Labor

Labor für Flugsimulation

 
Unbemannte Fluggeräte und Flugzeugsysteme 1

Das Labor für Flugsimulation verfügt über zwei Forschungssimulatoren, den statischen Simulator JFS² und den neuen Full-Motion-Simulator JFSM. Beide Simulatoren wurden von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts Luftfahrt / Aviation gemeinsam mit Studierenden im Rahmen von Projektarbeiten, Master-Arbeiten und Diplomarbeiten entwickelt und aufgebaut.

Der statische Flugsimulator JFS²

JFS2 wurde als Forschungssimulator konzipiert, die Aufgabenstellungen reichen dabei von Stabilitätsuntersuchungen von Flugzeugen, die sich noch in der Planungsphase befinden, über die Simulation von neuesten Fly-by-Wire Steuerungen für Kleinflugzeuge bis hin zur Entwicklung autonomer Steuerungen von UAVs, den unbemannten Fluggeräten. Durch die Verwendung innovativer Softwaretechnologien und moderner Drei-Kanal-Sichtsysteme entstand ein Hightech-Flugsimulator.

Die Berechnung der flugdynamischen Gleichungen und regelungstechnischen Algorithmen erfolgt durch numerisches Lösen von Differentialgleichungen, die die Physik des Flugzeugs nach dem letzten Stand der Technik exakt modellieren. Die Berechnung der Flugdynamik erfolgt dabei mit MATLAB/Simulink. Hierdurch unterscheidet sich dieser Simulator auch von den Flugsimulatoren, die als Computerspiel bekannt sind. Diesen Simulationsprogrammen liegt keine echte flugdynamische Berechnung zu Grunde. Lediglich für die grafische Darstellung der Außensicht wird ein kommerzielles Flugsimulationsprogramm (X-Plane 10) verwendet.

Über die primären Steuerorgane wie Sidestick, Pedale und Throttle werden vom Piloten und Copiloten im Cockpit Kommandoeingaben getätigt, welche über den CAN-Datenbus an die Simulationsberechnung gesendet werden. In der Simulationsberechnung wird der neue Flugzustand in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und der Kommandoeingaben berechnet. Die Positions- und Lagedaten werden dann weiter der Sichtberechnung übermittelt, wo die grafische Berechnung der Außensicht erfolgt. Ein Teil der Flugzustandsdaten, wie etwa Höhe und Geschwindigkeit, werden auch an das Cockpit zur Darstellung der Instrumente und Displays zurückgesendet. Außerdem gibt es über eine Konsole die Möglichkeit, in die Simulation einzugreifen um beispielsweise Ausfälle von Triebwerk und Instrumenten zu simulieren oder die Wetterbedingungen zu ändern.

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Foto: FH JOANNEUM / Stefan Leitner
Die futuristische und experimentell von Tarnkappenflugzeugen inspirierte Produktsprache entwickelte der Studiengang „Industrial Design“ der FH JOANNEUM. Form und Funktion des Simulators wurden dabei perfekt aufeinander abgestimmt.
Einsatz in Lehre und Forschung

Der Schwerpunkt des Simulators liegt im Einsatz als Forschungssimulator in der luftfahrtsspezifischen Lehre und angewandten Forschung. Studierende können ihr in den Vorlesungen erworbenes Wissen im Bereich der Flugdynamik oder Regelungstechnik sofort in die Tat umsetzen und ihre neu entwickelten Algorithmen (Basisregler, Autopiloten, Bahnregler, etc.) auf Praxistauglichkeit überprüfen.

Im Bereich der industriellen Forschung kann beispielsweise das Verhalten von neuen Flugzeugen untersucht werden, noch ehe ein Prototyp gebaut wurde. Man kann auf diese Weise in der Simulation ungünstige Flugeigenschaften erkennen und die entsprechenden Parameter optimieren – so lange bis das gewünschte Verhalten erreicht ist.

Der Full-Motion-Simulator JFSM

Im Unterschied zum JFS2 ist der kleinere JFSM als Full-Motion-Forschungssimulator konzipiert. Die Bewegungsplattform basiert auf dem mechanischen Prinzip einer Stewart-Gough-Plattform und ist in der Lage, Bewegungen in sechs Freiheitsgraden auszuführen: Verschiebungen in drei Richtungen und Drehungen um drei Raumachsen sind gleichzeitig möglich. Die Bewegung des Cockpits werden dabei von Motion-Cueing-Algorithmen berechnet, die der Pilotin beziehungsweise dem Piloten unter Berücksichtigung der gegebenen Möglichkeiten ein möglichst realistisches Flugempfinden vermitteln. Dieses Empfinden wird durch die optische und akustische Isolation zur Außenwelt zusätzlich verstärkt.

Die Eingangswerte zur Berechnung der Bewegungen können bei diesem Simulator wahlweise von kommerziellen Flugsimulationsprogrammen oder von eigens am Institut programmierten Simulationsmodellen stammen. Die berechneten Bewegungen der Plattform werden in Längenänderungen der einzelnen Linearaktuatoren umgerechnet. Um die gewünschte Bewegung der Gesamtplattform zu erreichen, werden alle sechs Zylinder synchronisiert – Eine Aufgabe die durch Einsatz einer echtzeitfähigen Software und Kommunikation über einen echtzeitfähigen Datenbus (EtherCat) gelöst wird.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Durch den modularen Aufbau des JFSM, bestehend aus der Bewegungsplattform und dem aufgesetzten Cockpit, werden vielfältige Einsatzmöglichkeiten über den Betrieb als Flugsimulator hinaus ermöglicht: So können beispielsweise Strukturen für das Fahrwerk des JXP-V einem Belastungstest unterzogen werden oder durch simulierte Beschleunigungszyklen die Flüssigkeitsverteilung in Treibstofftanks ermittelt werden. Durch die hohe Lagegenauigkeit der Plattform im Sub-Millimeterbereich ist eine Überprüfung von Sensoren zur Lagebestimmung oder "Hardware-in-the-loop"-Simulation zur Erprobung von Regelalgorithmen möglich.

Der Einsatz als Flugsimulator mit dem aufgesetzten Cockpit erlaubt es, unterschiedliche Flugszenerien mit verschiedenen Flugzeugtypen zu simulieren. Dazu ist der Aufbau des Cockpits mit generischen Steuerelementen wie Schubhebel, Sidestick und Pedalen konzipiert, flugzeugspezifische Anzeigen lassen sich über das im Armaturenbrett verbaute Touch-Panel einspielen.

Der JFSM ist explizit als Forschungssimulator im Einsatz. Durch die vollständige modulare Programmierung der gesamten Regelungs- und Steuersoftware können einzelne Module im Zuge von Lehre und Forschung nach Belieben ausgetauscht werden. Dabei können die Parameter angepasst werden und die Auswirkungen können durch Studierende praktisch erflogen und erlebt werden.