ELABORATO DI LAUREA CERTIFICAZIONE DI SIMULATORI DI VOLO CIVILI E MILITARI IN COLLABORAZIONE CON. Matr. 517/1261

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE (Classe delle lauree in Ingegneria Industriale n 10) Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale ELABORATO DI LAUREA CERTIFICAZIONE DI SIMULATORI DI VOLO CIVILI E MILITARI IN COLLABORAZIONE CON RELATORE Ch.mo Prof. Agostino De Marco CO-RELATORE Ch.mo Ing. Giuseppe Lupoli CANDIDATO Calise Giuseppe Matr. 517/1261 ANNO ACCADEMICO

2 Alla mia famiglia A tutte le persone che hanno creduto in me A chiunque ha un sogno e tutti i giorni lotta per realizzarlo A chi, come me,non smette di sognare «Hai mai fatto un sogno tanto realistico da sembrarti vero? E se da un sogno così non ti dovessi più svegliare? Come potresti distinguere il mondo dei sogni da quello della realtà?» dal film The Matrix di Andy e Larry Wachowski

3 INDICE CAPITOLO I : INTRODUZIONE AI SIMULATORI PER ADDESTRAMENTO DEL PERSONALE NAVIGANTE DI VOLO CENNI STORICI L ADDESTRAMENTO DEL PERSONALE NAVIGANTE DI VOLO TIPOLOGIE DI SIMULATORI CARATTERISTICHE HARDWARE DI UN SIMULATORE DI VOLO Struttura di un FFS con Motion System Visual System & Cockpit Section Esempio di un FFS con MOTION System Struttura di un FFS con Cockpit fisso Cockpit Section Visual System Esempio di un FFS con COCKPIT fisso Instructor Operator Station CARATTERISTICHE SOFTWARE DI UN SIMULATORE DI VOLO Il modello dinamico Risoluzione delle equazioni del moto 38 CAPITOLO II : CERTIFICAZIONE DI UN SIMULATORE DI VOLO RIFERIMENTI NORMATIVI DISPOSITIVI DI SIMULAZIONE DEFINIZIONI DI OPERATORE E DI UTILIZZATORE DI FSTD REQUISITI DELL OPERATORE DI FSTD Organizzazione dell Operatore di FSTD Sistema di Gestione della Qualità dell Operatore di FSTD Installazione e mantenimento in efficienza dell FSTD Aggiornamento dell FSTD Operatività dell FSTD 54 I

4 2.5 DOCUMENTAZIONE TECNICA RICHIESTA PER LA QUALIFICAZIONE DI UN FSTD Qualification Test Guide Instructor Operation Manual Manuale dell Operatore Quality Manual e Quality Assurance Programme REQUISITI TECNICI MININI PER LA QUALIFICAZIONE DI UN FSTD LE PROVE DI QUALIFICAZIONE L Objective e il Subjective Test La prima Certificazione Le linee-guida per la Qualificazione di un FSTD Le tolleranze previste per il test di Qualificazione Il Validation Test QUALIFICAZIONE DELLE MODIFICHE EFFETTUATE SU UN FSTD QUALIFICAZIONE DI UN SIMULATORE DI VOLO MILTARE Esempi di test di qualifica di un simulatore di volo militare 92 CAPITOLO III : CASO STUDIO : IL SIMULATORE DI RICERCA DEL CENTRO DI COMPETENZA TRASPORTI DELLA REGIONE CAMPANIA TEST S.C.A R.L DESCRIZIONE DEL SIMULATORE Cockpit Section Motion System Control Loading Software ALCUNE CONSIDERAZIONI 103 CONCLUSIONI : IMPORTANZA DELLA QUALIFICAZIONE DI UN FSTD 108 APPENDICE A : CENNI DI FISIOLOGIA DEL VOLO 110 APPENDICE B : FLIGHT SIMULATOR STANDARDS 119 APPENDICE C : FSTD QUALIFICATI DALL ENAC 134 Riferimenti e Bibliografia 140 II

5 INDICE DELLE FIGURE Figura 1-1 Link Trainer 1 Figura 1-2 VMS di NASA Ames 3 Figura 1-3 Piattaforma di Stewart a 6 gradi di libertà 17 Figura 1-4 Interno del Cockpit di un FFS con Motion System 21 Figura 1-5 Schema strutturale del VMS di NASA Ames 23 Figura 1-6 Un FFS reale senza Motion System 26 Figura 1-7 Schermo sferico (Visual System) per un simulatore di volo di velivoli militari 30 Figura 1-8 Schema strutturale di un tipico FFS statico 30 Figura 1-9 Esempio di una tipica Stazione Istruttore 33 Figura 1-10 Schema a blocchi dell FDM 39 Figura 2-1 FFS di livello B del Cessna Caravan prodotto da FRASCA International Inc. 44 Figura 2-2 Esempio di FNTP distribuito da CAE con pannelli di controllo touch-screen 46 Figura 2-3 Esempio di un tipico simulatore strumentale e procedurale 46 Figura 2-4 Domanda di valutazione per la Qualificazione di un FSTD 57 Figura 2-5 Modello di certificato di Qualificazione di un FSTD da parte di ENAC 68 Figura 2-6 Specifica di Qualificazione di un FSTD 69 Figura 3-1 Disposizione dei sistemi nella zona di simulazione 95 Figura 3-2 Comandi di volo 97 Figura 3-3 Piattaforma di movimentazione 99 Figura 3-4 Leva di carico della barra 100 Figura 3-5 Configurazione hardware del simulatore 101 Figura Appendice A-1 Visualizzazione dei moti di beccheggio(a), rollio(b) e imbardata(c) 113 III

6 INDICE DELLE TABELLE Tabella 1-1 Simulazione visiva delle manovre militari (requisiti tipici di un velivolo ad ala fissa) 27 Tabella 2-1 Requisiti minimi di Qualificazione di un simulatore di volo 59 Tabella 3-1 Caratteristiche della piattaforma di movimentazione 98 IV

