Как мы создавали авиатренажер Cessna 172

Развлекательный, но полностью копирующий настоящий.

В марте 2020 меня посетила мысль — если заниматься любимым делом, то больше ни дня не будешь работать. Только получать удовольствие. А как объединить любимое дело и хороший доход? Надо придумать!

На тот период мне было 35 лет и я руководил строительной компанией. Мы занимались строительством складов и быстровозводимых коммерческих зданий. Работы было много, но она не приносила никакого удовольствия. Стало ясно, что надо чтото менять.Я сидел на кухне в своей квартире и перебирал варианты идей для нового проекта.

Для меня было важно:

1. Бизнес должен приносить удовольствие. Должен быть в орбите интересов. Я всю жизнь любил авиацию, имел лицензию частного пилота, занимался парашютным спортом. Значит со сферой определились

2. Бизнес должен приносить удовольствие клиентам. Вызывать положительные эмоции. А через них и я буду получать подзарядку. Значит точно не B2B. Только B2C.

3. Бизнес должен быть автономным. Значит в перспективе он должен работать без моего ежедневного участия. Значит он не должен зависеть от человеческого фактора. Основой должна быть автоматизированная технология.

4. Бизнес должен быть масштабируемый. Нельзя вкладывать большие деньги начальном этапе. Надо начать с малого, посмотреть как пойдет и принимать решение о развитии. То есть минимизировать риски5. Бизнес должен капитализироваться. Значит его основой должен быть какой то активИтак родилась идея авиатренажера. Но какого?

Развлекательные авиатренажеры больших самолетов по типу Boeing или Airbus уже давно и успешно функционировали в Москве. Их было около 5. Я опять взвесил риски:

- Большой тренажер это дорого. Значит нарушается пункт — не вкладывать сразу много. Нужно начать с чего то попроще- Стоимость часа на тренажере очень высокая. Около 10,000р. В этой лиге мне не выжить. Значит надо охватить более дешевый сегмент.

- Отзывы о тренажере Боинга довольно спорные. Это сложный самолет и обычному неподготовленному человеку сложно в нем разобраться, тем более всего за час. Пилотирование на нем неудобное, самолет инерционный. Управление, в основном, осуществляется программированием автопилота. Что не очень интересно.

- Визуальная часть или графика обычно страдает потому что с большой высоты не требуется детализация

- Из-за размеров самолета, скорости и сложности управления за час человек может успеть в лучшем случае пару взлетов и посадок с заходом. Это мало!

Значит решено! Будем создавать авиатренажер небольшого самолета, простого в управлении, с хорошей графикой и очень высоким уровнем вовлеченности гостя в процесс полета.Лучший вариант для этого — самый популярный самолет малой авиации, летающая «парта» всех курсантов — знаменитая Cessna 172. Тот самый самолет на котором Маттиас Руст приземлился на Красную Площадь, вызвав переполох во всем мире и одним махом лишил должностей все командование ПВО СССР) )

После изучения рынка стало ясно что ничего подобного на рынке развлекательный тренажеров не представлено. Есть пара похожих в летных училищах, но по уровню графики и виду совершенно не подходят под концепцию развлекательных.

Перед началом работы надо было определиться с концепцией. Как делать? Из чего? Что должно получиться в итоге?

Я изучил что предлагают в Европе и Китае — меня совершенно не впечатлило. Разработки либо для домашних любителей, непохожие на настоящую кабину. Либо достаточно серьезные проекты со стоимостью более 500 тыс долл.

Надо сделать небольшой экскурс — какие бывают авиатренажеры. Итак по сути это система, имитирующая органы управления и системы настоящего самолета с виртуальной моделью. Авиасимулятор на домашнем компьютере по типу Microsoft Flight Simulator тоже авиатренажер в своем роде. С появлением штурвала, блока управления двигателем и топливной смесью и педалей — реализм возрастает. Есть много энтузиастов, которые строят очень реалистичные кабины самолетов у себя дома. Каждая деталь практически идентична настоящей.Следующий этап — процедурные тренажеры или FSTD (Flight Simulator Training Device). Их используют для подготовки пилотов на этапах тренировки выполнения процедур в полете. Работа в навигацией, запуск двигателя, отработка отказов и т.д.

