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フライトシミュレーターは、パイロットの訓練、設計、その他の目的のために、航空機の飛行と飛行環境を人工的に再現する装置です。これには、航空機の飛行方法、飛行制御の操作に対する反応、他の航空機システムの影響、空気密度、乱流、ウィンドシア、雲、降水などの外部要因に対する航空機の反応を支配する方程式の再現が含まれます。フライトシミュレーションは、飛行訓練（主にパイロット）、航空機自体の設計と開発、航空機の特性と操縦性に関する研究など、さまざまな目的で使用されます。 [ 1 ]
「フライトシミュレーター」という用語は、一般的な言葉遣いと技術文書では若干異なる意味を持つ場合があります。過去の規制では、さまざまな手順や飛行条件を通して航空機の挙動を忠実に再現できる装置を具体的に指していました。[ 2 ]より最近の定義では、これは「フルフライトシミュレーター」と呼ばれています。[ 3 ] より一般的な用語である「フライトシミュレーション訓練装置」（FSTD）は、さまざまな種類の飛行訓練装置を指すために使用され、これは一般的な英語での「フライトシミュレーター」というフレーズの意味により近いものです。[ 4 ]
1910年、フランス軍司令官のクロリュスとラフォン、そしてクラヴナード中尉の主導により、軍用機のための最初の地上訓練機が製造された。アントワネット社が開発した「トノー・アントワネット」（アントワネット樽）は、フライトシミュレーターの先駆けと言えるだろう。
訓練分野の一つに、パイロットまたは専門の航空機銃手が担当する航空機銃射撃があった。移動目標を射撃するには、弾丸が目標付近に到達するまでの時間を考慮して、目標の前方を狙う必要がある（いわゆるリード角が関係する）。これは「偏向射撃」とも呼ばれ、技能と練習が必要である。第一次世界大戦中、この技能を新米パイロットに教えるために、地上シミュレーターがいくつか開発された。[ 5 ]
フライングスクーターは、 1920年代から1930年代にかけて飛行訓練装置として誕生し、後に遊園地の乗り物となった。開発したのはアルビン・ビッシュと彼のパートナーであるラルフ・ロッコである。彼らは1929年に「飛行士の訓練または娯楽目的のための装置」として特許を申請した。 [ 6 ]。作動中は、モーターによってアームが回転し、遠心力によって乗り物が外側に飛び出す。各乗り物には大きな舵が装備されており、乗客は乗り物の動きを制御できる。
最もよく知られている初期の飛行シミュレーターは、アメリカ合衆国ニューヨーク州ビンガムトンのエドウィン・リンクが1927年に製造を開始したリンク・トレーナーです。彼は後にその設計の特許を取得し、1929年に初めて販売されました。リンク・トレーナーは基本的な金属フレームの飛行シミュレーターで、通常はよく知られている青色に塗装されていました。これらの初期の戦争時代の飛行シミュレーターの中にはまだ現存しているものもありますが、動作するものを見つけるのはますます難しくなっています。[ 7 ]
ビンガムトンのリンク家が経営する会社は自動演奏ピアノとオルガンを製造しており、エド・リンクは革製の蛇腹やリードスイッチなどの部品に精通していた。彼はパイロットでもあったが、実際に飛行訓練を受ける機会が少ないことに不満を感じ、天候や航空機、飛行教官の都合に左右されずに訓練を受けられる地上装置を製作することにした。彼の設計では、空気圧式モーションプラットフォームが膨張式蛇腹で駆動され、ピッチとロールの合図を提供した。自動演奏ピアノに使われているものと同様の真空モーターがプラットフォームを回転させ、ヨーの合図を提供した。モーションプラットフォームには、動作する計器を備えた汎用のレプリカコックピットが取り付けられていた。コックピットを覆うと、パイロットは安全な環境で計器飛行の練習ができた。モーションプラットフォームは、ピッチ（機首の上下）、ロール（翼の上下）、ヨー（機首の左右）の実際の角度運動に関する合図をパイロットに与えた。[ 8 ]