7 ACRONIMI E ABBREVIAZIONI ATC BITD COA DSV ENAC FAA FDM FFS FNPT FOV FSTD FTD FTO GCA HMD IOS JAA MQTG MEL PDA PIO QTG R&D SOC STD TACAN TRTO VMS WAC WIDE Air Traffic Control Basic Instrument Training Device Certificate of Authenticity Direzione Standard Volo Ente Nazionale per l Aviazione Civile Federal Aviation Administration Flight Dynamic Model Full Flight Simulator Flight and Navigation Procedure Trainer Field Of View Flight Simulation Training Devices Flight Training Device Flight Training Organization Ground Controlled Approach Helmet Mounted Display Instructor Operating Station Joint Aviation Authorities Master Qualification Test Guide Minimum Equipment List Personal Digital Assistant Pilot Induced Oscillation Qualification Test Guide Research & Development Statement Of Compliance Synthetic Training Device UHF Tactical Air Navigation Aid Type Rating Trainig Organization Vertical Motion Simulator Wide Angle Collimated Wide-angle Infinity Display Equipment V

8 INTRODUZIONE La possibilità di poter riprodurre le condizioni reali, i comportamenti caratteristi e di poter verificare le modifiche effettuate su un qualsiasi progetto, hanno fatto sì che la Simulazione, nella sua accezione più generale, sia diventata fondamentale per lo studio delle prestazioni dei velivoli e per l addestramento del personale navigante. Infatti, si può dire che nell ambito della simulazione del volo, «l obiettivo principale di tale attività consiste nel fornire uno strumento semplice per lo studio della risposta in manovra di velivoli appartenenti a categorie diverse, l analisi dei modi propri del velivolo e la comprensione dei meccanismi di valutazione della qualità di volo e delle caratteristiche di manovrabilità dell aeromobile» 1. Tuttavia, poiché ogni sistema ed, in particolare, ogni velivolo è unico, un ambiente di simulazione non può essere universale, nel senso che, per ogni classe di velivoli e/o per ogni tipo, configurazione e modello di velivolo, è necessario uno specifico sistema di simulazione. È pur vero che possono esistere, però, alcuni casi in cui uno stesso sistema di simulazione venga utilizzato per riprodurre la dinamica di più velivoli, anche appartenenti a classi diverse, come è il caso dei software di simulazione cosiddetti commerciali, quali Flight Simulator, FlightGear, X-plane, etc.; ma, se si fa riferimento ai simulatori (di volo) ingegneristici, l unicità di ogni velivolo richiede un simulatore di volo che sia dedicato esclusivamente a quel particolare modello e tipo di velivolo. Ciò presenta il vantaggio fondamentale di poter riprodurre esattamente il comportamento dello stesso, preoccupandosi di riprodurne non solo la dinamica, ma anche l ambiente fisico nel quale il personale navigante ed, in particolare, il pilota si troverà ad operare, con l ambizione di essere una riproduzione fedele del velivolo reale. Dunque, quando parliamo di simulazione di volo bisogna pensare ad un complesso sistema di elementi che tenta di riprodurre le esperienze vissute durante il volo e con il quale possono anche essere stabilite alcune specifiche 1 Progetto e Sviluppo di Simulatori di Volo per Applicazioni Didattiche, 3 Convegno Tecnico Scientifico del MIMOS, Torino Introduzione VI

9 di progetto del velivolo stesso. Da ciò risulta evidente il ruolo fondamentale che i simulatori di volo hanno nella formazione del personale navigante. Infatti, esso consente di addestrare il personale navigante alle procedure normali e di emergenza, in maniera più sicura rispetto all utilizzo del velivolo reale; inoltre, le situazioni riproducibili sono molteplici e variano dalla rottura di uno o più motori, al malfunzionamento dei sistemi idraulici, di pressurizzazione e dei comandi di volo. Però, affinché il simulatore di volo possa essere utilizzato per l addestramento, è necessario che riceva la Certificazione all addestramento: l Autorità nazionale per l aviazione civile ha il compito di verificare che il simulatore abbia le qualità necessarie per essere conforme alle norme internazionali che regolano l ambito della simulazione del volo. In Italia, questo compito è affidato all ENAC (Ente Nazionale per l Aviazione Civile), il quale si preoccupa di verificare la corrispondenza del simulatore alle norme JAR-STD 1A, JAR-STD 2A, JAR-STD 3A e JAR-STD 4A, specifici per i simulatori di volo di velivoli ad ala fissa (i simulatori di volo per gli elicotteri sono regolate dalle norme JAR-STD 1H, JAR-STD 2H e JAR-STD 3H). Nel primo capitolo verranno illustrati gli aspetti fondamentali e caratterizzanti dei simulatori utilizzati per l addestramento del personale navigante, con particolare attenzione alle caratteristiche hardware e software: in base ad esse, infatti, si può fare una prima classificazione delle varie tipologie di Flight Simulation Training Device (FSTD). Nel secondo capitolo verranno affrontati gli aspetti principali della Certificazione di un simulatore di volo. Dopo aver analizzato gli elementi caratterizzanti di un sistema di simulazione e averne compreso la complessità, si proverà ad affrontare il seguente problema: «Consideriamo di aver a disposizione tutte le specifiche software e hardware necessarie a realizzare un simulatore di volo per un particolare velivolo: quali sarebbero i passi necessari da compiere affinché possa essere utilizzato per l addestramento del personale navigante?». Infine, nel terzo capitolo, verrà analizzato il dispositivo di simulazione disponibile presso l Università di Napoli. Il sistema è un laboratorio di simulazione unico, nel senso che è un simulatore che utilizza un software di simulazione open Introduzione VII

10 source chiamato FlightGear, associato ad una piattaforma di Stewart a sei gradi di libertà e ad un Control Loading. In sostanza, nel corso della trattazione, si cercherà di presentare le caratteristiche necessarie che un simulatore di volo deve possedere affinché possa essere certificato ed utilizzato per l addestramento del personale navigante di volo. Introduzione VIII

11 Capitolo 1 INTRODUZIONE AI SIMULATORI PER ADDESTRAMENTO DEL PERSONALE NAVIGANTE DI VOLO 1.1 CENNI STORICI L esigenza di creare un sistema per la simulazione del volo nacque essenzialmente durante la Prima Guerra Mondiale, quando sembrò indispensabile addestrare il pilota a seguire un obiettivo ed utilizzare le armi a disposizione. Il primo sistema fu realizzato nel 1929 in America da Edwin Link: il Link Trainer, questo era il nome del sistema prodotto dal signor Link, era essenzialmente una piattaforma pneumatica che permetteva la riproduzione dei moti di beccheggio, rollio e imbardata. In questo sistema, il pilota aveva a disposizione una copia di un Cockpit generico, con il quale poteva addestrarsi al volo strumentale, in maniera meno rischiosa e meno dispendiosa rispetto all utilizzo di un velivolo reale. Dunque, si può considerare che il Link Trainer abbia segnato la nascita dell attuale industria della simulazione del volo. Figura 1-1 Link Trainer Capitolo I 1