Более совершенные FFS (Full Flight Simulator) — это уже сложное устройство на подвижной платформе, которое отрабатывает колебания кабины и позволяет ощущать некоторые перегрузкиИ как самый топ — FFS Level D — профессиональные авиатренажеры, сертифицированные производителем самолетов, повторяющие до всех мелочей поведение реального самолета, звуки, вибрацию, работу бортовых систем и даже запахи. На подобном тренажере через 5 минут забываешь о виртуальности и ощущаешь себя в кабина лайнера. Именно там тренируются линейные пилоты и каждые полгода сдают тест, подтверждая свои навыки. Стоимость таких тренажеров достигает 12-14 млн евро.

А еще есть VR! Эту технологию тоже не стоит сбрасывать со счетов. Она активно развивается и эффект погружения достигается максимальный.

Какую же технологию выбрать?

Я взял за основу учебные тренажеры в летных училищах и обьехал их, полетав на многих. Главное было понять — какие возможности они предоставляют? Какое ощущение получаешь при полете и какие эмоции испытываешь?

Я был очень разочарован. Современные тренажеры это достаточно серьезные технические комплексы, но они направлены исключительно на обучение работы пилота в кабине. Ни графика, ни звук, ни общее оформление не дают почувствовать себя в кабине самолета в небе.

Делать или нет подвижную платформу?

Этот был один из самых сложных вопросов на начальном этапе. Решение было — НЕТ. Давайте разберемся почему.

С одной стороны подвижная платформа это эффект нестабильного, потряхиваемого ветром легкого самолета — то что надо. Но она несет в себе много сложностей.Первое это цена. Стоимость платформы начинается от 50 тысяч долларов и увеличивает смету на создание тренажера почти в два раза. При том, что этот проект задумывался больше как хобби — срок окупаемости стремился бы к 5 годам.

Второе — эффект. В тренажере большого самолета платформа отрабатывает небольшие изменения по крену и тангажу и вибрации. Эффект реализма достигается. В самолете типа Cessna совершенно нормально летать с углом крена в 60 градусов, а пилот испытывает намного более ощутимые перегрузки — которые подвижная платформа отработать не в состоянии. Получится дисбаланс — глаза будут видеть крен 60, а наклон кабины упрется в ее предел 20.

Третье — конструктив. Тренажеры на подвижной платформе представляют собой наружнюю обшивку (Exterior shell), внутри которой установлен экран и кабина (cockpit shell). При наклоне платформы — наклоняется вся конструкция вместе с экраном. Таким образом мы приходим к изготовлению практически полноценного FFS, на базе малого самолета. Нерентабельно

Червертое — сможем ли мы на фиксированной платформе обеспечить ощущение полета? ДА, сможем. В этом нам помогает широкая развертка экрана, выходящая за пределы бокового зрения (не меньше 210-220 градусов), резонирующий в кабине звук, вибромотор с эксцентриком для ощущения вибрации от двигателя, отсечка визуально всех элементов вне экрана, чтобы взгляд фокусировался на изображении и качественная графика.Все это мы могли реализовать, поэтому концепция была выбрана — Fixed Base FSTD с последующей сертификацией (Это отдельная и очень непростая задача — сертифицировать тренажер, чтобы налет на нем зачитывался в программе обучения пилотов как прохождение тренажерной подготовки)

Следующая задача — выбор самого самолета. Cessna бывает во многих модификациях и отличается по конструкции, перфомансу и оснащении авионикой (простите мою кривую терминологию. Я летал в США и часто путаюсь в русских авиационных терминах)

Cessna 172 выпускалась с 1956 по 1986 год и модификация 172М выпуска 1974 года была признана самой успешной. Всего было произведено 7306 самолетов этой модификации.

Потом производство прекратили и возобновили лишь в 1996. С 2005 года выпускается модификация 172S с пилотажно-навигационным комплексом Garmin G1000. С недавнего времени эти самолеты появились в подмосковных АУЦ и курсанты летают именно на них.

Поэтому решение было повторить Cessna 172S G1000.

Честно говоря я лично сторонник более классического варианта с отдельными круглыми приборами («будильниками») и установка автопилота на Цессна(!) это издевательство над самой концепцией визуальных полетов) На таких самолетах надо летать «на руках» и хотя бы минимально уметь работать по приборам, а не ткнуть в GPS и пить кофе пока самолет сам летит. Но прогресс не остановить. Поэтому делаем самую современную версию Cessna

Перед началом проектирования необходимо было решить ряд вопросов.

