编者按：

近日，上飞院《天空光环境模拟技术研究与应用》项目荣获中国照明学会第十八届中照照明奖一等奖。本期“航空科普”将揭秘天空光环境模拟系统实验室内的“黑科技”，带你领略高颜值的背后，实验室拥有的高才华与高实力。

在上飞院有一栋“神秘建筑”，它有一个3米深的地下室，地上部分由16瓣曲面钢梁拼合，最终形成了内径15米、高10.5米的半球形实验室。这就是天空光环境模拟系统实验室。

光环境对于飞机设计是十分重要的影响因素

在飞机飞行的过程中，内外部光环境对于驾驶员操作的便捷性、乘客感受的舒适度，都会产生各方面影响。比如在离地万米的晴朗天空，天空的亮度能达到局部20000-30000 cd/m2（坎德拉/平方米，为亮度单位），太阳本身的亮度可达100000 cd/m2。这是怎样的概念呢？

举例来说，平时让大家经常避之不及的汽车远光灯的亮度，大概在8000-10000 cd/m2。当飞行员在比汽车远光灯直射亮度还要强3倍的光环境下驾驶，一定要带上厚厚的墨镜，这不是为了耍帅，而是为了保护眼睛。

除了极为明亮的天空光，飞行员还可能遇到各种复杂的光环境，比如由朝阳直射、海面反射等造成的强烈眩光，在飞机穿云或发生雷电时经历亮度快速变化的光，又或者是夜间飞行时外部的低照度月光等。复杂光环境影响的不仅仅是飞行员和乘客的舒适度，更是对飞机的安全性能提出考验。

驾驶舱内的各种显示器、控制板、各类光源应该根据外界光环境变化进行响应调整，这样才能确保飞行员在各种天气条件下，都能够清晰、方便地识别各类信号、信息，即提升驾驶舱内设备可视可达性，减轻飞行员工作负荷，提高驾驶操作安全性。

光环境对于飞机驾驶舱、客舱舒适性、安全性设计而言是十分重要的影响因素。但以实际试飞试验的方式测定光环境对飞机驾驶的影响，往往要耗费不菲的时间与财力成本。直接把飞机开到天上在真实光环境下做研究，不说等待特殊气象条件要看运气，就是油费也是一大笔投入。

如果能够在地面上制造一个随试验需要而变化光环境的天空，上面提到的问题便能迎刃而解。这听起来似乎像是天方夜谭，但我们的大飞机设计师却将这变为了现实。

制造一个随试验需要而变化的天空需要哪些算法支撑

要想重新建设一个天空，我们首先要对天空展开研究。有人会说，天空有什么好研究的，不都一样吗？当然不一样。我们头顶的天空，讲究可多了。

根据国际照明委员会公布的技术标准，天空根据其亮度分布的不同，足足有15种类型，这些类型包括了晴天、微云、多云、阴天等类型。天空光的亮度分布，本质上是与两种因素有关：一是天空本身的性质，即晴天和阴天本身基础亮度就是不一样的；二是太阳的位置，即靠近太阳的区域亮、远离太阳的区域更暗。

除了亮度分布外，色温分布也是天空光分布的模拟的重点。一天之中不同时间的天空色温是不同的，最直观的感受就是，在中午人会觉得天空发白，在傍晚觉得天空泛红。在仿真的时候，设计人员分别对不同时间的太阳色温和天空基础色温进行了仿真，综合起来就是天空光色温分布的仿真结果。

国际照明委员会给出的天空光亮度分布模拟算法是相对分布，而要对真实的光环境进行模拟，还需要测算天空光亮度分布的绝对值，需要对15种天空模式下，太阳高度角在不同位置时的绝对天顶亮度进行模拟。

除了以上三个核心算法，太阳位置的模拟算法可以提高算法综合的实用性。通过太阳位置模拟算法，实现给定任意时间点和地面上的经纬度，就可以计算出当时当刻的天空光分布。

让“日”“月”在“天空”中运行起来

有了天空光分布模拟算法，接下来的关键就是实现这样的算法，天空光环境模拟系统装置也就应运而生了。脚踏实地，建造苍穹。这需要专业技术判断力，也需要一些浪漫的想象力。

用什么来模拟天空呢？设计师们选择研发了一款高均匀性高亮度大尺寸方形灯板，用近500块这样的灯板组成了天空光环境模拟系统装置的天空。这些灯板完全覆盖驾驶舱视界，身处于驾驶舱中，对外界的观察恰如置身天空之中。

有了天空，接着还要为天空配备“日月”。天空光环境模拟系统装置利用金卤灯作为太阳模拟光源，还特意配备了调光结构。在太阳模拟器下，完全能感受到真实太阳的光辉和温暖。月亮模拟器则是采用了LED光源，配以特制的月相板，能够模拟出不同的月相变化。

有了太阳和月亮，还要让它们在“天空”运行起来，因此设计师们设计了日月支撑轨道，能够带动日月模拟器在场地内任意位置连续移动。为了更好模拟天空环境的“风云变幻”，实验室还配有云雾闪电模拟系统，能够模拟飞行中穿云和遭遇雷暴等情况。

除了直接对光环境进行模拟的各个硬件系统，实验室还为试验样机配备了样机升降转台，可以让试验样机按需要调节高度和方向，帮助试飞员更好地定位试验所需要的外部光环境。

天空光环境的应用

天空光环境模拟系统装置，可以根据给定经纬度及时间自动生成天空光分布，进行基于飞行航线的动态场景模拟，同时可以实现光环境数据及测试数据的对照，进行基于光环境变化的物理、生理、心理综合人机工效分析。

有了天空光环境模拟系统装置，设计师们就能在试验环境中完成驾驶舱照明性能评估、驾驶舱眩光评估、客舱情景照明性能评估、显示器等设备自动调光验证等试验，通过实现基于时间、空间变化的天空光环境，减少飞行试验及对特定天气环境的依赖，实现从飞行试验、机上地面试验到试验室试验的转变。

此外，天空光环境模拟系统还能有效支撑民用飞机照明系统相关设备、驾驶舱各仪器仪表、内饰内设产品等基础技术、设备研制研究，可辐射航空航天各类产品、道路交通、轨道交通、船舶舰艇、建筑等与天空光环境相关的领域。