12 Il primo simulatore di volo per una compagnia aerea fu acquistato solo nel Sebbene non avesse né un sistema di movimentazione, né un sistema di visualizzazione, il Cockpit e la strumentazione erano riprodotti in maniera molto efficace, cosicché l addestramento del personale navigante fu notevolmente migliorato. I sistemi di visualizzazione più antichi utilizzavano delle foto del terreno che venivano mostrate al pilota in sequenza; tali foto erano effettuate da una telecamera che sorvolava uno scenario artificiale fisso. La telecamera era sensibile alle manovre del pilota, consentendo di variare lo scenario in risposta all azione di controllo. Così, però, solo piccole porzioni di territorio potevano essere simulate e, di solito, erano solo quelle zone attorno all aeroporto; nelle simulazioni militari, invece, veniva utilizzato un territorio generico sul quale veniva piazzato qualche obiettivo. Solo verso la fine degli anni 50, i simulatori furono equipaggiati con un sistema di movimentazione completo. Nel 1954, la futura L3 Communications sviluppò un simulatore dinamico, che utilizzava un Cockpit fissato su una struttura di supporto metallica. Questa era capace di 3 gradi di libertà, relativi all angolo di beccheggio, all angolo di rollio e all angolo di imbardata. Nel 1964, tale sistema fu migliorato, aumentando le escursioni possibili di tali angoli fino a 10. Dal 1969, i sistemi di movimentazione furono sviluppati mediante l utilizzo di attuatori idraulici, capaci di controllare ciascuno degli assi di movimento: il simulatore, così, poteva avere fino a sei gradi di libertà (beccheggio, rollio, imbardata, surge, heave, sway). L avvento dei calcolatori digitali, nella simulazione del volo, avvenne solo negli anni 60. A partire dal 1977, le compagnie aeree cominciarono ad adottare le moderne configurazioni cab, dove i calcolatori erano alloggiati nella zona del Cockpit, piuttosto che in una zona esterna alla cabina di pilotaggio; le strumentazioni, quando il sistema di movimentazione non era in funzione, erano comandate da segnali elettrici che venivano trasmessi con opportuni cablaggi. In questo periodo, fu anche sviluppata una nuova tecnologia di visualizzazione. Nel 1972, venne realizzato un sistema dei visualizzazione che, mediante delle lenti convergenti, uno specchio e un semi riflettente, consentiva al pilota di visualizzare le immagini del mondo esterno dal finestrino del Cockpit. Ciò aumentò notevolmente il realismo della simulazione, anche se ognuno dei monitor poteva offrire solamente un campo visivo di poco superiore ai 28 ; tuttavia, lo scopo fondamentale del sistema era fornire una visione realistica e ciò veniva realizzato efficacemente. Nel 1976, vennero introdotti i monitor con un più ampio Capitolo I 2

13 angolo di visualizzazione, i cosiddetti Wide Angle Collimated (WAC) windows. Solo nel 1982, furono introdotti i Wide-angle Infinity Display Equipment (WIDE) che usavano uno specchio curvo di grandi dimensioni, il quale permetteva di aumentare la distanza focale e garantire al pilota una visuale più ampia, da un lato all altro del campo visivo. Oggi, i sistemi di visualizzazione WIDE sono quelli universalmente utilizzati per i simulatori FFS di più alto livello. Inoltre, l utilizzo di attuatori elettrici per i sistemi di movimentazione, più economici rispetto al sistema ai pistoni idraulici, ha consentito una diffusione su larga scala dei Full Flight Simulator (FFS), fin anche ad essere utilizzati per piccoli velivoli da trasporto civile. Figura 1-2 VMS di NASA Ames Capitolo I 3

14 1.2 L ADDESTRAMENTO DEL PERSONALE NAVIGANTE DI VOLO Il volare non è uno stato naturale per il corpo umano. Molti dei nostri sensi e istinti, per così dire, naturali, possono essere ingannati durante una situazione innaturale come il volo. Diverse sono le ragioni di questo stato confusionale: le accelerazioni angolari, le accelerazioni lineari, le vibrazioni, alcune condizioni uniche di luminosità e di percezione del moto, la dissonanza tra ciò che ci si aspetta di percepire durante la manovra e ciò che realmente si percepisce, etc.. Queste ed altre cause realizzano delle condizioni particolari per le quali il cervello e il corpo umano sono portati a reagire in maniera anche discorde o comunque inaspettata; l effetto risultante è una interruzione della connessione tra pensiero ed azione, tra ciò che si pensa di fare e ciò che effettivamente il corpo compie. Tale separazione può esprimersi in diversi modi, a partire da una momentanea perdita di orientamento ad un vero e proprio stato di confusione, il cosiddetto disorientamento spaziale, causa principale di numerosi incidenti aerei. La maggiore conoscenza, le nuove e più aggiornate strumentazioni di bordo e i miglioramenti dei metodi di controllo dell aereo, insieme con una migliore conoscenza del fenomeno, hanno permesso di limitare gli effetti negativi del disorientamento spaziale ed hanno anche fornito al pilota un modo per riconoscerla. Tuttavia, è evidente che, per permettere al pilota di comprendere come fronteggiare una tale situazione, sia indispensabile il ruolo dell addestramento al simulatore, durante il quale egli può sviluppare adeguatamente la cosiddetta Situation Awareness. Infatti, egli deve imparare a riconoscere lo stato di cattiva percezione o di pericolo e ad utilizzare gli aiuti derivanti dal volo strumentale, per compiere le opportune azioni correttive. Perciò, la necessità di migliorare la Situation Awareness e di dover addestrare il pilota ad utilizzare correttamente gli strumenti ha fatto sì che la simulazione diventasse fondamentale per aumentare il livello di sicurezza globale del volo. Oggi, i simulatori di volo, sia civili che militari, hanno una notevole rilevanza per quanto riguarda l addestramento del personale navigante, tanto che vengono Capitolo I 4

