Fullflight-Simulatoren

1. ProFlight: Ein Erlebnisbericht

2. Technik moderner Fullflight-Simulatoren

3. Geschichte der Trainings-Simulatoren

Moderne Fullflight-Simulatoren: Die perfekte Illusion
Im Cockpit herrscht rege Betriebsamkeit. Draußen fährt ein Pushback-Truck an das Flugzeug heran, der Ramp Agend bittet darum, die Parking-Brakes zu lösen. Langsam schiebt der Truck das Flugzeug auf die Münchner Taxiway und zieht nach vollbrachter Arbeit von dannen. Der Kapitän schiebt die Schubhebel nach vorn... bum-bump - bum-bump ... das Flugzeug rollt über die Betonplatten der Rollwege in Richtung Startbahn.

Realität? Simulation? Virtuelle Realität gepaart mit einer realen Cockpit-Umgebung: Die Cockpit-Crew sitzt im CAE Canadair CRJ-700 Simulator der CST Berlin (CityLine Canadair Simulator und Training GmbH Berlin) in Berlin Schönefeld. Einem der modernsten Simulatoren weltweit.

Modernste Simulatortechnik in Berlin-Schönefeld

Diese überzeugende Illusion wird bei heutige Flugsimulatoren erst dadurch möglich, da sie im Kern auf Computesimulationen basieren. Dies ermöglicht eine Nachbildung der für die Sinnestäuschung benötigten Umweltdaten wie Grafik, Geräuschkulisse und Beschleunigungen sowie die größtmögliche Flexibilität der Simulation selbst. Im Gegensatz zu Ihren historischen Vorgängern können moderne Simulatoren nicht nur einen Flugzustand simulieren, sondern flexibel auf Umwelteinflüsse eingehen.

Es ist möglich, das Flugzeug in die verschiedensten Regionen oder auf die verschiedensten Flughäfen dieser Welt zu setzen. Dabei ist egal, ob das Flugzeug sich im Reiseflug, im Anflug oder auf der Runway befinden soll. Auch kann der Instructor das Wetter, die Sichtweiten und die Tageszeit beliebig einstellen.

Um die Ausbildung der Piloten zur Beherrschung von Ausnahmesituationen durchzuführen, stehen dem Ausbilder neben der Veränderung der "Umwelt" auch verschiedenste Möglichkeiten zur Verfügung, die Systeme des Flugzeugs zu beeinflussen. Dies reicht vom einfachen Ausfall einer Sicherung bis hin zu einem Triebwerksbrand und einem Kolbenbruch. Aber nicht nur interne Probleme können simuliert werden. So werden Piloten zum Beispiel von kreuzendem Verkehr überrascht, der plötzlich auf dem TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System) als Raute erscheint. Legt man es darauf an, ist das andere Flugzeug natürlich auch im virtuellen Luftraum zu sehen!

Flight Compartment (grün), Visual (rot), Motion-System (blau)
Simulator (1), Relais (2), Hydraulikoumpen/Klimaaggregate (3)

Die Bestandteile eines Simulators
Der eigentliche Simulator gliedert sich in verschiedene Teile. Zum einen ist dies das Flight Compartment. In diesem ist das komplett originalgetreue Cockpit des simulierten Flugzeugmusters nachgebildet. Zusätzlich ist darin auch der Arbeitsplatz des Flight Instructors untergebracht.

Das Flight Compartment ist mit Hilfe einer Hydraulik, dem Motion-System, entlang der sechs Freiheitsgerade, drei translatorisch und drei roatatorisch, beweglich. Dazu müssen im Falle des Canadair CRJ-700 Simulators 13 Tonnen Masse bewegt werden. Mit Hilfe dieser Hydraulik ist es möglich, sowohl Beschleunigungen als auch g-Kräfte zu simulieren. Natürlich hat diese Art der Simulaton von Beschleunigungen einige Limitationen. So können Kurvenbeschleunigungen nur bis zu einem gewissen Grad und lang anhanhaltene Beschleunigungen entlang der Hochachse nur bedingt nachgebildet werden.

Den Haupteffekt der Simulation liefert aber das "Visual" genannte Sichtsystem. Dies ist die visuelle Nachbildung und Darstellung der Umwelt in dem sich die Simulation abspielt. Das Visual-System setzt sich zum einen aus der Projektion und zum anderen der Bilderzeugung zusammen. Die Bilderzeugung ist ein System, dass anhand der Position, Fluglage und Wetterdaten der Simulation eine computergenerierte Grafik aufbaut. Besonders dieser Teil der Simulatoren hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erlebt. Die Projektion wirft mit Dreifarb-Projetoren das erzeugte Bild indirekt auf eine Projektionsfläche. Diese ist so konstruiert, dass die Lichtstrahlen parallel reflektiert werden. Der Vorteil von parallel reflektierten Strahlen ist, dass die Piloten ein Gefühl der Sehtiefe haben und nicht der Eindruck entsteht, auf eine Leinwand zu blicken. Um diesen Effekt zu erreichen wird die Blickfläche, die beim Canadair CRJ-700 aus einer Metallfolie besteht, exakt über ein Vakuum-System fixiert.

