可显示模拟可视环境的自由降落模拟器

本发明是关于一种可以模拟自由降落的设备。它有一个垂直风洞， 风洞中有自下而上的气流，从而可以使做自由降落的人(如跳伞者) 在风洞中能够基本保持静止。本发明还是关于一种可以在自由降落过 程中模拟显示外部环境的自由降落模拟器。

长期以来，跳伞训练一直需要一种经济、可靠、不依赖于天气的 手段来帮助跳伞者学习和提高在自由降落过程中的必须采取的动作和 姿势。一些相对简单的方法已经被发明了，比如用橡皮筋来悬挂跳伞 者以防其触地。这种弹性的绳子可以使跳伞者处于一种近似自由降落 的环境中，同时跳伞者的动作可以被教练员显著地控制。这种方法， 尽管经济，但离真正的自由降落环境相差太远，从而无法使跳伞者真 正体验到自由降落，也无法帮助其正确地训练降落时的姿势控制。

自由降落模拟器的设计者们还受到研究机构中用来做空气动力试 验的垂直风洞的启发。尽管造价高昂，这些垂直风洞在能量足够的时 候还是可以使跳伞者在自由降落时保持静止的。这时，自下而上的气 流以40米/秒到70米/秒的速度穿过风洞管。

设计者们发明了各种不同的基于风洞的自由降落模拟器，用于达 到不同的目标。有些模拟器的风洞直径和马力都足够强大，可以同时 实现两三个跳伞者的自由降落模拟，这可以帮助跳伞者学习在跳伞比 赛中认知其他选手的轮廓。

专利US 3484953和专利GB 2094162就是这样的模拟器。这两项 专利所使用的风洞都是闭合型的，即气流从风洞的顶端出去后又沿着 封闭的通道回到鼓风机。在这种设计中，风洞的基础设施通常是混凝 土组成的，因此由于它们的巨大的体积和重量儿而不得不固定安装。

为了降低跳伞训练中心的成本，同时为了能够建造一种可以供公 众体验的自由降落模拟器，人们已经开始设想更轻的、更易于构造和 运输的模拟器。

这样的例子如专利GB 2062557。在这个专利中，它实现前面所述 的那种封闭回路的风洞。另外一个例子是专利WO 83/01380，它采用 一种开放的风洞，即气流从风洞顶端的出口直接排放出去。

所有这些模拟器都或多或少地采取了一些措施来保护参与者。但 是除了保护网或者风洞壁上加垫子以外，它们并没有从本质上解决保 证参与者的安全。

在前面提到的专利申请WO 83/01380中，风洞壁是由一种柔性的 材料(如布等)组成的。但是它仍然需要在风洞的周围布置一个刚性 的支架，用来将柔性布料固定上去。但是，这种装置并无能保证参与 者不会撞到刚性支架上，尤其是当柔性洞壁撕裂时。

尽管参与者会采用各种个人的保护措施，比如头盔等，参与者在 使用这些模拟器时有时还是会发生意外或事故的，即使对于经常联系 的参与者来说。

为了改进模拟器的真实性，人们提出了在自由降落模拟器的风洞 中显示可视化环境的方法。在美国专利5655909中，发明者提出了在 风洞壁的一部分上安装屏幕显示跳伞者的环境的方法。此专利包括在 把风洞壁的一部分用很多小块的显示屏代替，用来显示图像，这种设 备也被叫做图像墙。图像墙可以在相对较大的表面上显示图像，但是 在显示屏与屏的边缘处无法很好地显示图像。同时，它还过重以及难 于安装。同时，如果参与者撞到了墙上，图像墙会加重参与者受伤的 危险和程度。

本专利提出了一种新型自由降落模拟器。它易于安装和操作，提 供最大程度的安全保障，同时还提供360度的可视环境显示。

更具体地说，本专利中的自由降落模拟器包括一个强大的鼓风机 用来生成足以使参与者保持静止的气流，一个由柔性的、耐用的、非 弹性的材料制成的薄膜(比如一块圆柱型的布固定在两端的框架上)。 薄膜在纵向被扩展开并且只固定在支持框架的上部构造上。

