simulators?

O padrão-ouro é: simulação precisa de toda a física envolvida no treinamento de um piloto sobre como o avião e todos os seus sistemas respondem. O código completo que está em conformidade com o nível D é enorme, cerca de um esforço de um ano no homem 30. Uma lista de arquivos de código-fonte seria:

• Ambiente: atmosfera e geografia de navegação.
• Aerodinâmica: implementação de forças e momentos aerodinâmicos em seis graus de liberdade.
• Dinâmica de vôo: resposta da aeronave sobre forças e momentos. Incluindo efeitos de aeroelasticidade.
• Reações no solo.
• Condições de colisão.
• Interface de sistemas de aeronaves (AFCS, AGPWS, FMCS etc.)
• Massa e equilíbrio.
• Sistemas de aeronaves. Todos os capítulos da ATA (piloto automático, hidráulica de controles de vôo etc.). Essa é uma quantidade enorme de código, que também captura todo o manuseio do efeito de falha do sistema em que os pilotos são treinados. A perda de pressão do sistema hidráulico causa uma redução de no máx. deflexão da superfície, dependendo da pressão dinâmica, etc.

I understand the need to simplify, and that no simulation will ever be 100% accurate. All models will inherently have various trade-offs and make some sort of sacrifices. However, that doesn't mean there isn't a relatively accepted way of performing such simulation.

A precisão, as compensações e os sacrifícios são determinados por: para qual padrão o software é escrito. A conformidade com a norma deve ser demonstrada.

If there is no such thing, that pretty much every flight simulator does it differently, then I'll accept that as an answer.

A compreensão e captura da física subjacente é a única maneira correta de escrever código de simulação. Costumava ser um pouco de arte negra nos anos 90, ferramentas como o Simulink tornam a construção de diagramas de blocos e respostas do sistema muito mais acessíveis. Mas toda nova empresa de simulador deve reescrever do zero, usando simulação física.