15 utilizzati sia nella fase di prima formazione del personale navigante, sia nell addestramento avanzato e sia nelle fasi di conversione del personale da un tipo di velivolo ad un altro tipo. Sia che l addestramento preveda il solo utilizzo del simulatore o il suo utilizzo a supporto dell addestramento in volo, il sistema di simulazione, in entrambi i casi, deve poter garantire un elevato livello di corrispondenza della simulazione al velivolo reale, allo scopo di non pregiudicare le abilità di manovra del pilota durante il volo e non richiedere un elevato tempo di adattamento del pilota al velivolo reale. L addestramento al simulatore presenta notevoli vantaggi. Innanzitutto, il primo riguarda la riduzione dei costi di addestramento: infatti, anche se i sistemi di simulazione presentano ancora dei costi iniziali elevati, le spese richieste durante le fasi di addestramento risultano notevolmente minori rispetto a quelle che si avrebbero con l utilizzo del velivolo completo, a causa dei costi di gestione e manutenzione relativi, consentendo così di ammortizzare la spesa per l acquisto del simulatore dopo un certo numero di esecuzioni della simulazione. Il secondo e, forse, più evidente, riguarda la sicurezza delle operazioni svolte: spesso, infatti, l addestramento consiste nell abituare il pilota a fronteggiare le operazioni inusuali di funzionamento del velivolo, come possono essere quelle conseguenti ad un malfunzionamento. Quando l addestramento a queste situazioni veniva effettuato sul velivolo reale, si notò, addirittura, che gli incidenti erano più frequenti in fase di addestramento che durante le situazioni reali di pericolo; pertanto, evidentemente, l esecuzione di tali operazioni al simulatore ha garantito sia di non esporre il pilota e l istruttore a potenziali situazioni di pericolo, sia un ulteriore ottimizzazione dei costi e sia una maggiore riproducibilità degli eventi. Proprio il fatto di poter riprodurre le operazioni di volo con una frequenza maggiore rappresenta uno degli argomenti fondamentali a favore dell utilizzo dei simulatori di volo per l addestramento. Infatti, una discussione sempre attuale, e che ci si pone sin dalla nascita dei simulatori, è quella che riguarda l efficacia dell addestramento al simulatore. Riguardo all efficacia, è necessario porre in luce che proprio la simulazione del volo ha consentito un miglioramento della qualità Capitolo I 5

16 dell addestramento, nel senso sia dell ottimizzazione dei tempi d addestramento (eliminazione dei tempi morti tra le manovre), che del comfort del volo: ciò è stato possibile, da un lato, grazie al fatto di poter riprodurre più volte una stessa manovra, cosa non sempre possibile durante l addestramento in volo, e, dall altro, grazie all elevato livello di fedeltà raggiunto dai simulatori. Inoltre, non bisogna dimenticare che, proprio grazie alla simulazione del volo, è possibile addestrare il pilota in un gran numero di situazioni avverse (scarsa visibilità, vento a traverso sulla pista, volo in nube, ), per le quali l addestramento in volo richiedeva che tali situazioni si verificassero, e ciò poteva anche non accedere abbastanza frequentemente, come richiesto dalle sessioni di addestramento. Nella definizione delle caratteristiche che il simulatore deve possedere, per essere efficace all addestramento, giocano un ruolo fondamentale sia l acquirente del simulatore, sia il legislatore, sia il produttore. Il primo deve individuare le caratteristiche richieste al dispositivo di simulazione in relazione allo specifico programma di addestramento e, una volta definiti, scegliere il dispositivo più adeguato agli scopi d addestramento, descrivendo dettagliatamente le specifiche richieste al dispositivo. Inoltre, egli ha anche il compito di indicare come sarà utilizzato il simulatore e come sarà garantita la sua manutenzione. Una volta definite le caratteristiche del dispositivo, il legislatore, ovvero l Autorità nazionale per l Aviazione Civile, deve assicurare che il personale navigante venga addestrato adeguatamente e che le loro competenze siano regolarmente controllate e certificate. A tale scopo, egli definisce tutta una serie di criteri che il dispositivo, se deve essere utilizzato per l addestramento, è obbligato a corrispondere. Infine, il ruolo del produttore entra in gioco nel creare la rappresentazione più realistica possibile del comportamento del velivolo reale nell ambiente simulato, nella maniera più efficiente possibile sia per quanto riguarda i costi, sia per i compiti d addestramento. Tuttavia, i simulatori di volo rappresentano solo uno dei possibili dispositivi di addestramento; ma, la loro notevole importanza sta nel fatto che consentono di eliminare l addestramento in volo, i relativi pericoli e costi, e di migliorare efficacemente molte delle abilità del pilota. Capitolo I 6

17 L addestramento del personale navigante di volo e del pilota sono indispensabili specialmente per la prevenzione di molti casi di incidente aereo. Infatti, molti sono da attribuire ai cosiddetti human factors, cioè ad una generale inadeguatezza delle decisioni e delle azioni eseguite dal personale navigante durante una particolare situazione di volo, mentre solo alcuni di essi sono dovuti a cattive condizioni meteorologiche o malfunzionamenti del velivolo. Pertanto, la prevenzione degli incidenti aerei non può non passare per il miglioramento delle abilità cognitive (cognitive skills) e delle abilità psico-motorie (perceptual-motor skills) del personale navigante. Le abilità classificate con il termine perceptual-motor skills comprendono, in sostanza, tutti i mezzi che il pilota possiede per riconoscere la condizione di moto a cui è sottoposto. Pertanto, esse possono essere assunte come coincidenti con gli organi sensoriali del pilota, cioè con quelli che consentono ad un individuo di percepire il suo stato di moto. In generale, tutti gli organi sensoriali possono essere chiamati in causa per la percezione del moto; ma, senza dubbio, i principali sono quello visivo, quello vestibolare e quello tattile/somatosensoriale. Le abilità psicomotorie del pilota, dunque, dipendono dalle caratteristiche di ciascuno di questi organi sensoriali e, dal momento che, il volare non rappresenta una naturale condizione di moto dell individuo, si può facilmente intuire come sia fondamentale addestrare il pilota a riconoscere correttamente le sollecitazioni provenienti da ciascuno degli organi sensoriali. Con il termine cognitive skills, invece, vengono classificati tutti i processi cognitivi che si riferiscono a funzioni mentali impegnative, come la memoria, l attenzione e il ragionamento simbolico, le quali, in alcune condizioni, possono richiedere un elevato sforzo mentale del pilota. In realtà, per estensione, il termine cognitive skills si può riferire a tutti quei compiti di pilotaggio che dipendono dalle capacità cognitive del pilota, come la gestione del personale navigante, il planning, le comunicazioni, il problem-solving e la decision-making. Queste abilità, a differenza di quelle psico-motorie, in generale, non possono essere allenate contemporaneamente, Capitolo I 7