1. Рассчитать бюджет проекта и сроки окупаемости. Вывести финансовую модель

2. Собрать команду проекта

3. Определиться с технологией электроники и выбрать software

4. Найти и привезти оригинальные детали

Итак, по порядку с пункта 2: )). Про бюджет расскажу в конце:

Изначально я продумывал возможность купить готовую разработку, но по ряду причин, и прежде всего изза того что ничего из предложенных на рынке решений меня не удовлетворяло, было принято решение собирать самим. Благодаря общим знакомым в авиационной тусовке я познакомился с инженерами, которые стояли у истоков первого авиатренажера Boeing 737, появившегося в Москве лет 10 назад на Кутузовском проспекте. С их помощью удалось обрисовать общую архитектуру проекта и понять какие этапы нужно пройти.

Нам требовался инженер электронщик с опытом работы с Arduino и разработкой собственных плат. Мастер по металлообработке, кто мог бы сделать механизмы штурвалов, педалей, РУД и РУС, триммера и тд, программист для описания программной части, инженер проектировщик, чтобы спроектировать модель в 3д и выдать чертежи несущих конструкций, тест пилот с опытом полетов на Cessna, чтобы калибровать летную модель и отклики. В итоге вышло 5-6 человек, которых мы нашли по всей России — от Новосибирска до Москвы, Питера, Волгограда.

Проект обещал быть интересным, все включились в работу активно.

База, но которой должен строиться тренажер это либо макет, либо оригинальная кабина. Первым делом стали искать списанную Cessna в России, но это сразу оказалось бесперспективным делом. У нас все что когда то летало — будет летать пока не сгниет: ), а то что сгнило — проваривается и снова летает. Огромный рынок авиазапчатей и разборок в США. И там мы нашли много подходящих кабин. Стоимость очень интересная — 3-5 тыс долларов в зависимости от состояния. Проблема встала в транспортировке. Привезти кабину (в виде полуживого фюзеляжа) стоило около 6 тыс долларов. С учетом курса только кокпит выходил в 750,000. Это показалось дорого.

Решено было попробовать изготовить самостоятельно. Спасибо друзьям из одного подмосковного АУЦ — нам дали возможность промерять и сделать 3д сканирование реального самолета. После недели моделирования у нас была абсолютно точная 3д модель!

В Санкт-Петербурге нашлись производители, кто взялись за изготовление и за 1,5 месяца смогли сделать матрицы и собрать кабину из стеклопластика. То, что вышло — превзошло наши ожидания. Белая, блестящая, с красивыми изгибами. В точной геометрии с оригиналом. У нас была кабина, а значит база для дальнейшей работы! Да еще и комплект матриц для тиражирования при необходимости

Далее (а точнее параллельно) велось проектирование механизмов. Так как никто ничего подобного не делал, это по сути был НИОКР. Надо было изготовить штурвальную колонку, сами штурвалы, систему динамической загрузки, механизацию автопилота, сдвоенный механизм педалей, оживить оригинальные шприцы РУД и РУС, которые первыми пришли благодаря DHL из Калифорнии. Масса задач.С ними справился наш инженер Евгений из Новосибирска. Он создал с нуля механизмы и смог интегрировать их в конструктив тренажера. Шаговые двигатели управляют штурвалами по тангажу и крену, отдельный двигатель переставляет среднюю точку создавая различное усилие в определенные моменты полета. Специально разработанные на Украине датчики передают моменты с механизмов на платы создавая кривую отклика.

То, что получилось за 2 месяца экспериментов было фантастикой! Мы имели на руках всю механическую часть, готовую к подключению. Теперь было дело за приборной панелью.