当初、航空飛行学校は「リンクトレーナー」にほとんど関心を示さなかった。リンクはアメリカ陸軍航空隊（USAAF）にもトレーナーを実演したが、成果は得られなかった。しかし、1934年に陸軍航空隊が郵便物を輸送する政府契約を獲得したことで状況は一変した。この契約には、USAAFがそれまで十分な訓練を行っていなかった悪天候下での飛行も含まれていた。郵便輸送サービスの最初の数週間で、10人近くの陸軍パイロットが死亡した。陸軍航空隊の上層部はエド・リンクと彼のトレーナーのことを覚えていた。リンクはニュージャージー州ニューアーク飛行場に飛んで彼らに会いに行き、訓練装置での練習のおかげで視界の悪い日にも到着できた彼の能力に感銘を受けた。その結果、USAAFは6台のリンクトレーナーを購入し、これが世界の飛行シミュレーション産業の始まりとなったと言えるだろう。[ 8 ]
第二次世界大戦中に使用された主なパイロット訓練装置はリンクトレーナーでした。約1万台が生産され、連合国から50万人の新人パイロットを訓練しました。その多くは米国とカナダで訓練を受けました。これは、多くのパイロットがヨーロッパや太平洋に戻って戦闘任務に就く前に、これらの国で訓練を受けたためです。[ 8 ]米陸軍航空隊のパイロットのほぼ全員がリンクトレーナーで訓練を受けました。[ 9 ]
第二次世界大戦中、星を使って夜間航法を行うための別のタイプの訓練装置が使用されました。 1941年の天体航法訓練装置は高さ13.7 メートル（45フィート）で、爆撃機 乗組員の航法チームを収容することができました。これにより、投影された夜空のディスプレイから「星像」を撮影するために六分儀を使用することができました。[ 8 ]
1954年、ユナイテッド航空はカーチス・ライト社から300万ドルで4台のフライトシミュレーターを購入した。これは以前のモデルに似ており、視覚、音、動きが追加されていた。これが今日の商用航空機向けの最新フライトシミュレーターの最初のものだった。[ 10 ]
ヘリコプターのシミュレーターは、「ヘリコプターの訓練コストを削減する」手段として、ジェイコブス・ジェイコプターとして存在していた。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]このシミュレーターは後に、 1964年から1965年にかけて開催されたニューヨーク万国博覧会で遊園地の乗り物として販売された。[ 14 ]
シミュレーターメーカーは、訓練市場が二桁成長を遂げていることから、統合と垂直統合を進めている。CAEは、 2017年から2027年までに25万5000人の新規航空パイロット（1日あたり70人）と、18万人の副操縦士が機長に昇格すると予測している。 最大のメーカーは、市場シェア70% 、年間売上高28億ドルを誇るカナダのCAE Inc.で、70年間訓練機器を製造してきたが、2000年に複数の企業買収を経て訓練分野に進出した。現在、CAEはシミュレーターの製造よりも訓練事業からより多くの収益を上げている。 クローリーに拠点を置くL3 CTS は、 2012 年にガトウィック空港近くのThales Training & Simulationの製造工場を買収して市場に参入し、そこで年間最大 30 台のデバイスを組み立て、その後 2015 年に UK CTC トレーニング スクール、2016 年にフロリダ州サンフォードの Aerosim、2017 年 10 月にポルトガルのアカデミーG Air を買収しました。 [ 15 ] Aerosim のようなグローバル トレーニング スクールは、エアバス A320 などの航空機固有のシミュレーターも提供しています。[ 16 ]
市場シェア20%を誇る機器は、依然としてL3 CTSの売上高の半分以上を占めているが、毎年1,600人の商用パイロットを育成し、毎年この職業に就く22,000人の7%を占め、細分化された市場で10%を目指していることから、この状況はすぐに逆転する可能性がある。3 番目に大きいのはTRU Simulation + Trainingで、2014年に親会社であるTextron AviationがシミュレーターをMechtronix、OPINICUS 、 ProFlightと統合して設立され、シミュレーターに特化し、 737 MAXと777X向けの初のフルフライトシミュレーターを開発している。4 番目はFlightSafety Internationalで、一般航空機、ビジネス航空機、地域航空機に特化している。エアバスとボーイングは、MROのような航空機製造よりも高い利益率を目指し、サプライヤーのCAEやL3と競合する独自のトレーニングセンターに投資している。 [ 15 ]