18 e, per di più, il carico di lavoro richiesto per apprenderle ed utilizzarle dipende fortemente dal livello di esperienza del pilota. Da quanto detto è evidente che l ambiente di simulazione deve essere capace di fornire alti livelli di fedeltà non solo per la simulazione visiva o delle qualità di manovra, ma anche nella valutazione e l addestramento delle abilità cognitive del pilota, in modo da abituarlo a tutti i carichi di lavoro che deve affrontare durante il volo del velivolo. Gli human factors sono dipendenti da entrambe le tipologie di abilità: da un lato, quelle cognitive, cioè un buon judgment 2, decision-making e Situation Awareness; dall altro, quelle psico-motorie, con l abitudine ai carichi di lavoro richiesti e al riconoscimento delle particolari sollecitazioni motorie del volo. Per quanto riguarda le cognitive skills, il judgment e la decision-making possono essere condizionate fortemente da altri fattori esterni, come la personalità del pilota, il modo di reagire ad una situazione di pericolo, il suo stato emotivo, psicologico, morale e sociale. Tali fattori condizionano il pilota nel senso che gli impediscono di prendere una good decision, compromettendone il risultato. Sebbene la Situation Awareness sia da includere nelle cosiddette cognitive skills, essa risulta fortemente dipendente anche dalle perceptual-motor skills. Una buona Situation Awareness si basa su una accurata Situation Assessment, ovvero su una corretta valutazione degli eventi. Tale Situation Assessment non è altro che un processo di riconoscimento e valutazione della situazione, attraverso il quale vengono controllate e affrontate le condizioni avverse. Dunque, una tempestiva e accurata Situation Assessment viene ottenuta grazie alle abilità di percezione e di osservazione dei fenomeni e ad una piena comprensione della natura del problema, frutto di una intensa attività della sfera cognitiva in termini di esperienza e conoscenza. Il processo di riconoscimento (recognition) del problema parte dalla percezione degli 2 Il judgment rappresenta il processo cognitivo attraverso il quale viene presa una decisione. Tale decisione rappresenta una good decision quando viene presa in relazione al grado di consapevolezza, alla rapidità della comprensione della situazione e all abilità di riconoscere il giusto corso degli eventi. Capitolo I 8

19 stimoli sensoriali, i quali, se non riconosciuti in tempo e accuratamente, possono compromettere la stessa Situation Assessment. Una volta riconosciuta l esistenza di un problema, il secondo passo è quello della valutazione: in questa fase, occorre capire quale sia la natura del problema, allo scopo di operare le opportune operazioni correttive. La Situation Awareness è il risultato di una buona Situation Assessment ed è adeguata quando un pilota riesce a comprendere l ambiente che lo circonda, decidere come gestire i fattori esterni e, poi, scegliere le migliori azioni da compiere. Da alcuni studi effettuati da NASA è risultato che una cattiva Situation Assessment rappresenta una delle principali cause di incidenti aerei: essi dipendono principalmente dalla inabilità del personale navigante di riconoscere e comprendere il problema con cui hanno a che fare. Quindi, poter addestrare adeguatamente il pilota per migliorare la sua Situation Awareness è importantissimo per prevenire queste tipologie di incidente aereo e per limitare i fenomeni di disorientamento spaziale, potenziando il legame tra sfera cognitiva e psico-motoria. 1.3 TIPOLOGIE DI SIMULATORI In linea di massima, un simulatore di volo si compone di alcuni sistemi principali che sono: o Cockpit Section; o Motion Platform; o Visual System; o Audio environment; o Control Station. Durante la simulazione, i suddetti sistemi assicurano che il pilota possa riprovare alcune condizioni sperimentate durante il volo. In particolare: la cabina di pilotaggio (Cockpit Section) riproduce gli equipaggiamenti, i pannelli, gli strumenti ed i controlli, che devono essere capaci di simulare il comportamento connesso all interazione con il mondo esterno; Capitolo I 9

20 il sistema di movimentazione (Motion Platform) deve simulare le accelerazioni lineari e angolari che il pilota subisce durante le manovre; il sistema di visualizzazione (Visual System) ha il compito di fornire sufficienti dettagli insieme ad un ampio e profondo campo visivo, per addestrare il pilota a compiere missioni che richiedono una rapida e accurata assimilazione delle informazioni dal mondo esterno; l ambiente audio (Audio environment) contribuisce a determinare una esperienza completa del moto del velivolo, attraverso la riproduzione dei suoi suoni caratteristici; la stazione di controllo (Control Station) permette all istruttore di seguire l evoluzione del volo e di analizzare successivamente la missione. Ognuno di questi sistemi richiede conoscenze e requisiti di progetto opportuni, che non rientrano negli scopi della trattazione. Ciò che qui si vuole sottolineare è che, se un sistema di simulazione deve essere usato per l addestramento del personale navigante, è necessaria una approvazione delle Autorità nazionali, come la Civil Aviation Autorithy (UK), l ENAC (IT), la Joint Aviation Authority (EU) o la Federal Aviation Administration (USA). Tali Autorità hanno il compito di garantire che l addestramento al simulatore, svolto dal personale navigante, sia adeguato, verificando la corrispondenza del simulatore agli standard internazionali di Certificazione. I simulatori di volo (Full Flight Simulator, FFS) possono essere classificati, macroscopicamente, in due categorie distinte: o quelli in cui il Cockpit è solidale ad una piattaforma mobile che riproduce le accelerazioni iniziali delle manovre (FFS con Motion System, paragrafo 1.6.1); o quelli in cui il Cockpit è fisso ed immerso in uno scenario virtuale che collabora a riprodurre gli effetti del moto del velivolo, come vengono avvertiti dal pilota (FFS con Cockpit fisso, paragrafo 1.6.2). Sebbene il primo approccio sia utilizzato prettamente nell ambito dei simulatori di volo commerciali, mentre il secondo sia essenzialmente adoperato per quelli militari, Capitolo I 10