Имитация системы Garmin есть в нескольких реализациях. Нам больше всего понравилось решение одной американской кампании. Мало того что реализованы ВСЕ функции оригинального Garmin, она имеет актуальную навигационную базу данных, собственный плагин для связи с рамками (bezels) по bluetooth. Рамочки изготавливали сами подбирая подходящие кнопки и кремальеры (крутилки). Сама по себе разработка шла месяц и в результате — та дааам. Мы получили Гармин. Учитывая стоимость разработки и изготовления в 3 тысячи долларов — разница с реальным за 32 очевидна) )

Дальше начался квест с доставкой различных частей из разных стран. В разгар пандемии. Мы потеряли комплект педалей который ехал к нам 2,5 месяца и сгинул где то на распределительном складе USPS в Лос Анжелесе, до нас не дошли оригинальные переключатели switch panel. Все это пришлось заказывать и везти по второму разу. Резервные приборы (высотомер, альтиметр, авиагоризонт) застряли на российской таможне и больше полутора месяцев мы писали письма, доказывая, что это не оригинальные запчасти и не могут угрожать национальной безопасности страны) ))

Центральная консоль, колесо триммера, переключатели топлива пришли с большой задержкой, что не давало нам возможности собрать приборную панель воедино. Закрылки мы переделывали 4 раза — датчики все время отлетали. Большая проблема возникла с механизмом оживления РУД и РУС. При движении потенциометры выдавали резкие скачки, которые программа интерпретировала как полный газ\малый газ. Летать было невозможно. Только заказав японские потенциометры с микшерных пультов yamaha мы смогли победить это проблему.

Работа по сборке приборной панели продолжалась до Августа. Подгонка механизмов, плавный ход штурвалов, установка закладных — все это заняло еще неделю.

Итак с приборной панелью разобрались. Расскажу про визуализацию т.к. это самый важный фактор того — понравится гостям летать или нет. Сделаю отступление — мы очень заморачивались над реализацией всех систем до мелочей, вплоть до работы пожарного крана перекрыва топлива, абсолютно идентичных переключателей вплоть до щелчка, даже магнитный компас имеет девиацию как в жизни!

Но основной фактор это конечно картинка перед глазами. Ведь мы — малая авиация. Летаем по VFR (Visual Flight Rules) или ПВП.
Для создания качественного проекционного экрана требуются ультракороткофокусные проекторы, специальная ткань для поверхности экрана, каркас — спроектированный таким образом, чтобы визуально перекрывать максимум обзора, и скрывать от взгляда лишние детали интерьера. Нужно абсолютно темное помещение для максимальной контрастности изображения. Специальная программа сведения изображения, несущая рама проекторов…да много еще чего.

Самое главное — необходима мощная компьютерная сборка, чтобы поддерживать высокий FPS при разрешении FullHD на три проектора.

В нашем случае мы проектировали экран основываясь на опыте создания тренажеров Боинга. Габариты вышли 2.2м в высоту и 4м в диаметре (при удалении точки обзора от поверхности в 1,7м). Была выбрана цилиндрическая форма (существует также сферический экран. Там более реалистично отображаются обьекты на удалении (создается эффект параллакса), но визуально теряется разрешение. Нам этот вариант не подходил. Нужна была ровная картинка.

Начались тесты. Дефолтная программа сведения капризничала и не давала свести изображение без швов. Пришлось покупать известное, и очень недешевое ПО для профессионального сведения. Удивительно но эта компания — монополист. Ни одной альтернативы не было, хотя налицо высокий спрос на продукцию. Дальше начался ужас…на сведенной картинке мы получали 12-14 FPS на максимальных графических настройках. (а на меньшее я был не согласен. Если летать визуально, то с максимальной красотой и детализацией). Сборка из трех компьютеров (Ryzen 3970X 3.7Ghz, Nvidia 2080Ti 11GB, 32GbRAM) не выдавала большей производительности. Учитывая, что системные требования софта намного ниже, проблема была где то в другом. Помогли специалисты по визуализации из авиатренатренажерного центра Boeing. Борьба шла за каждый FPS. С помощью различных ухищрений и настроек удалось добиться стабильных 30FPS что дает плавную картинку при графике на ультрах.

Честно говоря, когда впервые мы подняли в виртуальное небо виртуальный самолет сидя в реально кабине и потянув на себя реальный штурвал — только тогда я понял что у нас все получится! До этого было слишком много факторов которые могли поставить под угрозу весь проект. А еще курс доллара совсем не позитивно отражался на нашем бюджете.