风洞壁最好由一整块柔性薄膜卷起并封闭起来形成。

前面提到的上部构造的好处是，风洞壁离任何刚性的结构都很远， 从而保证了参与者永远都不会撞到任何刚性结构。

在本专利的一个实现例子中，鼓风装置包括至少一个发动机(最 好放在单独的房间)，至少一个螺旋轮，和一个整流器-扩散器。

一个优点是，整流器-扩散器正好位于发动机室的上方，并且上部 构造使得风洞正好位于整流器-扩散器的正上方，并在其垂直轴上。

在本专利的一个实现例子中，需要被加速的气流通过一个气孔计 入发动机室，里面至少有一台发动机。

为了运输的方便、组装和拆卸的简单，鼓风机最好以一种固定的 方式安装在一个运输箱内。

在本专利的一个特例中，构成风洞墙壁的柔性材料薄膜是半透明 的，从而可以被作为屏幕来显示从风洞外面投影进来的影像。影像由 至少一个安装在风洞外的投影仪生成；但如果需要360度全方位的影 像，则需要多个投影仪。这些投影仪被安装在支持风洞的上部构造上。

在本专利的一个特例应用上，被投影的影像可以包括至少一个人 在另外一个模拟器中做自由降落的实时录像。

在本专利的一个特殊实现中，风洞和模拟器的其他设备可以有一 个用油布或面板做成的顶盖，从而保证模拟器不受恶劣天气的影响和 不因强光而影响投影图像的对比度。顶盖可以固定在上部构造上，同 时保证风洞的开放性。

模拟器有控制和命令设备，用来监控模拟器的运行、监视参与者 跳的过程、以及操作模拟器。

本专利附录的图中提供了本发明中的模拟器的一个具体实现的例 子：

-图1：本发明中一个模拟器实例的全景图(包括主要的部件)；

-图2：鼓风机装置图和发动机室的剖面图；

-图3：本发明中的风洞图和投影装置图；

-图4：支持风洞的上部构造图和外层保护装置图；

-图5：模拟器相关装置视图。细节a)监控设备图。

这个根据本发明实现的自由降落模拟器包括：鼓风机1，用来加速 气流；风洞2，其大小可以容纳至少一个人6同时做自由降落；设备3 用来为风洞中的人生成实时影像或者模拟外部可视环境；设备4用来 导向和控制风洞；用来生成影像的装置；上部构造5，用来支撑各种 设备及顶盖。

这些设备要么是为了固定式安装而组装起来的，要么就是为了简 化组装和拆卸从而实现可以移动式安装。

为了移动式安装，这些设备和前面提到的上部构造在设计的时候 就考虑到了整个模拟器的运输问题。整个模拟器可以用一个或几个适 合公路、铁路、水路、空运的集装箱完成运输。

以上具体描述的根据本发明设计的自由降落模拟器，能够被很容 易地运输和操作。它既可以在跳伞俱乐部中被用来作巡游使用，也可 用来展出。

鼓风机1包括至少一个发动机10。发动机的马力是根据风洞2的 平均截面23大小及需要的垂直气流的速度计算出来的。发动机10可 以是电动的或热动力的，它们驱动一个或多个螺旋轮11。螺旋轮的参 数同样是根据风洞2的参数及需要的垂直气流的速度计算出来的。总 共需要的马力和螺旋轮的参数由那些了解风洞的专家们计算出来。对 于比较大的自由降落模拟器，建议使用一个或多个热动力发动机，比 如狄赛尔型发动机可以提供1000千瓦量级的能量，从而可以驱动一个 或多个螺旋轮11。螺旋轮11和发动机10的个数是根据风洞的平均截 面23的大小及可用的发动机的能量决定的。比如说，为了经济，有的 时候也可以选择较多数目的马力较小的发动机。

鼓风机的一个或多个发动机10被安装在机房12。机房的顶端13 被设计成可以连接风洞2。一个或多个螺旋轮11在安装时要保证它们 的旋转轴14尽量垂直从而可以生成垂直向上的气流15。这样设计的 一个好处是，气流经过机房12时可以帮助冷却发动机10及减速装置。