21 entrambi devono avere l obiettivo di realizzare una riproduzione quanto più fedele possibile delle condizioni in cui il pilota si trova ad operare. 1.4 CARATTERISTICHE HARDWARE DI UN SIMULATORE DI VOLO Molti considerano che, affinché la simulazione del volo possa essere realistica, sia necessario stimolare il sistema sensoriale del pilota in maniera analoga a quanto egli sperimenta sul velivolo; in realtà, se si analizzassero le informazioni utilizzate da ciascun apparato sensoriale del pilota, si noterebbe che solo una piccola parte di tutte le stimolazioni sensoriale, fornite da un moderno simulatore di volo, vengono effettivamente utilizzate: infatti, solo alcuni elementi dello scenario visualizzato dal pilota e solo una piccola parte di tutti i movimenti complessi di un velivolo sono realmente necessari all esecuzione dei compiti di missione e sono utilizzati con frequenza dal pilota. Inoltre, riprodurre il moto del velivolo completo non è un operazione semplice, dal momento che sarebbe necessario ricreare, al suolo, tutte le accelerazioni avvertite dal pilota durante il volo. In generale, per riprodurre un accelerazione, occorre un movimento macroscopico del simulatore, la cui ampiezza dipende dall entità dell accelerazione: maggiore è l accelerazione, più grande è lo spostamento richiesto al simulatore. Invece, le accelerazioni angolari possono essere realizzate anche solo con una rotazione attorno a un dato punto dello spazio. Pertanto, riprodurre questo tipo di accelerazioni è meno difficoltoso rispetto alle accelerazioni lineari, in quanto è teoricamente possibile riprodurle senza la necessità di una traslazione del dispositivo. In ogni caso, molti movimenti e sollecitazioni complesse, associate all azioni di controllo del pilota, richiedono che un simulatore di volo sia capace di produrre contemporaneamente sia delle rotazioni che delle traslazioni. I requisiti necessari per fornire tali sollecitazioni dipendono dalla scelta progettuale; ogni scelta progettuale comporta dei compromessi e, ogni compromesso, determina una limitazione degli effetti riproducibili. In generale, non è possibile stabilire, a priori, quale sia la scelta progettuale corretta; invece, è molto importante Capitolo I 11

22 comprendere quali sono le condizioni che la rendono tale. Nel caso del Motion System, si può considerare che una buona scelta di progetto debba possedere almeno due caratteristiche: la prima riguarda il fatto che non debbano essere presenti dei disturbi di natura meccanica che possono compromettere le abilità di pilotaggio del velivolo; il secondo riguarda, invece, il modo in cui viene mossa la piattaforma di movimentazione, la quale non deve presentare moti spuri percettibili. La capacità di compiere entrambi questi obiettivi, cioè di avere disturbi non riscontrabili e movimenti artificiali impercettibili, dipende dal fatto che l uomo riconosce le sollecitazioni motorie solo in alcune condizioni, mentre le altre sollecitazioni, che non corrispondono a tali condizioni, non ne influenzano la sua risposta. Pertanto, i simulatori di volo possono essere di diverso tipo, a patto che riescano a realizzare tali obiettivi. I sistemi FFS dotati di sistema di movimentazione della cabina, detti in gergo dinamici, si basano sulla assunzione che, affinché il pilota possa riprovare le sensazioni vissute durante il volo, il velivolo simulato deve produrre le accelerazioni avvertite dal pilota durante il volo: il pilota sfrutta proprio queste accelerazioni per stabilizzare e manovrare il velivolo, nonché capire quando si verifica un guasto, una vibrazione anomala o una turbolenza. Un altra classe di FFS, detti statici, sono quelli privi di sistema di movimentazione. In essi, gli effetti delle accelerazioni si possono valutare semplicemente attraverso la dinamica degli strumenti del Cockpit o dalle variazioni delle immagini visualizzate relative al mondo esterno che viene simulato; ma, poiché il pilota sente l aereo anche e soprattutto con il movimento avvertito dai suoi sensi, è necessario stimolarli adeguatamente affinché la simulazione sia soddisfacente. Una parte essenziale della simulazione del volo è legata alla generazione e alla visualizzazione del mondo esterno al Cockpit. Nei sistemi di visualizzazione, la parte competente all elaborazione delle immagini è comandata da un calcolatore che esegue una porzione di codice, competente alla produzione delle immagini, in relazione alla posizione, all assetto e allo stato di moto del velivolo. Più in generale, Capitolo I 12

23 però, quando si parla di Visual System, non si intendono le caratteristiche del software, ma si punta l attenzione essenzialmente alle componenti hardware del sistema. A seconda che il simulatore di volo sia utilizzato per l addestramento civile o militare, il compito del sistema di visualizzazione è diverso: nel primo caso, le manovre più frequenti da simulare sono l atterraggio e il decollo, mentre, nel secondo caso, esistono anche delle altre manovre che sono indispensabili per un velivolo militare. Tuttavia, tutti i sistemi di visualizzazione debbono avere necessariamente: una fonte dati da cui recuperare le informazioni sul territorio e gli oggetti da simulare; un metodo di manipolazione dei dati che consente una corretta elaborazione di una visione prospettica; un complesso di dispositivi hardware per visualizzare la prospettiva elaborata. Infine, il sistema di visualizzazione deve anche essere in grado di degradare la scena visualizzata, allo scopo di simulare le condizioni di scarsa visibilità o altre condizioni atmosferiche avverse. In ogni caso, le modalità con le quali si può realizzare un sistema di visualizzazione sono essenzialmente tre: o con un sistema di proiettori (Projection System); o mediante un metodo diretto di visualizzazione (Direct View System); o con una visione diretta/collimata (Direct View/Collimated System). Oltre alla presenza di un Motion System e di un Visual System, allo scopo di ottenere un livello elevato di fedeltà del simulatore, vanno introdotti altri elementi essenziali per un Full Flight Simulator, come un ambiente audio, un sistema di controllo dei carichi e un abitacolo caratteristico del tipo e del modello di velivolo da simulare. Spesso la presenza o meno di un ambiente audio adeguato alla simulazione viene sottovalutato in quanto la normativa non è particolarmente stringente a riguardo. Tuttavia, la presenza di un simile elemento è fondamentale sia per Capitolo I 13