2018年6月時点で、商用航空機シミュレーターは1,270台稼働しており、前年比で50台増加した。内訳はFFSが85%、 FTDが15%である。 設置台数の56%はCAEが供給し、L3 CTSが20%、FlightSafety Internationalが10%を占めている。また、CAEのトレーニングセンターが13%のシェアで最大の運営者となっている。 世界のトレーニング機器の38%は北米、25%はアジア太平洋、24%はヨーロッパにある。シミュレーション対象航空機の45%はボーイング機、次いでエアバスが35%、エンブラエルが7%、ボンバルディアが6%、ATRが3%となっている。[ 17 ]
ほとんどのフライトシミュレーターは、主に飛行訓練に使用されます。最もシンプルなシミュレーターは、緊急チェックリストの処理などの基本的なコックピット手順の練習や、コックピットの習熟に使用されます。また、外部視界があまり重要ではない計器飛行訓練にも使用されます。 [ 18 ] [ 19 ]特定の航空機システムがシミュレートされる場合とされない場合があり、空力モデルが存在する場合でも、通常は極めて汎用的です。[ 20 ] 認証レベルに応じて、実際の航空機で可動式インジケーターがある計器がディスプレイで実装される場合があります。より高度なディスプレイ、コックピットの表現、およびモーションシステムにより、フライトシミュレーターは、パイロットライセンスに必要な飛行時間の異なる量を認定するために使用できます。[ 21 ]
特定の種類のシミュレーターは、計器飛行証明の再認証や、最も一般的な[ 22 ]特定の種類の航空機の型式限定資格の取得など、最初のライセンス取得以外のトレーニングにも使用されます。
航空機の設計プロセスにおいて、実際の飛行試験の代わりにフライトシミュレーターを使用することができます。このような「エンジニアリングフライトシミュレーター」は、エラーを迅速に発見し、開発のリスクとコストを大幅に削減することができます。[ 23 ]さらに、これにより、実際の航空機に搭載するには大きすぎたり、その他の理由で非現実的な追加の計測機器を使用することも可能になります。設計プロセスのさまざまな段階を通して、複雑さのレベルが異なるさまざまなエンジニアリングシミュレーターが使用されます。[ 24 ] : 13
フライトシミュレーターには、パイロット以外の乗組員の訓練タスクが含まれる場合があります。例としては、軍用機の銃手[ 25 ]やホイストオペレーター[ 26 ]などが挙げられます。また、水上墜落時の航空機からの脱出など、飛行に関連するタスクには別のシミュレーターが使用されています[ 27 ] 。現代の航空機を構成する多くのシステムの複雑さが増しているため、航空機整備シミュレーターの人気が高まっています[ 28 ] [ 29 ] 。
2018 年 9 月より前は、[ 30 ]製造業者が ATD モデルの承認を希望する場合、モデル ラインの仕様を記載し、適切な規制への準拠を証明する文書を FAA に提出します。この文書は、資格承認ガイド (QAG) と呼ばれ、承認されると、QAG に準拠する将来のすべてのデバイスは自動的に承認され、個別の評価は必要なく、また利用できません。[ 31 ]
世界中のすべての民間航空当局 (CAA) が実際に採用している手順は、認定日の 30 日前 (CAAC の場合は 40 日前) に、固有のシミュレータ装置に固有の MQTG 文書 (マスター認定試験ガイド) を提案することです。この文書は装置自体とともに保管され、シミュレータが航空機と比較して代表的であることを示すための客観的、機能的、主観的な試験が含まれます。結果は、航空機 OEM から提供された飛行試験データ、またはシミュレータ OEM が発注した試験キャンペーンからのデータと比較されます。また、航空機 OEM の開発シミュレータから提供された POM (一致証明) データと比較することもできます。一部の QTG は、継続的な認定中にシミュレータが CAA によって承認された許容範囲内にあることを証明するために、年間を通じて再実行されます。[ 32 ] [ 18 ] [ 33 ]
特に指定がない限り、これらの定義は飛行機[ 3 ]とヘリコプター[ 37 ]の両方に適用されます。以下で簡単に比較する訓練装置はすべて、飛行シミュレーション訓練装置（FSTD）の異なるサブクラスです。
