Когда пятнадцать лет назад мы устраивали редакционный чемпионат по компьютерным автогонкам, никто даже не предполагал, что сегодня тем же будут всерьез заниматься пилоты F1. Гоночные симуляторы — это не просто развлечение, теперь это целая система тренировок!
Первый гоночный симулятор создали в 1997 году в команде McLaren, использовав опыт авиаторов
Место пилота у большинства «топовых» автосимуляторов установлено на так называемой платформе Гью-Стюарта, обеспечивающей шесть степеней свободы. Это решение заимствовано из авиационных тренажеров. Одним из его недостатков при симуляции движения автомобиля является ограниченное перемещение платформы. Из-за этого после большинства маневров требуется возвращение платформы в исходное «нулевое» положение. При этом возникает конфликт между вестибулярным аппаратом и зрением: «автомобиль» движется не так, как подсказывает зрение! Поэтому бывает, что укачивает даже опытных спортсменов. На фото—установка Hexatech голландской компании Cruden
В девяностые по поводу молодого Жака Вильнева, увлекавшегося видеоиграми и знакомившегося с их помощью с трассами Формулы-1, иронизировали. А сегодня никто не удивляется, читая о том, как Алонсо (Феттель, Хэмилтон, Петров…) прошел очередной курс тренировок на симуляторе. Ныне свой тренировочный стенд есть у каждой команды Формулы-1, кроме Force India и Toro Rosso (последняя пользуется ресурсами «братской» команды Red Bull). Даже у Маруси есть свой тренажер! Есть симуляторы и на базах некоторых «конюшен» GP2 (например, Arden), у крупных заводских команд серий LMS, DTM, WTCC и гонок GT. Остальные арендуют коммерческие симуляторы сторонних компаний: только в Великобритании таких четыре. В авиации — там, где от опыта и наработанных рефлексов зависит жизнь людей, — профессиональные тренажеры стали делать задолго до появления современных компьютеров. Ветераны Аэрофлота помнят пилотажный тренажер Ту-134, ламповый вычислительный блок которого занимал несколько шкафов, прогревался часами, а затем отверткой подстраивался «на ноль». Команда McLaren, впервые использовавшая симуляторы в автоспорте, заимствовала физические модели и даже целые узлы авиационных тренажеров — шеф конюшни Мартин Уитмарш начинал карьеру в British Aerospace и занимался, в частности, симуляцией полетов. Свою установку в Макларене запустили еще в 1997 году и почти пять лет оставались монополистами. Когда в начале двухтысячных компьютеры позволили подробно воссоздавать реальные условия и физику движения автомобилей и все приступили к освоению виртуальной реальности, McLaren был уже далеко впереди. На сегодняшний день маклареновская установка считается самой продвинутой в мире и оценивается в два миллиона английских фунтов. А голландская компания Cruden, вышедшая на рынок автомобильных симуляторов в 2001 году, до 1996 года вообще была подразделением авиастроительной компании Fokker. Но гоночные симуляторы очень сильно различаются по цене и возможностям. Самые примитивные очень близки к домашнему компьютеру с игровыми рулем и педалями — просто изображение выводится на несколько мониторов. Самые совершенные имеют панорамные экраны, а точная копия кокпита гоночного автомобиля закреплена на поворотной платформе с шестью степенями свободы — может двигаться и вращаться в любом направлении. Это позволяет имитировать нагрузки при разгоне и торможении, при наезде на неровности и в поворотах.
Понятно, что полностью повторить движение гоночной машины симулятор не в состоянии, и конструкторы идут на трюки, чтобы обмануть человеческое восприятие. Вот, скажем, один из лучших образцов — симулятор Cruden с платформой Hexatech, у которой шесть степеней свободы. При «трогании с места» платформа на шести ногах подается вперед. Но перемещение сильно ограничено кинематикой телескопических ног, и, чтобы сохранить иллюзию продольного ускорения, платформу с креслом наклоняют назад, дабы за ускорение поработала сила тяжести. Аналогично платформа работает и при торможении, и при повороте. В итоге имитировать получается лишь перегрузку около 0,7 g, а при торможении в гонке она достигает 3—5 g! И вестибулярный аппарат гонщика столь натренирован, что хорошо чувствует вращательный момент при наклоне платформы. То, что годится в авиации, где перегрузки нарастают достаточно плавно, не очень подходит для автоспорта! Гонщикам не нравится большой наклон платформы — для серьезной работы нашу установку приходится настраивать иначе, нежели для развлекательных «поездок»,— рассказывает директор Cruden Франк Калфф. — Поэтому мы немного поворачиваем платформу вокруг вертикальной оси: для создания ощущения входа в поворот достаточно двух-трех градусов». Иначе устроен симулятор крошечной канадской фирмы Force Dynamics. Торможение и разгон имитируются традиционно, наклоном платформы. А при «повороте» вся установка с большой скоростью вращается вокруг вертикальной оси: она закреплена на поворотном столе без ограничения углов поворота (традиционные системы отклоняются не более чем на 20 градусов).
