Symulatanie

Wkrótce po tym, jak bracia Wright wznieśli się po raz pierwszy w powietrze, stało się jasne, że nauka latania to zupełnie nowe wyzwanie. Tu nie ma miejsca na pomyłki, a drobny błąd początkującego pilota kończy się spektakularną katastrofą. Już w pierwszej dekadzie XX wieku zaczęto budować "samoloty zastępcze" - urządzenia mające przygotować adeptów lotnictwa do tego, co czeka ich w powietrzu. Jeden z pierwszych, "Sanders Teacher", był po prostu samolotem umocowanym na potężnym przegubie. Uczeń sterował maszyną, a nauczyciel wychylał ją tak, by zachowywała się, jakby leciała. Inną pionierską konstrukcją był fragment beczki umocowany na ruchomej obręczy. Siedzący wewnątrz pilot miał okazję zasmakować wrażeń podobnych do tych, jakie zapewniają ewolucje w powietrzu.

W tym czasie o lataniu zaczął marzyć niejaki Edwin Albert Link, młody Amerykanin, który pracował w rodzinnej wytwórni organów i fortepianów. Niestety, brakowało mu pieniędzy na wynajem samolotu, paliwo i kosztowny kurs pilotażu, a nieco praktycznej wiedzy zdołał zdobyć, kołując samolotem przyjaciela po niewielkich lotniskach. Wreszcie w 1929 roku kupił samolot zabawkę, podobny do tych, które bujają się po wrzuceniu monety. Wykorzystując wiedzę o tłokach, miechach i pompach stosowanych w organach, Link zbudował pierwszy symulator z prawdziwego zdarzenia. W jego konstrukcji ruchy drążka sterowniczego przekładały się na precyzyjne wychylenia całego samolotu, a pilot uczył się korzystać z zainstalowanych wewnątrz przyrządów wziętych z prawdziwej maszyny.

Wynalazek Edwina Linka pozostałby może ciekawostką, gdyby nie seria dramatycznych katastrof, jakie wydarzyły się na początku lat 30. W tym czasie korpus powietrzny armii amerykańskiej rozpoczął przewożenie poczty. Loty odbywały się regularnie, niezależnie od pogody. Już w pierwszych tygodniach w katastrofach tragicznie zginęło kilkunastu pilotów wojskowych. Okazało się, że zawsze uczyli się latać przy dobrej widoczności i szybko gubili się w chmurach czy mgle, nie umiejąc dobrze wykorzystywać przyrządów.

Link zdążył rozwinąć swój wynalazek, założył niewielką szkołę uczącą właśnie latania za pomocą przyrządów i wreszcie sprawił sobie samolot. Pewnego mglistego dnia 1934 roku grupa oficerów zjawiła się u niego, chcąc poznać nowe urządzenie, a Edwin Link zaskoczył ich efektownym lądowaniem przy fatalnej pogodzie. To wystarczyło, by przekonać wojskowych - od ręki zamówili sześć pierwszych urządzeń, płacąc po 3500 dolarów za sztukę. Te wczesne symulatory z czasem rozbudowywano, zamykając kabinę, dodając radio i coraz bardziej zaawansowane urządzenia z prawdziwych samolotów. W czasie II wojny światowej fabryka Linka wyprodukowała ponad 10 tysięcy symulatorów lotu zwanych "niebieskimi pudełkami".

Choć Edwin Link umarł w 1981 roku, jego firma wciąż działa. To właśnie Link Simulation & Training dostarcza kluczowe elementy do najbardziej zaawansowanych w Polsce symulatorów lotu, które działają w bazie lotniczej w Krzesinach, gdzie stacjonują myśliwce F-16. Paradoksalnie "F-16 Aircrew Training System" jest zupełnie nieruchomy - za to wyposażony w ogromny, dziewięcioelementowy ekran, który otacza kabinę symulatora, zapewniając obraz obejmujący 360 stopni.