基本計器訓練装置（BITD）搭載機のみ：計器飛行 手順のための基本的な訓練用ステーション。スプリング式操縦装置と画面に表示される計器類を使用できる。
飛行航法・手順訓練装置（FNPT） ：航空機システムの機能を再現するためのすべての機器とソフトウェアを備えたコックピットの模型
飛行訓練装置（FTD）
フルフライトシミュレーター（FFS）
フライトシミュレーターは、人間ユーザーとのインタラクションが常に発生するヒューマン・イン・ザ・ループ・システムの一例です。デバイスの観点から見ると、入力は主要な飛行制御、計器盤のボタンとスイッチ、および存在する場合はインストラクターのステーションです。これらに基づいて内部状態が更新され、新しいタイムステップの運動方程式が解かれます。[ 39 ]シミュレーションされた航空機の新しい状態は、視覚、聴覚、モーション、およびタッチチャネルを通じてユーザーに表示されます。
協調タスクをシミュレートするために、シミュレーターは、マルチクルー協力シミュレーターの場合のように、複数のユーザーに適したものにすることができます。あるいは、より多くのシミュレーターを接続することもできます。これは「並列シミュレーション」または「分散シミュレーション」として知られています。 [ 40 ]軍用機は他の航空機や軍人と協力する必要があることが多いため、ウォーゲームは分散シミュレーションの一般的な用途です。そのため、航空機を含む分散シミュレーションの多数の標準が軍事組織とともに開発されています。例としては、SIMNET、DIS、HLAなどがあります。
シミュレーションモデルの中心要素は、航空機の運動方程式です。[ 39 ]航空機が大気中を移動する際、並進自由度と回転自由度の両方を示すことができます。滑らかな動きの知覚を実現するために、これらの方程式は毎秒 50 回または 60 回解かれます。[ 24 ] : 16運動のための力は、空力モデルから計算されます。空力モデルは、特定のシステムとそのアビオニクスなどによって駆動される制御面の状態に依存します。モデリングの場合と同様に、必要なリアリズムのレベルに応じて、詳細レベルが異なり、より単純なシミュレータでは一部のサブモデルが省略されます。
人間ユーザーがシミュレーターの一部である場合（一部のエンジニアリングシミュレーターではそうではない場合もある）、シミュレーションをリアルタイムで実行する必要がある。リフレッシュレートが低いと、シミュレーションのリアリティが低下するだけでなく、シミュレーター酔いの増加にも関連している。[ 41 ]規制では、パイロットの入力と航空機の反応の間の最大遅延に制限が設けられている。そのため、必要なリアリティレベルを低い計算コストで達成するためにトレードオフが行われる。フライトシミュレーターは通常、力や天候に関する完全な計算流体力学モデルを含まず、計算結果と実際の飛行で取得したデータのデータベースを使用する。例えば、翼上の流れをシミュレートする代わりに、揚力係数は迎角などの運動パラメータで定義される場合がある。[ 24 ] : 17
異なるモデル間ではデータの交換が必要ですが、多くの場合、モジュール式のアーキテクチャに分割することで、整理しやすく開発も容易になります。[ 42 ] [ 43 ]通常、地上ハンドリング用のギアモデルは、運動方程式のメイン方程式への独立した入力となります。各エンジンと航空電子機器も、入力と出力が明確に定義された自己完結型のシステムです。
FSTDのすべてのクラスでは、コックピットを何らかの形で再現する必要があります。操縦士と航空機の間の主な相互作用手段であるため、コックピット コントロールには特別な重要性が与えられています。スキルの良好な伝達を実現するために、フライト シミュレーター規制[ 18 ]には、実際の航空機とどれだけ一致する必要があるかを決定する非常に具体的な要件があります。フル フライト シミュレーターの場合、これらの要件は非常に詳細なので、専用のレプリカを製造するよりも、飛行が認定された実際の部品を使用する方が費用対効果が高い場合があります。[ 24 ] : 18下位クラスのシミュレーターでは、コントロールを動かすときに感じる力を模倣するためにバネを使用する場合があります。コントロール力または動的応答をより良く再現する必要がある場合、多くのシミュレーターにはアクティブ駆動の力フィードバックシステムが搭載されています。ヘリコプターのシミュレーション要件のため、またはスティック シェイカーを装備した航空機のために、振動アクチュエーターも含まれる場合があります。