Im Hintergrund steht "Heavy Metal": Hydraulikpumpe und Klimaanlagen (blau).

Neben diesen drei eigentlich bekannten Teilen des Simulators, also dem Flight Compartment mit Hydraulik-Aktuatoren und aufgesetzten Visual, arbeitet im angegliederten Betriebsraum ein Maschinenpark, dem normalerweise weniger Aufmerksamkeit geschenkt wird: Hier befinden sich mächtige Hydraulikpumpen, die das Hydrauliksystem mit Druck versorgen, die Klimakompressoren für die Klimaanlage der Simulatoren und die Belüftung der Geräte sowie eine elektrische Umspannung für das Bordnetz des Simulators.

Um eine Simulation nun durchzuführen, müssen natürlich alle Komponenten eng zusammenarbeiten. Jede Anzeige des Simulators und die Simulatorsysteme müssen vom Simulationscomputer gesteuert werden und jeder Input und die Daten der Flightcomputer im Flightcompartment gehen an den Simulationscomputer. Wird zum Beispiel der Schubhebel auf der Runway nach vorne geschoben, so geht diese Information an den Simulationscomputer. Dieser muß nun das Sichtsystem updaten und eine "Bewegung" darstellen. Gleichzeitig wird das Bewegungssystem benachrichtigt, das Flightcompartment nach hinten zu kippen um eine Beschleunigung zu simulieren.

Die Bordsysteme im Cockpit des Simulator "glauben" dabei übrigens, sie fliegen wirklich: Angefangen beim Geschwindigkeitsmesser über die Funknavigation bis hin zum Wetterradar werden sämtliche Bordsysteme vom Simulationscomputer mit konsistenten Daten versorgt, die im echten Flugzeug von den verschiedenen Sensoren kommen.

So wird z.B. die Geschwindigkeitsanzeige im Cockpit nicht vom Simulator direkt aktualisiert, der Simulator simuliert stattdessen das Signal der Staudruckrohre im echten Flugzeug und gibt diese Daten weiter. Die Originalsysteme im Cockpit wandeln diese Signale dann erst in eine angezeigte Geschwindigkeit um.

Flug durch die Alpen im Approach auf Insbruck im brandneuen CRJ-700 Simulator der CST Berlin.

Simulatoren - Die Sinnestäuscher
Der Simulator täuscht insbesondere vier unserer Sinne, um die Illusion des Fluges zu erreichen. Dies sind Auge, der Tast- und Bewegungssinn sowie das Ohr. Wie schon am Beispiel der Betonfugen erwähnt, macht erst die Kombination der Elemente die perfekte Illusion: Der Pilot sieht eine Terfuge in der Taxiway, sie verschwindet "unter dem Flugzeug" und in dem Moment holpert auch schon das Fahrwerk (erst vorn, dann hinten) über die kleine Unebenheit. Gleichzeitig hört er ein laues "bum-bump".

Den größten Teil der Informationen erfasst unser Gehirn visuell. Daher wird besonders viel Aufwand in die grafische Nachbildung der Umwelt gelegt. Wichtig ist, dass die Projektion nicht flach ist, sondern der Benutzer den Eindruck von Tiefe hat. Dies und die 180 Grad Sicht ist wohl der größte Unterschied zur visuellen Außendarstellung in der PC-Fliegerei. Die Qualität und Aktualität der Szenerie muß selbstverständlich auch gewartet werden, um einen hohen Grad an Realismus zu bieten. So exisitert zum Beispiel bei der CST Berlin eine eigene Abteilung, die allein für die Modellierung von Szeneriebojekten zuständig ist.

Eine Täuschung des Auges und des Tastsinns ist das Flight-Compartment. Im eigentlichen Sinne ist es gar keine Täuschung, da man beim Nachbau eines Cockpits für einen Simulator ausschließlich Originalinstrumente und Originalbauteile benutzt. Die Detailgenauigkeit im Cockpit ist natürlich von besonderer Wichtigkeit, da Piloten während eines Ausbildungsfluges alle Systeme wie im echten Flieger vorfinden müssen. Daher muß nicht nur der Kraftaufwand am Steuerhorn echt sein, sondern natürlich auch das Steuerhorn selbst.