Теперь про сам симулятор. Ничего сверхестественного. Это Xplane 11.5 в профессиональной версии. Достаточно известный в симмерских кругах авиасим. Его основное отличие состоит в том, что разработчики писали его прежде всего как оболочку для тестирования летных моделей для производителей самолетов, как комплекс для профессиональных авиатренажеров. Xplane получил сертификат FAA как ПО, которое может использоваться в тренажерах уровня FSTD. А еще он обладает очень простой и открытой архитектурой, позволяя вытаскивать из него практически любые параметры и переменные, что очень важно для производства авиатренажера.

Еще один неоспоримый плюс — реализация физики полета. Только Xplane просчитывает воздействие набегающего потока, физических сил, момента винта и аэродинамику полета с максимальной реалистичностью. Практически все из нашей команды имели опыт полетов на Cessna 172 и все в один голос сказали — это то ПО, что нужно!

Началась кропотливая настройка — надо было привязать каждую кнопочку и переключатель в кабине к соответствующей переменной, которая была в виртуальном пространстве. Мы приобрели лицензию на идентичную модель самолета для Xplane и настраивали кабину на ее основе. После этого 6 пилотов Cessna калибровали отклики от штурвала, педалей, РУДа чтобы получилось похоже как в жизни. Помню эти споры…Саша, бл..ть…он так не летает!…давай заново!

Едем дальше…Звук. Это самое простое…колонки и саббуфер под капотом создают очень реалистичное звучание мотора. Причем интересный эффект. Когда установили лобовое стекло и двери — снаружи кабины стало намного тише, а сидя внутри — резонирующий звук создавал обалденное объемное звучание. Но этого было мало…самолет Cessna легонький…его трясет в полете…двигатель совсем рядом…это не вальяжный лайнер. Нужна вибрация! Раз уж у нас нет подвижной платформы — нужно создать ощущение работающего мотора иным способом. Решение было найдено у производителей игрового оборудования и автогоночных симуляторов. Buttkicker aka Жопотряс — вибромотор с эксцентриком, преобразующий низкие частоты в вибрацию и передающий их на конструкцию кресел. Получился очень интересный эффект. Пятой точкой ощущаешь не только работающий двигатель, а еще и неровности бетонной полосы при пробеге.

Что там осталось сделать?…фуууух…интерьер! У Cessna достаточно аскетичный интерьер с разнообразными вариантами отделки. Нам прежде всего надо было удобные кресла. Оригинальные от самолета достать не удалось и решили приобрести лодочные. Они похожи…увы, по размеру оказались совсем маленькие. Для гостей будет плохо, и решили их установить на задний ряд. Спереди искали подходящие автомобильные, но они все оказались шире на 5-7см чем позволяла кабина. В конце концов подвернулась возможность…знакомые переделывали салон Cessna Caravan. Кресла мы увезли прямо из самолета) )

Отдельная проблема возникла с боковыми стойками лобового стекла (side trim). У Cessna 172S последнего поколения они имеют хитрую зализанную форму с вставленными соплами обдува. Заказали оригинал — не подошли! Заказали на заказ из стеклопластика — НЕ подошли!

Впервые воспользовались 3д печатью. Получилось просто отлично. Хотя наш подрядчик возился с этими деталями больше недели. Непрерывная печать шла по 40 часов.

В итоге наш тренажер обрел окончательную форму. Впереди было еще больше месяца тестирования, поиск и исправление неполадок, строительство павильона и запуск в эксплуатацию. Но результат наш — в двух сотнях довольных гостей с середины Октября, партнерство с АУЦ по программе подготовки пилотов, признание качества в авиационной среде и самые оптимистичные взгляды на будущее.

Два слова о финансовой стороне проекта. Разработка и создание тренажера стоили нам около 4,5 млн рублей. Сейчас мы имеем загрузку 4-5 часов в день и только только вышли на точку безубыточности. Примерный срок окупаемости проекта планируется в течение 1,5-2 лет

Каждый гость, выходящий с улыбкой после полета вызывает у меня чувство гордости за проделанную работу, благодарности всей команде и радости, что мы действительно делаем полезное дело…Ведь если хотя бы один мальчик, полетав на Cessna решит связать свою жизнь с авиацией — значит мы уже сделали это не зря!
Всем чистого неба!

Спасибо за внимание
www.we-fly.ru
facebook.com/weflymsk
instagram.com/weflymsk