Какие компьютеры нужны для обсчета поведения виртуального болида? У профессиональных симуляторов их минимум два: один занимается визуализацией, второй работает с физической моделью автомобиля. A McLaren использует аж шесть компьютеров: по одному на каждый визуальный проектор, на управление подвижной платформой, на телеметрию, на физическую модель, и еще один сервер объединяет все действия.
А самый главный секрет гоночного симулятора — его программное обеспечение. Это совершенно секретно: во время тестовой сессии в зал не допускаются даже менеджеры пилотов! Топ-команды весь софт разрабатывают сами, но те, что победнее, применяют готовые решения. Самое известное — rFactor Pro американской фирмы Image Space Incorporated. Бренд rFactor широко известен любителям гоночных игр, однако версия Pro разработана совместно с одной из команд F1. Стоит такая программа 80 тысяч евро. Основная разница с обычной игрушкой rFactor за 30 евро — архитектуре, позволяющей подключать дополнительные программные модули, вносить значительные изменения в физическую модель машины и брать у конструкторов ее готовую математическую модель.
Дорого? Наоборот! Одна из причин применения симуляторов — экономия. Стоимость рабочего дня на симуляторе для команды GP2 — около 1500 евро, а реальный тестовый день на автодроме обойдется в 25 тысяч евро. На этом фоне цена симулятора Cruden с тремя степенями свободы и панорамной виде осистемой (около 200 тысяч евро) уже не кажется высокой. Профессиональную систему уровнем попроще, как у компании Base Performance Simulators, команда может построить самостоятельно, потратив около 25 тысяч евро. Примерно столько же стоят игровые установки с системой подвижности (кстати, симуляторы чешской фирмы SimMotion с четырьмя степенями свободы есть в нескольких торгово-развлекательных центрах Москвы и Питера). Продвинутые развлекательные установки наподобие Force Dynamics стоят даже дороже профессиональных систем начального уровня — 40—70 тысяч евро. Некое подобие симулятора можно собрать даже у себя дома — компьютер с тремя мониторами, джойстиком и сиденьем с рамой обойдется в тысячу-две евро. Только не переусердствуйте — Феттель с Хэмилтоном не проводят за своими игрушками по шестнадцать часов в сутки!
Подвижная платформа развлекательного симулятора канадской фирмы Force Dynamics серии 401 лишена части недостатков платформы Гью-Стюарта. Если разгон и торможение также имитируются продольным наклоном «автомобиля», то виртуальный поворот — это действительно поворот: платформа вращается на столе с неограниченным диапазоном угла поворота. Кстати, раньше эта фирма занимались разработкой промышленных роботов
Экспериментальный симулятор, разработанный Паоло Робуффо Джордано из Института Макса Планка, в качестве системы подвижности использует «руку» промышленного робота Kuka KR 500. Она имеет шесть степеней свободы и имеет больший диапазон перемещений, чем платформа Гью-Стюарта
Британская фирма BRD Simulation вышла из развлекательной сферы, но сейчас производит и профессиональные гоночные тренажеры с собственным программным обеспечением. Их главная особенность — упрощенная система подвески с парой зубчатых ремней, обеспечивающая подвижность только в горизонтальной плоскости
Пожалуй, самый впечатляющий симулятор установлен в техническом центре Хигасифудзи компании Toyota, что в городе Сусоно. Он не имеет отношения к автоспорту и предназначен для изучения особенностей человеческого внимания: внутри находится макет автомобиля Lexus LS460. Гексапод Гью-Стюарта смонтирован на рельсах и может двигаться как в продольном, так и поперечном направлении с ускорением до 0,5 д. Размер площадки — 20 метров в ширину и 35 метров в длину. Пиковое энергопотребление достигает семи мегаватт!