パイロットからの触覚入力のもう 1 つの形態は、コックピットのパネルにある計器です。これらはさまざまな航空機システムとやり取りするために使用されるため、それだけで手順トレーニングの形態によっては十分かもしれません。最も基本的なBITDシミュレータ[ 3 ]やアマチュアのフライト シミュレーションでは、画面に表示するだけで十分ですが、ほとんどのクラスの認定シミュレータでは、すべてのボタン、スイッチ、その他の入力が航空機のコックピットと同じように操作される必要があります。コックピットの物理的なコピーが必要であるため、シミュレータの構築コストが増加し、ハードウェアが特定の航空機タイプに縛られます。これらの理由から、仮想現実でのインタラクションに関する研究が継続的に行われていますが、触覚フィードバックがないと、この技術を使用する際のユーザーのパフォーマンスに悪影響を及ぼします。[ 44 ] [ 45 ]
航空機からの外部視界は航空機の操縦において重要な手がかりであり、有視界飛行方式の運用における主要な航法手段である。[ 46 ]視覚システムの主要な特性の 1 つは視野である。シミュレーターの種類によっては、平面ディスプレイを使用して前方のみの視界を提供するだけで十分な場合もある。しかし、戦闘機などの一部の航空機は、空中戦中に実行される操縦のため、非常に広い視野、できればほぼ全球の視野を必要とする。[ 47 ]同様に、ヘリコプターはあらゆる方向にホバリング飛行を行うことができるため、一部のヘリコプター飛行シミュレーターでは、水平視野が 180 度にも及ぶ必要がある。[ 48 ]
視覚システムの設計には多くのパラメータがあります。視野が狭い場合は、単一のディスプレイで十分な場合もありますが、通常は複数のプロジェクターが必要です。この構成では、平面に投影しないことによる歪みと、投影が重なる領域の明るさの両方に関して、追加のキャリブレーションが必要です。[ 49 ]また、円筒形[ 50 ] 、球形[ 49 ]、楕円形など、さまざまな形状のスクリーンが使用されます。画像は投影スクリーンの視認面に投影することも、半透明のスクリーンに「背面投影」することもできます。[ 51 ]スクリーンは航空機の外にある物体よりもはるかに近いため、最先端のフライトシミュレーターでは、パイロットの視点間の視差効果を排除し、遠くの物体をよりリアルに表示できる、コックピットを横切るコリメートされたディスプレイが使用されています。 [ 52 ]
大型ディスプレイの代替として、ヘッドマウントディスプレイを使用した仮想現実シミュレーターがあります。このアプローチでは視野全体を確保でき、シミュレーターのサイズを大幅に小さくできます。研究[ 43 ]や認定FSTD [ 53 ]での使用例があります。
フライトシミュレーターで開発された視覚システムから応用された視覚シミュレーション科学は、今日の3次元コンピュータグラフィックスおよびコンピュータ生成画像（CGI）システムの重要な前身でもありました。フライトシミュレーションの目的は、飛行中の航空機の挙動を地上で再現することだからです。この再現の多くは、現実を模倣した信憑性のある視覚合成に関係していました。[ 54 ]仮想合成を軍事レベルの訓練要件と組み合わせる必要性と相まって、フライトシミュレーションで適用されるグラフィックス技術は、市販製品で利用可能になるものよりも何年も先を行っていました。CGIが初めてパイロットの訓練に使用されたとき、初期のシステムは特定の単純な訓練ミッションには効果的であることが証明されましたが、地形追従やその他の戦術的操縦などの高度な訓練タスクにはさらなる開発が必要でした。初期のCGIシステムは、平面ポリゴンで構成されるオブジェクトのみを描画できました。1970年代と1980年代のフライトシミュレーターの視覚システムとCGIのアルゴリズムと電子機器の進歩は、現代のグラフィックスで使用されている多くの技術に影響を与えました。時間の経過とともに、CGI システムは表面にテクスチャを重ね合わせ、画像の詳細レベルを滑らかに移行できるようになりました。[ 55 ]仮想世界の リアルタイムコンピュータ グラフィックスの視覚化により、フライト シミュレータのビジュアル システムのいくつかの側面はゲーム エンジンと非常によく似ており、詳細レベルの異なるものやOpenGLなどのライブラリなどの技術を共有しています。