24 l addestramento di alcune manovre, come il decollo, l approccio e l atterraggio, sia per il miglioramento del livello di realismo fornito al pilota. Infatti, avere un adeguato feedback sonoro, in seguito a un malfunzionamento (rottura di un motore, bird-stike, etc.) o a condizioni particolari di volo (onde d urto, buffeting, etc. ), contribuisce a generare nel pilota la sensazione di aver a che fare con le reali condizioni operative che potrebbe incontrare durante il volo. Infine, c è da sottolineare che i benefici prodotti dall adozione di un ambiente audio adeguato sono notevolmente maggiori rispetto ai costi necessari alla sua realizzazione. Il sistema di controllo dei carichi rappresenta un elemento importante per la simulazione in quanto consente di addestrare il pilota agli sforzi di barra che dovrà controllare e ad aumentare la sua sensibilità rispetto ai comandi di volo. Questi due aspetti sono importanti in quanto, da un lato, aumentano la resistenza alla fatica e, dall altro, consentono di ottenere quel livello di familiarità necessaria al pilota quando adopera il controllo, per garantire un adeguato livello di sicurezza durante il volo. Infine, per ricreare un ambiente che il pilota possa avvertire familiare, è indispensabile che l addestramento ad un particolare tipo e modello di velivolo, di una particolare classe, avvenga all interno di una cabina che riproduca esattamente tutte le caratteristiche del velivolo che egli dovrà governare. Nei paragrafi successivi, verranno analizzati alcuni dei suddetti sistemi in maniera abbastanza dettagliata, in modo da fornire al lettore un idea generale sulla struttura di un FFS STRUTTURA DI UN FFS CON MOTION SYSTEM Gli FFS dinamici prevedono sia una piattaforma mobile di movimentazione, sia un sistema di visualizzazione e sia un sistema per il controllo dei carichi, i quali, sincronizzati adeguatamente, consentono la simulazione del volo. Il sistema di movimentazione è generalmente caratterizzato dalle sue escursioni massime, dalle sue velocità e delle sue accelerazioni per ogni grado di libertà. Esso è Capitolo I 14

25 essenzialmente una piattaforma a sei gradi di libertà (Stewart platform o Hexapod) che, attraverso il moto coordinato e contemporaneo di 6 pistoni idraulici, permette la riproduzione degli spostamenti lineari (heave, sway e surge) e delle rotazioni (pitch, roll e yaw). La piattaforma ha anche la funzione di essere una base sulla quale ancorare la cabina; l insieme della cabina e dalla base, in cui sono alloggiati altri sistemi ausiliari, è collegato ai sei pistoni che riproducono le accelerazioni del velivolo: in generale, essi sono capaci di fornire escursioni di circa +/- 35, per le rotazioni, e di un metro, per gli spostamenti. Ai fini della simulazione, è importantissimo che la piattaforma riproduca solo le accelerazioni che sono caratteristiche del velivolo: perciò, va fatta un attenta valutazione dell entità delle accelerazioni spurie, che inevitabilmente nascono dai fenomeni di risonanza con la struttura portante, i servomeccanismi e gli altri componenti del simulatore, e progettare il sistema in modo da evitare condizioni di risonanza, che comunque non possono essere del tutto eliminate. Ad eccezione di alcune particolari condizioni di volo, è importante rilevare che nessuna piattaforma di movimentazione, di qualsiasi dimensione, può muovere un Cockpit in maniera esattamente uguale alla realtà fisica; ma, al massimo, può dare al pilota una percezione accettabile delle accelerazioni inerziali dovute al moto. Da ciò, l obiettivo deve essere quello di realizzare un moto della piattaforma tale che, nella posizione del pilota, si possano avvertire delle accelerazioni angolari e lineari, dovute ai carichi inerziali, con una approssimazione accettabile. Attraverso le accelerazioni iniziali del moto, il pilota può sperimentare una particolare forza, dovuta ad una raffica, ad una turbolenza o ad una manovra, e valutare la risposta del velivolo. Ai fini della simulazione, poiché il corpo umano è più sensibile alle accelerazioni che non ai movimenti a velocità costante, ha maggiore importanza l accelerazione impressa alla cabina, piuttosto che un suo moto a velocità costante. Inoltre, essendo le escursioni dei pistoni comunque limitate, è necessario utilizzare una particolare tecnica, detta acceleration onset cueing, che consenta sia di superare i limiti connessi alle escursioni massime dei pistoni, sia di ottenere un soddisfacente livello di realismo: la piattaforma di movimentazione, dopo l accelerazione iniziale, viene arrestata lentamente e, a velocità costante, viene fatta Capitolo I 15

26 ritornare nella sua posizione iniziale, pronta per una successiva accelerazione. Questo processo è gestito automaticamente dal calcolatore del simulatore e prende il nome di washout phase. In alcune configurazioni, la piattaforma di Stewart può anche essere accoppiata ad un sedile particolare, le cui cinture vengono tese e rilasciate adeguatamente: in questo modo, mediante un opportuna tensione, è possibile riprodurre alcune altre forze agenti sul pilota; poi, quando la sua soglia di percezione delle sollecitazioni non è più sensibile, queste vengono rilasciate. Da ciò è evidente che la calibrazione di tutti questi sistemi non è, né può essere, un operazione banale, in quanto deve tener conto delle suddette soglie di percezione del corpo umano. Esse dipendono sia da quali apparati sensoriali sono sollecitati durante la simulazione e sia dalla frequenza propria di risposta dello specifico apparato. Inoltre, la piattaforma di movimentazione è fondamentale anche per l addestramento del pilota al volo strumentale. Infatti, quando il pilota è costretto ad operare in condizioni avverse o di scarsa visibilità, egli deve essere capace di distinguere i movimenti del velivolo connessi al pilotaggio da quelli dovuti ad un disturbo; così, con la possibilità di riprodurre, durante l addestramento, le condizioni operative più sfavorevoli possibili, egli può e deve imparare a distinguere le sollecitazioni derivanti dal moto del velivolo completo da quelle dovute ad un disturbo, per evitare di ritrovarsi in condizioni pericolose, e riconoscere la condizione di disorientamento spaziale (cfr. Appendice A). Il sistema di controllo dei carichi ha lo scopo di riprodurre, sui comandi del pilota, le forze di reazione alle manovre. Per ottenere ciò, il sistema deve riprodurre correttamente la variazione della forza avvertita dal pilota sui controlli, in tutte le condizioni operative del velivolo. La causa prima di tali forze è legata ai carichi aerodinamici sulle superfici di controllo. La simulazione dei carichi sui comandi può avvenire mediante dei sistemi passivi o attivi: i sistemi passivi utilizzano l energia meccanica di un sistema massamolla-smorzatore o di un sistema frenante elettromagnetico, mentre i sistemi attivi usano sistemi elettro-idraulici controllati da segnali analogici o digitali. Il vantaggio Capitolo I 16