Większość współczesnych symulatorów wojskowych to konstrukcje nieruchome. Potężne kabiny na ogromnych siłownikach hydraulicznych są najczęściej symulatorami maszyn pasażerskich. Samoloty wojskowe wykonują zbyt gwałtowne manewry, by taka ruchoma skrzynia zdołała oddać choćby ogólne wrażenie lotu. Cała energia inżynierów skupia się za to na możliwie realistycznym oddaniu pola walki, przeciążenia pozostawiając wirówkom.

Jeszcze w latach 50. zaczęto wyposażać symulatory w system udający widok z kabiny. Pierwsze rozwiązanie polegało na umieszczeniu przed pilotami telewizorów, na których wyświetlany był obraz z kamery sunącej nad makietą odwzorowującą prawdziwy teren. Ruchy drążka przenoszone były na wysięgnik z kamerą i gdy pilot pochylał samolot, obraz odpowiednio się przesuwał. Oczywiście teren był mocno ograniczony i zwykle przedstawiał okolice lotniska czy planowane miejsce wojskowej misji. Gdy drzewa były trójkątne

W latach 60. zaczęły się eksperymenty z obrazami generowanymi komputerowo - początkowo były to po prostu świetlne punkty, które nieźle oddawały nocny widok z samolotu. Później wprowadzono zespół soczewek rzutujących obraz dający wrażenie głębi, a w latach 80. symulatorami zawładnęły komputery.

Jeszcze 15 lat temu obraz generowany przez potężne superkomputery graficznie przypominał gry, w które dziś grywamy na telefonach komórkowych. Wzgórza były kanciaste, drzewa - trójkątne, a wrogie obiekty - zaledwie schematyczne. Dziś obraz do złudzenia przypominający film bez problemu generują domowe komputery, a maszyny stosowane w największych symulatorach dają pełne złudzenie unoszenia się nad prawdziwą ziemią.

Wdrażany właśnie przez amerykańską armię projekt Flight School XXI ma wydłużyć czas, jaki piloci helikopterów spędzają podczas szkolenia w symulatorach. Obecnie to 17 procent lotów treningowych, jednak wkrótce nawet połowa wszystkich startów odbywać się będzie w wirtualnej rzeczywistości.

Na Flight School XXI składają się trzy typy symulatorów. Najbardziej na wyobraźnię działa Operational Flight Trainer, potężna maszyna umieszczona na siłownikach zapewniających ruch we wszystkich płaszczyznach. Otacza ją ekran z folii mylarowej - ultracienkiego materiału, który NASA wykorzystuje do budowy żagli słonecznych. Zespół rzutników wyświetla obraz obejmujący kąt 200 stopni - tyle, ile może zobaczyć pilot prawdziwego helikoptera. Siedzący wewnątrz człowiek ma całkowite złudzenie lotu - wibracje, dźwięk, wyposażenie wnętrza są identyczne z tymi w normalnej maszynie. W takim symulatorze ćwiczy się między innymi sytuacje awaryjne - siedzący w pomieszczeniu kontrolnym technicy są w stanie odtworzyć trafienie rakietą, wyciek paliwa, uszkodzenie silnika czy wirnika. Piloci po 45 minutach symulacji wychodzą z wnętrza kompletnie mokrzy i wyczerpani.

Nieco mniejszy stopień realizmu zapewnia Instrument Flight Trainer, który daje węższe pole widzenia i odtwarza tylko ciągłe wibracje silnika. Tu ćwiczy się lot bez widoczności z użyciem samych tylko przyrządów, nawigację czy odnajdywanie celów.

Trzeci komponent systemu Flight School XXI, Reconfigurable Collective Training Device (RCTD), tylko na pierwszy rzut oka wydaje się najprostszy. Tu pilot siada przed szarym, martwym ekranem, a przed sobą ma panel udający kokpit helikoptera. Niektóre przyciski i wyświetlacze faktycznie działają, inne są tylko atrapami.