机房12的墙上至少要有一个开口17，用来输送对风洞12操作至 关重要的空气。在使用一个或多个热动力发动机的情况下，一个或多 个燃料箱70可以被安装从而达到风洞的自动化。这些燃料箱70以及 输入输出管道都要根据相关的安全标准来设计和实现。比如，如果模 拟器是巡游使用的，燃料要被分配到多个燃料箱70中以保证每个箱中 的燃料不超过500升(按照某个关于移动安装的标准)。一个或多个燃 料箱最好和一个或多个发动机隔离开，以减少火灾发生时的风险。特 别是，用来防止火灾的安全保护措施要被尽可能多地安装在发动机房 12。

在螺旋轮11上面是整流器-扩散器19。这个整流器-扩散器19是 为了稳定经过螺旋轮11加速过的气流15。气流15经过螺旋轮11加 速过后，就变成了湍流，需要经过整流器-扩散器来稳定。通常，整流 器-扩散器19是由网格组成的足够厚的墙壁实现的，气流在经过其时 就会变得稳定。

为了便于运输，当模拟器使用热动力发动机室，机房1(包括一 个或多个发动机10，一个或多个螺旋轮11，可能还有整流器-扩散器 19，或者燃料箱70)被最优地安装在一个或多个便于公路、铁路、海 路、航空运输的集装箱中。这些集装箱最好还能够接受模拟器的其他 拆卸下来的部件。

在一个传统大小的集装箱(大约3米宽，12米长，2.6米高)中， 机房12可以被实现成4米长、3米宽，足够包括一个或多发动机10， 和一个或多个螺旋轮11，以及整流器-扩散器。剩下大约8米长的空间， 可以用来装其他模拟器的部件。

在一个或多个螺旋轮11和整流器-扩散器19之上，沿着垂直轴20 的方向安装着风洞2，在其中可以容纳一个或多个参与者6做自由降 落。风洞2是一个其轴尽量垂直的圆筒，其底端为21，顶端为22。风 洞的形状尽量是圆柱形，或者是稍微顶端略大的柱形。后一种形状比 较好，因为它可以在风洞2中形成从底向上的负的速度压力梯度，从 而可以较好地保证在风洞中的参与者在垂直位置上的稳定性。平均截 面23最好是圆形，但是椭圆形和多边形也是可能的。对于安装于公路 运输集装箱中的机房12来说，底端21的横轴直径最多在3米左右， 而顶端22的横轴直径在3.6米左右，底端21和顶端22之间的可用高 度在4米左右。

这种相对较小的尺寸对于自由降落模拟器来说有它的优点。一方 面，它便于运输；另一方面，它也为参与者6提供了安全保证。实际 上，如果参与者6发生意外而没有正确地将其位置控制在风洞2的中 心(这对于未经训练的新手来说是常事)，由于在风洞2中的飞行距离 短，这个参与者根本没有时间来获得足够的相对于墙24、上保护装置 25、下保护装置26的速度，即使是在加速的情况下。这样参与者6 的安全就得到了保证，当其与墙24、上保护装置25、下保护装置26 接触时受伤的危险性由于速度慢而大大降低。

风洞2的另外一个重要特征是它的实现方式7。在本发明中的模 拟器，其洞壁24是由柔性材料的薄膜组成的。这种薄膜，比如根据抗 阻能力和稳定性选的一种布料，被组装起来形成已成一个圆筒，其长 度和两端的周长符合风洞2的长度及其两端21、22的周长。我们今天 可以找到非常抗阻和非弹性的布料，能够满足风洞的要求，比如合成 纤维材料，像聚酯纤维或芳香尼龙纤维(如Dacron或Kevlar，它 们在航空领域和帆船的帆上被广泛应用)。