Mit dem Motion-System des Simulators wird der Bewegungssinn überlistet. Dies geschieht im Zusammenspiel mit dem Sichtsystem des Simulators. Da dem Benutzer der Simulation keine Sicht nach außen möglich ist, können dem Gehirn durch eine Bewegung des Flight-Compartments je nach Darstellung auf dem Sichtsystem verschiedene Flugzustände vorgegaukelt werden: So kann zum Beispiel ein Kippen nach hinten genausogut eine Beschleunigung auf der Startbahn oder aber auch einen Steigflug vorgaukeln. Das Gehirn interpretiert diese Bewegung im Zusammenspiel mit dem Geschehen auf dem Sichtsystem.

Um die Wirkung der Simulation zu vervollständigen, ist eine umfangreiche Sounddatenbank im Simulator enthalten. Dies umfasst selbstverständlich die Cockpitwarnungen wie Terrainwarnungen sowie Triebwerksgeräusche. Darüber hinaus sind aber auch das Prasseln des Regens bei Gewitter, das erwähnte Überfahren der Betonfugen oder der Bruch der Kompressorwelle in der Geräuschsammlung aufgenommen.

Neben den eigentlichen Systemen des Simulators kommen für das Ausbildungsprogramm aber auch hin und wieder unkonventionelle Methoden zum Einsatz, um den Realitätsgrad zu erhöhen. So kamen zum Beispiel nach dem Swissair-Absturz, der durch einen Brand im Cockpit verursacht wurde, sogar Rauchkartuschen im Simulator zum Einsatz.

Wirtschaftlichkeit der Simulatoren
Heutige Fullflight-Simulatoren sind "custom made" und haben Lieferzeiten von 15-18 Monaten. Oftmals werden Sichtsystem, Simulator oder Hydrauliksystem bei verschiedenen Herstellern geordert und erst später zusammengefügt. Neuerdings gibt aber auch die Möglichkeit, Flugsimulatoren "off-the-shelf" zu bestellen. Dies bedeutet, dass sich der Besteller eines Simulators sein System aus den verschiedenen Teilsystemen wie dem Flight Compartment oder dem Visual nach seinen Bedürfnissen zusammenstellt und der Simulator als eine Einheit die Fabrik verläßt. Die Motivation ist die Kostensenkung auf Seiten der Hersteller und auf Seiten der Betreiber. Ein System wie der Canadair CRJ-700 Simulator kostet zum Beispiel knappe 13 Mio. Euro.

Bei Sprittfressern wie der Concorde sind Simulatoren besonders wirtschaftlich.

Damit sich die teueren Anschaffungs- und Betriebskosten für die Betreiber rechnen, wird ein Simulator sieben Tage die Woche, 24 Stunden am Tag betrieben. Lediglich ca. vier Stunden Wartung benötigt ein moderner Simulator in der Woche. Diese betrifft in der Hauptsache die Hydraulik.

Neben der technischen Wartung des Simulators muß auch noch eine Pflege des Simulationsmodells stattfinden. Dies ist auf der einen Seite das Flugmodell des Simulators. So wurde um Beispiel nach dem Lauda Air Absturz festgestellt, dass das Flugmodell, welches in den verschiedensten Simulatoren integriert war, den Flugzustand bei im Flug aktivierter Schubumkehr nicht korrekt nachbilden konnte. Hauptsächlich müssen allerdings kleiner Änderungen am echten Flugzeugmuster in den Simulator und das Flight Compartment integriert werden. Das kann der Einbau einer neuen Typs einer Kaffemaschine in die Bordküche sein, die andere elektrische Sicherungen im Cockpit benötigt, aber auch eine neue Instrumentierung im Cockpit.

Informationen hierzu finden sich in den verschiedenen aktuellen Veröffentlichungen und Dokumentenupdates der Flugzeughersteller zu ihren Mustern, die vom Simulatorbetreiber sorgfältig auf eventuell relevante Änderungen hin durchgearbeitet werden müssen.

Für große Airlines bedeutet der Betrieb eines Simulators im Schnitt eine Einsparung von zirka ein bis zwei Flugzeugen in der Flotte, die ansonsten zu Trainingszwecken eingesetzt werden müßten.

Aber besonders aus Umweltsicht und aus kostengründen rechnet sich ein Simulator: Die Kosten für eine Stunde 747-Flug sind beispielsweise 30x geringer, als eine Stunde im echten Flugzeug. Neben den wirtschaftlichen Gründen spielt natürlich auch der Sicherheitsaspekt eine Rolle. Im Simulator können gefahrlos Situationen trainiert werden, die im echten Flug die Crew gefährden würden und auch das Flugzeug zu stark beanspruchen würden.

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