Своими глазами… и руками
О своем тест-драйве гоночного симулятора английской фирмы Base Performance Simulators рассказывает Иван Лукашевич, в 2010—2011 годах— пилот формульной серии GP3: Моя сегодняшняя задача — освежить в памяти трассу ближайшего этапа, а задача моего инженера — протестировать два варианта аэродинамической конфигурации машины. Из экипировки надеваю только гоночные перчатки и ботинки, оставаясь в джинсах и футболке. Симулятор расположен в двух комнатах. В первой — несколько мониторов, за которыми сидят гоночные инженеры. Прохожу во вторую комнату— здесь полумрак и прохлада. В углу гудят несколько мощных компьютеров, а в центре на невысоком подиуме стоит монокок некоей абстрактной формулы, причем с необычно мягкой для гоночной машины обивкой кокпита и слишком свободной посадкой — влезть сюда должен пилот почти любой комплекции. Для достоверности ощущений меня пристегивают, хотя данный симулятор не оборудован динамической платформой: никакой имитации перегрузок. Вместо шлема — закрытые наушники с микрофоном. Выключается свет и на панорамный экран начинает проецироваться изображение. У автомобиля «появляются» колеса — как и в реальности, больше никаких других частей машины пилот формулы не видит. Заводится виртуальный двигатель, причем его звук раздается на всю комнату, а в наушниках слышен только голос инженера. Симулятор работает на программном обеспечении rFactor Pro, поэтому графика уступает современным аркадным играм. Трибуны пустуют, деревья плоские… Хотя проехать мимо одного из экранов, расставленных по трассе, без улыбки не удается: на нем повешена… моя фотография, сделанная на прошлой гонке в восемь утра в холод. Шутники англичане. Прогревочный круг нужен только мне — модель автомобиля настроена так, что шины все время находятся на пиковом состоянии и не изнашиваются, а топлива все время одно и то же количество. Асфальтовое полотно трассы прорисовано с точностью до метра, точки торможения легко узнаются. Педаль тормоза тугая, с коротким ходом, как в настоящем болиде. Колеса на торможении можно «заблокировать», однако шины при этом останутся в идеальном состоянии — имитацию оквадрачивания покрышек будет иметь только rFactor 2, пока выпущенный в бета-версии. Домашние компьютерные рули не способны передать величину усилия обратной связи реального автомобиля, хотя достаточно точны по ощущениям. На симуляторе же к баранке приходится действительно прикладывать усилия. Впрочем, сердцебиение в отсутствие перегрузок не превышает 120 ударов в минуту. По этой же причине сложнее чувствовать грань скольжения — вестибулярный аппарат просто не включается в управление автомобилем и остается полагаться на зрение. Поэтому молодые пилоты, с детства увлекающиеся видеоиграми, на подобных статичных симуляторах едут быстрее, чем опытные ветераны. В реальных гонках нужно душить инстинкт самосохранения, чтобы быть быстрым, а на симуляторе он отключается сам. Пробуем новый вариант аэродинамики. Быстрый поворот, пятая передача, но уже на 200 км/ч автомобиль срывается в занос. Руки по привычке бросают руль при приближении к стене, удар… И сразу — первая передача, продолжаем работать! В реальности такой роскоши, как запасная жизнь, увы, нет. Вылезаю из кокпита и понимаю, зачем нужны два кондиционера: во рту пересохло, на лбу пот. Виртуальный, но спорт.
На земле как и в небе
Профессиональных гоночных симуляторов в России нет, зато есть современные авиационные тренажеры. С ними мы познакомились в Центре подготовки авиационного персонала компании Аэрофлот. Здесь установлены пилотажные симуляторы класса D — это самая высокая категория симуляторов: с подвижной платформой, панорамным видео и полным оборудованием настоящей кабины. Бывают тренажеры и попроще, так называемые процедурные, — они позволяют запомнить взаиморасположение приборов, вбить в мышечную память последовательность действий при той или иной ситуации, но лишены подвижности. А пилотажные тренажеры, словно настоящие самолеты, требуют сертификации и регулярных проверок. Для контроля параметров на тренажере установлена система записи информации. Нагрузки большие — платформа со всей надстройкой весит семь-восемь тонн, и характеристики тренажера со временем плывут из-за износа механизмов. К тому же пилоты в тренажере, как правило, испытывают сильную психологическую нагрузку и потому действуют органами управления жестче, чем в реальном самолете. Тренажер создается одновременно с самолетом — к моменту, когда новая модель начнет поступать в авиакомпании, симулятор должен быть уже готов. Производство тренажеров — полноценный бизнес: за деньги авиакомпаний борются разные фирмы. Скажем, симуляторы аэробуса А320 делают и канадцы из фирмы САЕ (их тренажеры стоят в Аэрофлоте), и французы из Thalys. Все они еще на стадии разработки симулятора купили у Аэробуса математическую модель самолета и его реальные характеристики, полученные во время облета экспериментальных образцов. Готовый тренажер категории О стоит 11—17 миллионов долларов — всего раза в три меньше, чем комплектный A320 или Boeing 737.
