Nur Fliegen ist schöner
Durch die große Fensterfront des dunkelgrauen, kubischen Gebäudes fällt der Blick in eine hell erleuchtete Halle, in deren Mitte eine haushohe Kugel steht: Schon von außen weckt das Air Vehicle Simulatorzentrum AVES des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik in Braunschweig Interesse. Beim Betreten setzt sich das Spiel aus geometrischen Formen, strahlendem Licht und klaren Kontrasten fort. Die Atmosphäre wirkt beinahe klinisch, wie in einem Reinraum. Die weiß-grauen Module ringsum sind beeindruckend groß, geben ihre Funktion aber nicht sofort preis. Erst bei genauerem Hinsehen erkennt man Schriftzüge und Bauteile, die an Luftfahrzeuge erinnern.
Wer die Module betritt, taucht augenblicklich in eine andere Umgebung ein: dunkler, enger, dicht gefüllt mit farbigen Schaltern und Displays. Im vollwertigen Cockpit stellt sich sofort das Gefühl ein, in einem startbereiten Luftfahrzeug zu sitzen. Diese Immersion ist kein Nebeneffekt, sondern ein zentrales Ziel der Anlage. Dr. Holger Duda vom Institut für Flugsystemtechnik und verantwortlich für AVES formuliert es so: „Man soll vergessen, dass man in einem Simulator sitzt.“
AVES ist in seiner Kombinationsvielfalt, Vernetzungsfähigkeit und wissenschaftlich-technischen Ausrichtung weltweit einzigartig. Unterschiedliche Luftfahrzeuge und Missionsprofile lassen sich hier realitätsnah simulieren – ebenso neue Konzepte für Flugsteuerungen, Anflugverfahren oder Assistenzsysteme. Forschenden, Luftfahrzeugbesatzungen sowie Entwicklungs- und Technikteams stehen verschiedene Cockpit- und Arbeitsstationen zur Verfügung. Einige sind stationär in der Halle installiert, die meisten lassen sich jedoch in die kugelförmige, bewegliche Simulatorplattform in der Hallenmitte integrieren. Ihre Anwendungszwecke sind divers, gemein sind ihnen jedoch der hohe Grad an Flexibilität für Soft- und Hardware, die hohe Simulationsgüte und der Fokus auf den Menschen.
Simulation zu Realität und zurück
Wie eng Simulation und reale Flugerprobung miteinander verzahnt sind, zeigt das Projekt LNAS (Low Noise Augmentation System). Darin unterstützten Assistenzsysteme Pilotinnen und Piloten bei leiseren Anflugverfahren – etwa durch möglichst spätes Ausfahren der Landeklappen und des Fahrwerks.
Die Entwicklung begann im originalgetreuen Airbus-A320-Cockpitmodul des AVES. Die Simulationsergebnisse wurden dabei um Lärmkarten ergänzt, die das DLR gemeinsam mit Beteiligten an ausgewählten Flughäfen erstellt hatte. Anzeigen, Steuerung sowie die Wechselwirkung aus Flugmodell und individuellem Verhalten der Cockpitbesatzung wurden so weit ausgearbeitet, bis das Verfahren nahtlos in den realen Flugbetrieb überführt werden konnte. „Die Technik für LNAS können wir im AVES zu annähernd hundert Prozent fertig entwickeln“, sagt Duda. Anschließend wurden die Anflüge mit dem DLR-Forschungsflugzeug Airbus A320 ATRA an den Flughäfen Frankfurt und Zürich getestet und dort später von der Lufthansa im Linienbetrieb weitergeführt.
Auch für das Forschungsflugzeug ISTAR, eine modifizierte Dassault Falcon 2000LX, bildet der Simulator eine maßgebliche Entwicklungsumgebung. Mit dem Flugzeug sollen künftig automatisierte Cockpitsysteme, Assistenzfunktionen sowie optimierte Flugverfahren erprobt werden. Bevor jedoch umfangreiche Umbauten oder Softwareanpassungen erfolgen, entwickeln und erproben Teams aus verschiedenen Bereichen des DLR die entsprechenden Konzepte im Simulator. Die realitätsnahe Nachbildung von Cockpit und Flugeigenschaften schafft für die Besatzung ein vertrautes Umfeld: Standardprozeduren laufen routiniert aus dem Muskelgedächtnis ab, während neue Systeme gezielt beobachtet und bewertet werden können.
Ein wichtiges Ziel ist beispielsweise die Nachrüstung des klassisch hydromechanisch gesteuerten Forschungsflugzeugs mit einer zusätzlichen digitalen Fly-by-Wire-Steuerung. Datenprotokolle, Schnittstellen und Zuverlässigkeit lassen sich vorab im Simulator testen – effizient und ohne Risiko für Mensch und Material. Anschließend wird im realen Flugversuch überprüft, was zuvor am Boden entwickelt wurde. Darüber hinaus lassen sich im Simulator auch völlig andere Luftfahrzeuge darstellen: von stufenlosen Landeklappen über besonders schlanke Tragflächen bis hin zu komplett neuen Flugzeugkonzepten. „Wir können beispielsweise auch einen konzeptionellen modernen Nurflügel-Airliner simulieren“, erklärt Duda.