[ 24 ] : 343 多くのコンピュータ グラフィックスの先駆者は、今日の現代のコンピューティング時代以前のフライト シミュレーションの 2 つの大手企業である Evans & Sutherland と Singer Company の部門である Link Flight Simulation でキャリアをスタートしました。たとえば、1978 年に作成された Singer Link Digital Image Generator (DIG) は、世界初の CGI システムの 1 つと考えられていました。[ 56 ]
当初、モーションシステムはジンバルと同様に、別々の運動軸を使用していた。スチュワートプラットフォーム[ 57 ]の発明後、すべてのアクチュエータの同時動作が好ましい選択肢となり、一部のFFS規制では特に「相乗的な」6自由度運動が要求されている[ 58 ]。実際の航空機とは対照的に、シミュレーションされたモーションシステムは、移動できる範囲が限られている。これは特に持続的な加速度をシミュレートする能力に影響を与え、与えられた制約内で人間の前庭系への手がかりを近似するための別のモデルが必要となる[ 24 ]： 451
モーションシステムはシミュレーター全体のコストに大きく影響するが、[ 24 ] : 423シミュレーターでの訓練に基づいて実際の航空機の操縦につながる技能移転の評価は、特にモーションキューに関しては難しい。パイロットの意見の大規模なサンプルが必要であり、特に客観的な評価や構造化されたテストスケジュールへの対応に慣れていないパイロットからは、主観的な意見が多く出されがちである。長年にわたり、6 DOF モーションベースシミュレーションは、パイロットに飛行制御操作や制御入力および外力に対する航空機の応答への忠実度を高め、非モーションベースシミュレーションよりも学生の訓練成果を向上させると考えられてきた。これは「操縦忠実度」と呼ばれ、操縦特性の数値クーパー・ハーパー評価尺度などのテスト飛行基準で評価できる。最近の科学的研究では、フライトシミュレーター内の振動やダイナミックシートなどの技術の使用は、大型で高価な 6-DOF FFS デバイスと同様に訓練の提供に効果的であることが示されている。[ 59 ] [ 60 ]
世界最大のフライトシミュレーターは、カリフォルニア州マウンテンビューにあるNASAエイムズ研究センターの垂直運動シミュレーター（VMS）です。このシミュレーターは、60フィート（±30フィート）の垂直移動（上下動）が可能な非常に大きな可動範囲を持つモーションシステムを備えています。上下動システムは水平ビームを支え、その上に40フィートのレールが取り付けられており、シミュレーターキャビンを±20フィート横方向に移動させることができます。40フィートのビームには、従来の6自由度ヘキサポッドプラットフォームが取り付けられており、プラットフォーム上に交換可能なキャビンが取り付けられています。この設計により、異なる航空機のキャビンを迅速に切り替えることができます。シミュレーションは、飛行船、民間航空機、軍用機からスペースシャトルまで多岐にわたります。スペースシャトルの場合、この大型垂直運動シミュレーターは、初期のシャトル飛行で着陸直前に発生したパイロット誘発縦振動（PIO）の調査に使用されました。 VMS上の問題が特定された後、さまざまな縦方向制御アルゴリズムを試して、シャトル計画で使用するのに最適なものを推奨するために使用されました。[ 61 ]
オーストリアのAMST Systemtechnik GmbH (AMST)と米国フィラデルフィアのEnvironmental Tectonics Corporation (ETC)は、ヨー方向の自由度が完全な、方向感覚喪失訓練用のシミュレーターを製造している。これらの装置の中で最も複雑なのは、AMSTが製造したオランダのTNO研究所のDesdemonaシミュレーターである。この大型シミュレーターは、垂直方向の動きを加えるフレームワークに取り付けられたジンバル式コックピットを備えている。フレームワークは、回転プラットフォームに取り付けられたレール上に設置されている。レールにより、シミュレーターのキャブを回転中心から異なる半径に配置できるため、約3.5までの持続的なG能力が得られる。[ 62 ] [ 63 ]