Но сами тренажеры внешне ничем не напоминают самолеты: в зале с симуляторами — только ряд больших коробов на «ногах». Как и у гоночных симуляторов, опоры системы подвижности бывают двух видов — гидравлические или электромеханические. Гидравлика хороша при передаче растянутых во времени перегрузок, а ее слабое место — короткие, ударные ускорения. Электромеханические ноги менее инерционны и четче передают быстрые изменения.
Чтобы забраться в тренажер, нужно подняться на второй этаж и по трапу перейти внутрь. А за дверью… настоящая кабина Эйрбаса. За окнами — взлетно-посадочная полоса аэропорта Цюриха. Серое небо, метет поземка. Все по-настоящему! За тем, чтобы изображение аэропортов соответствовало реальности, следят при сертификации.
Только заняв кресло пилота, обращаешь внимание — картинка явно компьютерная. За окнами кабины — сферический экран из специальной полимерной пленки, натянутой при помощи вакуума. Кстати, из этого же материала делают упаковки для чипсов. Картинку на него проецируют четыре HD-проектора, закрепленные над кабиной. Здесь углы обзора — около 180 градусов по горизонтали и 40 — по вертикали, но на военных симуляторах они гораздо больше. За спиной летчиков — место инструктора, который нажатием пары кнопок может выбрать любой аэропорт, изменить погоду, время суток или устроить любой отказ. А теперь болтанка, — говорит мой пилот, и кабину начинает трясти, словно мы и вправду попали в турбулентность на скорости 270 узлов (500 км/ч). Система подвижности способна создать статическую перегрузку примерно 0,7g. В реальности самолет может развить больше, но главное, что характер нарастания нагрузки передается правильно, — продолжает мой собеседник, пилот-инструктор Александр Мирошниченко. — В штатных ситуациях положительная перегрузка может достигать 2,5g отрицательная— единицы. Да, к достоверности здесь относятся даже серьезнее, чем в Формуле-1. Ведь там на кону десятые и сотые секунды, а здесь — человеческие жизни!
Симулятор, установленный в штаб-квартире компании Dallara в Парме, — совместная разработка фирм Dallara и Ferrari. Система подвижности спроектирована фирмой Моод —американцы поставляют такие системы и производителям авиатренажеров. Кстати, быстродействующая гидравлика MOOG стоит на всех машинах Формулы-1 и в большинстве западных самолетов. Платформа симулятора весит около двух тонн, каждая из ног — полтонны. Тренажером управляет десять многопроцессорных серверов. Мощность звуковой системы Dolby Surround 7.1 — около 3,5 кВт. Цена всего симулятора— 5—8 миллионов долларов. Установка итальянцев относится к аппаратам топ-уровня, предназначенным не только для тренировки пилотов, но и для помощи в разработке машины
Самый навороченный тренажер в парке Аэрофлота—аппарат CAE серии 7000. Внутри почти восьмитонной головы абсолютно точно воспроизведена кабина Эйрбаса А320: даже приборы настоящие, самолетные. В более простых установках (например, САЕ серии 5000) используются функциональные копии приборов. Картинка за стеклами кабины на современных тренажерах формируется при помощи проекторов — раньше применяли обычные мониторы с электронно-лучевыми трубками. Лучшее, что может испытать рядовой любитель авиации, — это симулятор Боинга 737 московской компании TFT Aero. Необходимых для тренировки пилотов сертификатов у него нет, но реалистичность все равно очень высокая. Для человека со стороны это замечательный опыт, —рассказывают летчики
Данные для тренажера САЕ серии 7000 об считывают 17 высокопроизводительных серверов, сгруппированных в две стойки
Новые тренажеры САЕ оснащены электромеханическими «ногами» системы подвижности (на фото вверху), более старые установки — гидравлическими (внизу). А еще у электромеханической системы на порядок ниже энергопотребление. Кстати, обратите внимание: телескопические опоры тренажера CAE изготовлены фирмой Moog