形成风洞2的墙壁24的圆筒最好用一整块面料做成，通过将边和 边沿着平行于圆筒轴的方向衔接起来。边和边的衔接27的抗阻性至少 要和薄膜相同。这样，当边和边为衔接时，薄膜面料可以铺平然后卷 起来(比如卷在圆柱上以便于运输)而不至于造成褶皱，损坏洞壁24 或其外观。

衔接(图中未画出)可以用拉链、系带、或Velcro材料，以及 它们的组合来实现。

衔接27最好能够快速开合到一定的高度(至少底端应当如此)， 以允许参与者进入和退出风洞。

最后，柔性材料的薄膜被两端的框架28、29拉紧，从而使风洞2 的两端21、22达到设计的形状。这两个框架28、29是由金属或合金 做成的圆管构成的，其硬度和抗阻能力要保证可以承受在模拟器运行 过程中薄膜所受到的拉力。

非常关键的一点是，在洞壁24附近没有任何刚性的结构，尤其是 在风洞2内部。洞壁24的两端28、29连接到上部构造5上，其刚性 部件离风洞2的洞壁24很远。底端28固定在扩散仪19的周围和上方， 从而迫使气流15流入风洞2。顶端29固定在上部构造上。两端的框 架28、29最好通过拉力装置连接，比如带调节装置的或者液压的拉力 装置，它能够帮助风洞2的组装并能向柔性材料薄膜施加想要的拉力。 在一种实现特例中，系列弹性装置被插入到至少一端框架的固定中， 为框架提供小的移动可能从而减少当风洞使用时由于外物撞击薄膜产 生的施加在薄膜上的张力。这种风洞2的结构，不仅易于装卸，而且 来减少了参与者6撞击洞壁26而造成严重伤害的风险。在选择柔性材 料薄膜的时候，也要考虑有可能会施加到薄膜上的力，它们来自可能 的撞击、框架间的张力、以及气流带来的拉力。

在本发明的一个实现特例中，洞壁24的另外一个重要特征是其可 以作为屏幕显示图像。在这种情况下，所选择的柔性材料薄膜，除了 其重要的力学特征以外，是半透明的，从而使得投影在风洞的外面35 上的图像可以从洞壁24的内面36上清晰可见。

某些前面提到的由合成纤维做成的柔性材料就具有合适的透明 度，既不太透明也不太不透明，从而保证了其兼作屏幕的功能。

要投影可视环境到洞壁24上，至少一个投影仪31要被装在风洞 的外面。模拟的可视环境可简可繁，视要达到的效果而定。比如，投 影的影像可以有：

-地平线的固定图像

-固定图形的垂直滚动图像

-真正的或模拟的自由降落的电影影像

-根据参与者的降落过程而通过计算机模拟生成的实时影像

-以上图像的组合

当使用模拟器吸引公众体验时，最好展现一些有吸引力的影像， 因而应该选择不同于那些从高处实际降落时拍摄的图像。比如，可以 选择尽可能表示接近地面的水平运动的影像，从而给参与者一种像鸟 一样移动的感觉。

在一种推荐的实现模式中，应该至少在风洞周围安装3个投影仪， 以确保正确地还原出360度的环境。

为了提高投影图像的质量，根据投影仪31的个数及其与洞壁24 的距离，投影仪可以经过处理来矫正图像的几何形状，比如通过失真 装置32或者电子手段33改变图像的形状，从而将屏幕的曲面因素考 虑进去。

这种投影图像的装置3安排，通过将装置5放到风洞2的外面并 远离洞壁24，避免了所有参与者与坚硬物体接触的危险。

为了保证构成风洞的薄膜的张力以及风洞的正确位置，上部构造 5被安放在包括鼓风机1的机房12的上方。此上部构造保证了风洞两 端框架28、29的正确位置。上部构造由金属或合成材料制成的圆管和 轮廓51实现，经过计算，它能够承受风洞2的薄膜的纵向拉力。上部 构造5的所有部件都远离洞壁24，所以无论何种情况下，和洞壁24 撞击的人都不会碰到上部构造5的刚性部件，即使洞壁24发生变形。 上部构造5的尺寸考虑了洞壁24失败的情况。除此以外，还安装了由 泡沫材料组成的床垫52，来保护参与者的安全。