Magia zaczyna się, gdy człowiek wkłada na głowę dziwnie wyglądający hełm. Dwa niewielkie projektory umieszczone po bokach rzucają obraz na przezroczyste szybki znajdujące się przed oczami pilota. System śledzi położenie głowy i wyświetla trójwymiarowy obraz zmieniający się w zależności od tego, gdzie patrzy człowiek. Gdy spogląda przed siebie, zamiast szarego ekranu widzi teren za oknami kabiny. Gdy opuszcza wzrok, część obrazu znika i przez przezroczystą szybkę widać kokpit z wyświetlaczami i przełącznikami. Po co to wszystko, skoro można zastosować klasyczny ekran? Otóż RCTD to system mobilny - sześć stanowisk odpowiadających trzem helikopterom wraz z centrum kierowania mieści się w jednym kontenerze. Połączenie dwóch takich kontenerów pozwala na jednoczesne prowadzenie symulacji lotu aż sześciu helikopterów uczestniczących we wspólnej misji.

Ponieważ i tak niemal wszystko odbywa się w pamięci komputera, w ciągu półtorej godziny można zmienić konfigurację symulatora tak, że zamiast szturmowego śmigłowca AH-64A Apache żołnierz kieruje ogromnym dwuwirnikowym CH-47 Chinook lub leciutkim OH-58D Kiowa Warrior. Wszystko sprowadza się do wymiany paneli i wgrania nowego oprogramowania.

System RCTD można przewozić jako naczepę tira lub załadować do samolotu transportowego. Dzięki temu, szykując na przykład atak na pozycje wroga gdzieś w Afganistanie, piloci mogą na miejscu wielokrotnie przećwiczyć całą akcję, dopracować szczegóły. RCTD wprowadzane do amerykańskiej armii również produkuje firma Link Simulation & Training - jej moduł nosi nazwę HELCATT.

Choć armia wykorzystuje najwięcej symulatorów lotniczych, to najbardziej wyspecjalizowane systemy stosowane są w lotnictwie cywilnym. Tu nie jest potrzebna mobilność czy elastyczność konfiguracji, za to liczy się stuprocentowy realizm. Chodzi o to, by piloci całkowicie wczuli się w sytuację - symulowany może być cały lot lub jego kluczowy etap, na przykład podejście do lądowania lub sytuacja awaryjna. W tego typu systemach kabina pilotów odtwarzana jest z najwyższą dokładnością, a widok za oknem jest identyczny z obserwowanym podczas prawdziwego lotu. Kapsuła symulatora porusza się zależnie od przebiegu lotu, jednak nie próbuje idealnie powtarzać zachowania samolotu. Niemożliwe jest wytworzenie przeciążenia czy siły odśrodkowej, więc ruchy mają za zadanie wytworzyć u pilota reakcje podobne do napięcia mięśni kierowcy podczas hamowania.

Takie urządzenia w mniejszym stopniu służą uczeniu nowych pilotów - ich główne zastosowanie to ciągłe doskonalenie stale latających załóg. Zdarza się też, że symulatorów używają specjaliści zajmujący się badaniem katastrof lotniczych. Po odczytaniu z czarnej skrzynki ostatnich minut lotu można dokładnie powtórzyć sekwencje ruchów sterami czy przepustnicą i sprawdzić, jak w danej sytuacji zachowywał się samolot. Dzięki takim eksperymentom odkryto kiedyś, że jeden z modeli Boeinga może w szczególnych warunkach stracić stabilność. Błąd konstrukcyjny prawdopodobnie spowodował katastrofę, jednak wykrycie przyczyny awarii pozwoliło wyeliminować usterkę.

Dziś konstruktorzy mówią, że symulatory stały się niemal idealne. Wciąż jednak trwają prace nad systemami, które pozwolą lepiej odtwarzać ruchy kadłuba czy jeszcze bardziej realistycznie pokazywać widok za oknami kabiny. Potem może przyjdzie czas na trójwymiarowe ekrany? Sporo jest jeszcze do zrobienia.

Piotr Stanisławski