新软件让野火直升机训练更安全、更逼真

一款能够精确再现消防直升机性能的新型飞行模拟软件，有望在未来显著提升飞行员应对野火的训练效果。该软件由格拉斯哥大学研究人员开发，是其 Daedalus I 飞行模拟框架的一部分，相关成果已发表在《CEAS 航空学报》上。

这套软件可以在价格相对亲民的消费级 GPU 上运行，能够实时计算直升机旋翼、地面火焰以及空中投放水流之间复杂而动态的相互作用。

野火空中灭火的挑战

专用灭火飞机和直升机是现代野火应对体系中的关键力量，它们可以快速抵达火场，从空中投放水或阻燃剂。然而，飞行员往往需要在低空、低速条件下贴近火场飞行，同时穿越浓烟并应对快速变化的风向，这使得任务难度极高且风险巨大。

传统飞行模拟器通常依赖一系列预设场景，帮助学员掌握起飞、巡航和着陆等基本技能。但野火本身具有高度不确定性：火势蔓延迅速，对风向变化反应复杂，还会受到直升机旋翼下洗气流的影响。这些因素叠加，使得传统基于“预制场景”的软件难以真实再现灭火飞行环境。

研究团队指出，他们开发的软件是首个能够在实时条件下模拟空中灭火完整动力学过程的系统，而不是依赖预先计算好的模型。这一突破被视为实现高逼真度灭火训练模拟的重要一步，有助于飞行员更有效地培养应对野火所需的技能，尤其是在全球变暖导致野火发生频率和强度不断上升的背景下。

利用消费级 GPU 实现实时双向耦合

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院研究生、论文主要作者之一 Oyedoyin Dada 表示：“空中灭火是一项高度专业化的工作，具备直升机消防任务所需独特技能和经验的飞行员数量并不多。未来几年，全球对空中消防员的需求将持续增加，但目前很难仅通过模拟器让他们获得足够训练，而在真实火场环境中使用真机进行测试又极具危险性。”

他指出：“虽然超级计算机可以模拟复杂流体行为，但在常规飞行模拟器中部署如此庞大的算力并不现实。我们真正需要的是一种更易获取的方案，利用 GPU 处理器的高并行能力，来模拟火焰烟羽与飞机尾流之间的相互作用。我们开发这套软件的目标，就是实现这种独特的双向耦合效应的实时模拟，目前结果非常令人鼓舞。”

团队的软件在 Nvidia RTX 4090 显卡上运行，并已在格拉斯哥大学的 Daedalus 1 飞行模拟器平台上完成测试。系统可以同时模拟大气、火焰、灭火用水以及直升机本体的物理特性。

三大核心模型：大气、火焰与水滴

该模拟系统性能的核心在于自主研发的空气动力学求解器 HLBM2，它基于格子玻尔兹曼方法，通过大规模并行计算快速求解流体物理过程。这类任务正是当前 GPGPU 硬件（如团队使用的 Nvidia 显卡）最擅长的应用场景。

HLBM2 支撑了软件中的大气建模模块，用于计算空气流动、上升气流以及直升机旋翼下洗气流的影响。

火焰模型则从大气模块获取数据，计算火势如何在不断变化的大气条件和直升机尾流作用下发展，并将结果再反馈给大气模型。通过这种地面火焰与空中气流之间的双向耦合，系统可以细致刻画飞行过程中不断变化的环境条件。

与此同时，第三个模型负责计算每一滴从直升机投放的水滴在空中运动的轨迹及其对火场的实际效果。随着地表被水浸润、虚拟火焰被逐步扑灭，更新后的状态会再次反馈至火焰和大气模型，从而进一步提升整体模拟的真实感和连贯性。

60 帧实时计算，支持沉浸式训练

詹姆斯·瓦特工程学院的 George Barakos 教授是论文的通讯作者。他介绍说：“我们的软件运行速度足以以每秒 60 帧或更高的刷新率计算流体动力学相互作用，这样的性能可以保证模拟模块与飞行员所在运动平台之间实现无缝通信。”

他补充道：“与传统的单向耦合模型相比，我们的系统展现出明显优势。例如，在一次模拟中，我们以 20 节的速度飞向火场，部分旋翼尾流会先于直升机本体到达火场，短时间内增强火势并产生新的烟羽，随后直升机在几秒内飞入这股新形成的烟羽。这种动态交互是依赖预计算场景的模拟器无法呈现的，也凸显了实时、高真实度系统在飞行员训练中的潜力。”

下一步：引入真实飞行员与智能控制

目前，研究团队正在持续优化模型，并计划在下一阶段引入经验丰富的飞行员参与测试，以进一步验证和改进模拟系统。

Dada 表示：“接下来，我们希望在实时条件下开展飞行员参与的测试，目前正积极寻找愿意协助全面评估系统的飞行员。之后，我们计划基于模拟生成的数据开发一个智能低级控制系统。该系统将在后台运行，帮助飞行器在扰动环境中保持稳定，从而减轻飞行员的操纵负担，让他们能够将更多精力集中在灭火任务本身。”