在实践中，洞壁24和上部构造5的垂直支架之间的距离至少要等 于风洞2的平均直径。在上面描述的具体实例中，就是3米左右。

当模拟器没有安装在室内时，上部构造5支持装置53来保护风洞 2及其附属部件1、3、4不受风、雨等天气因素的影响。除了这个作 用以外，保护装置53或者其他专门的装置可以在风洞2周围形成一个 暗环境，从而保证投影到半透明洞壁24上的图像有足够的对比度。这 些装置53由固定在上部构造上不透明的面板或者用来搭建帐篷的油 布组成。

对于那种使用封闭回路风洞的模拟器来说，这些上部构造5所支 撑着的装置53盖住了发动机10所在机房12，以及一个或多个机房12 上的开口17。气流18就是从开口17这里进入并被加速排放到风洞2 中。在这种情况下，洞壁24和装置53之间的空间54，起到了风洞出 口22和发动机房开口17之间的缓冲区的作用。因此，这个空间也要 有足够的剖面面积以保证在风洞中循环的气流不会在这里损失太大的 压力。在风洞顶端出口22处安装了接收器，可以通过其结构和形状来 引导空气流出风洞并沿两边向下环绕风洞2。

对于使用开放风洞的模拟器来说，保护装置53一方面保护了风洞 2及其相关部件1、3、4。另一方面，保护装置53还要尽量不阻碍外 部空气流向机房12的一个或多个开口17。在风洞2的上方，装置53 的顶部，可以开一个或多个小孔以释放从风洞2出去的气流。这些开 口最好要被装置56盖住，以防止雨、外部物体、外部光线进入风洞2 中的保护区域，同时还保证外出气流的畅通无阻。

在本发明的一个实现特例中，上部构造5有足够的大小，以保证 投影仪31能够被安全牢固地固定。上部构造的尺寸，能够容纳一个或 多个投影仪31，并保证其与洞壁24之间有足够的距离。投影仪31的 精确定位和稳定，对于保证投影影像的稳定和质量很重要，尤其是在 不同投影仪投影的图像的连接处。

在本发明的一个实现特例中，上部构造由一组带有连接57的梁 51构成。梁可以通过两端的栓子来拆卸，从而保证了模拟器的装卸和 运输。

本模拟器还包括其他有用的或必要的设施，如监控室等。

本模拟器包括了一个控制命令室4，可以从模拟器的控制面板来 监控模拟器的运行参数。

其中重要的需要监控的参数有(未穷举)：

-温度：

·气流；

·冷却水；

·发动机和齿轮中的油；

-一个或多个发动机的马力和转速、螺旋轮的轮片的转速；

-风洞中气流的速度。

命令部分至少包括控制鼓风机的马力，以保证风洞中气流的正确 速度，这个速度通常是由参与者的体重决定的。命令部分还应包括安 全相关的控制设备，比如火灾时的紧急关闭命令。

这些命令和控制的一部分是可以自动化的。

此自由降落模拟器最好还包括至少一个用来监控的摄像头42，从 而可以在命令控制台边的显示器43上监控参与者6。摄像头42可以 被安装在风洞的顶端保护网25之上，或者在风洞的底端保护网26之 下。

此摄像头42及其它相关的摄像头，还可以被用来记录参与者6 的降落过程。跳伞者在训练中会常常需要观看自己的练习录像，以分 析缺陷、找出改正的方法。对于娱乐型的应用，参与者往往希望在跳 完之后得到一份自己自由降落的录像作为纪念。

当同时使用两个或更多模拟器(在同一个地方或者远程)时，一 个模拟器中的参与者6的录像可以被实时传输到另一个模拟器的装置 3中并投影到风洞上。这样就可以模拟一组人同时降落的过程，而不 需要一个更大的模拟器；这样还可以减少多人同时在一个风洞中跳的 风险。

在一个实现特例中，还包括了其他设备7。比如设备71用来通向 风洞2，区域72用来做准备，装置73用来排队等候。