Aber der Austausch funktioniert in beide Richtungen, denn Messdaten realer Forschungsflüge fließen auch zurück in die Simulationssoftware. So verbessern sie kontinuierlich die Flugmodelle. In manchen Bereichen erreichen diese Modelle inzwischen eine Genauigkeit, die mit der von Herstellerfirmen oder Trainingssimulatoren vergleichbar oder diesen sogar überlegen ist. Die langjährige Transfer-Expertise nutzen auch Industrieunternehmen wie Zulieferer von Software-, Avionik- oder Steuerungssystemen, um gemeinsam mit dem DLR neue Produkte vor ihrer Markteinführung intensiv zu testen und zu optimieren.
Gesteigerte Wahrnehmung im Einsatz
Im Cockpitmodul des Hubschraubers EC135 liegt der Fokus neben neuer Steuerungstechnik auf der Integration neuer Assistenzsysteme. Ein Beispiel ist der Einsatz von Augmented-Reality-Technologien über eine sogenannte HoloLens – eine transparente Brille, die zusätzliche Informationen direkt in das Sichtfeld der Pilotinnen und Piloten projiziert. Bei manchen Flugmanövern bewegen sich Hubschrauber in geringer Höhe durch komplexe Umgebungen in unmittelbarer Nähe von Stromleitungen, Gebäuden, Vegetation oder durch tiefliegenden Nebel.
Das stellt ein erhebliches Risiko dar. Digital eingeblendete Flugpfade sowie die Warnung vor Hindernissen durch Lidar-Sensoren unterstützen selbst unter schlechten Sichtbedingungen bei der Navigation und erhöhen die Sicherheit. Hubschrauber benötigen eine besonders präzise Simulation, da sie sehr sensible Flugzustände wie den Schwebeflug einnehmen können. In früheren Projekten ersetzten die DLR-Fachleute die konventionelle Steuerung deshalb bereits durch eine sogenannte Fly-by-Light-Technologie. Dabei werden Steuerbefehle über Glasfaserleitungen statt Kupferkabel oder gar Seile übertragen. Auch hier begann die Entwicklung im Simulator, bevor sie in den realen Flying Helicopter Simulator (FHS) – den EC135-Forschungshelikopter des DLR – übernommen wurde.
Arbeitslast und Passagierkomfort
Im jüngsten Simulator des AVES ist das Cockpit einer D328 von Deutsche Aircraft nachgebildet. Abgesehen von den grundlegenden physischen Steuerelementen überwiegen großformatige Displays. Dies ist in modernen Flugzeugen zunehmend Standard, ermöglicht aber auch eine hohe Flexibilität bei der Darstellung von Funktionen und Informationen. Mit diesem Modul werden unter anderem Single-Pilot-Operations in der zivilen Luftfahrt erforscht. Neben sicherheitstechnischen Fragen spielt vor allem die Belastung des einzelnen Besatzungsmitglieds eine zentrale Rolle: Ermüdung, eintönige Phasen oder zusätzliche Aufgaben müssen ausgeglichen werden. Das DLR entwickelt dafür Assistenzsysteme, die beispielsweise mithilfe künstlicher Intelligenz die Arbeitslast reduzieren, die Aufmerksamkeit durch visuelle oder akustische Signale steigern und die Übersicht im Cockpit verbessern. Auch organisatorische, physische und psychische Aspekte wie Schicht- und Ruhezeiten, Monotonie und Stimulation werden in den Studien berücksichtigt.
Eine besondere Rolle spielt die eingangs erwähnte Kugel: Mehr als 60 Rechner und 15 Projektoren schaffen ein Sichtfeld von 240 Grad und versetzen das Modul samt Insassen in Bewegung. Diese als „Motionsimulator“ bezeichnete Anlage vermittelt in vielen Experimenten durch Roll- und Hubbewegungen ein realistisches Gefühl für Fluglagen oder Turbulenzen. Ihr Potenzial entfaltet sie jedoch besonders dann, wenn das Kabinenmodul integriert ist.
In dieser beweglichen Passagierkabine können bis zu 16 Probandinnen und Probanden an Studien teilnehmen. Untersucht wird hier der Passagierkomfort, etwa die Wahrnehmung von Turbulenzen oder die Akzeptanz von virtuellen Außensichten.
Die Kabine besitzt keine klassischen Fenster, sondern Monitore, die die Außenwelt basierend auf live übertragenen Kamerabildern darstellen. Ergänzend kommen Virtual-Reality-Brillen zum Einsatz, die völlig unterschiedliche Umgebungen oder gar den Blick durch das Luftfahrzeug hindurch visualisieren können. Gerade hier verschmelzen reale, virtuelle und erweiterte Realität besonders deutlich.
Mit intensiver Immersion, modularer Architektur, hoher Realitätsnähe und der engen Verzahnung von Simulation und realem Flugbetrieb bietet das AVES eine außergewöhnliche Forschungsumgebung für die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Die Zukunft der Luftfahrt lässt sich nirgendwo realistischer erfahren.
Ein Beitrag von Daniel Beckmann aus dem DLRmagazin 180.