27 dei sistemi attivi, che, nella maggior parte dei casi, hanno rimpiazzato quelli passivi, consiste nelle minori resistenze in gioco e nel fatto che gli elementi idraulici possono essere comandati tramite un semplicissimo segnale elettrico che apre o chiude una elettrovalvola. Inoltre, i sistemi attivi, a differenza di quelli passivi, sono capaci di esplicare tali forze anche quando il pilota non esercita l azione di controllo. Per applicare la forza di reazione sul controllo del pilota è indispensabile riconoscere la forza che il pilota esercita sul controllo ovvero rilevare la posizione del comando stesso. Essa viene rilevata tramite una cellula di carico, che è essenzialmente un potenziometro. Poi, una volta nota la posizione del comando, vengono calcolate via software le forze di reazione da applicare sul controllo e, infine, applicate sui controlli del pilota, il quale li avverte come un ritorno di forza per effetto della manovra. Figura 1-3 Piattaforma di Stewart a 6 gradi di libertà Capitolo I 17

28 Visual System & Cockpit Section Nei FFS dinamici, il pilota è immerso in una copia fedele della cabina di pilotaggio del velivolo che dovrà essere in grado di pilotare: perciò la struttura del Cockpit e i suoi equipaggiamenti dipendono dal velivolo simulato. La cabina è fissata alla piattaforma di Stewart e riceve da esse tutte le forze e le accelerazioni che vengono sperimentate dal Cockpit fisico durante il volo. Alcune piattaforme, per la loro particolare costruzione, che prevede un interfaccia universale con la cabina, permettono di poter utilizzare più di un Cockpit. In generale, quando il simulatore è dedicato a velivoli di grandi dimensioni, all interno della cabina può essere presente anche l istruttore insieme al pilota; ma, per i velivoli più piccoli, come quelli acrobatici o da combattimento, necessariamente, l istruttore deve essere fuori da essa. Per garantire che all interno del Cockpit ci sia tutta la strumentazione disponibile sul velivolo reale, vengono utilizzati degli strumenti che, a prima vista sono esattamente uguali a quelli reali, ma il cui funzionamento è generalmente controllato da un computer dedicato. Inoltre, per alcuni di essi, sono necessarie elevate pressioni per funzionare, come quelle che si sviluppano durante il volo; altri problemi, poi, sono legati alla connessione degli strumenti con i sensori e al funzionamento stesso degli strumenti che misurano gli effetti giroscopici e accelerometrici, i quali utilizzano il telaio dello strumento come riferimento fisso. In tutti questi casi, gli strumenti possono essere sostituiti con degli altri, esattamente identici, che sono controllati elettronicamente. Inoltre, se si volessero usare gli stessi strumenti utilizzati per un velivolo reale, ciò sarebbe anche notevolmente più costoso. Infatti, essendo soggetti a numerosi cicli operativi, che diminuiscono il tempo medio tra due rotture, sarebbero necessarie delle manutenzioni molto frequenti, con costi elevati. Tutti questi problemi possono essere risolti modificando lo strumento. Ad esempio, se consideriamo un virosbandometro, la pallina dello strumento viene sostituita e i circuiti rivisti, introducendo una nuova interfaccia elettrica, con Capitolo I 18

29 amplificatori, potenziometri e motori, in modo che sia possibile ottenere uno strumento simulato esattamente corrispondente a quello reale. Questo accorgimento consente di aumentare la vita operativa dello strumento, anche se, in alcuni casi, ne complica l installazione all interno del Cockpit, poiché le dimensioni dello strumento simulato, in generale, possono risultare maggiori di quello reale. Per quanto riguarda il Visual System, normalmente, in un FFS dinamico di un velivolo commerciale, il sistema hardware di visualizzazione è costituito da un Direct View System. Tale sistema è quello più semplice da realizzare, poiché è essenzialmente costituito da una serie di semplici monitor, alloggiati negli spazi corrispondenti ai finestrini del Cockpit. In questa configurazione, il pilota riceve l immagine del mondo esterno come viene direttamente visualizzata su un normalissimo schermo (del tipo CRT, LCD o al plasma). Ciascun monitor, poi, viene gestito dal modulo software, che non solo produce l immagine da visualizzare, ma coordina anche le sequenza delle immagini da inviare ad ogni schermo. Uno dei vantaggi del Direct View System è sicuramente il fatto che il pilota possa avere la sensazione di trovarsi effettivamente all interno del velivolo reale. Inoltre, come è facile comprendere, il sistema è molto semplice, facilmente installabile (non ci sono specchi da focalizzare o proiettori da puntare opportunamente) e consente un elevato livello di luminosità e risoluzione delle immagini, grazie all utilizzo di schermi di dimensioni non troppo elevate. Tuttavia, se si volesse realizzare un ampio Field Of View (FOV), analogo a quello che si utilizza nei FFS senza Motion, sarebbe necessario un elevato numero di monitor affiancati, con un notevole aumento dei costi di realizzazione. Per quanto riguarda la qualità della visualizzazione, il principale svantaggio è connesso all errata percezione della profondità dell immagine: infatti, quando l immagine viene osservata da una distanza all incirca minore di un metro, si può avere una cattiva percezione delle dimensioni dell oggetto visualizzato. Alcuni studi hanno mostrato che, a tale distanza, un oggetto sembra più piccolo del 15-30% rispetto a quanto appare ad una distanza adeguata, pregiudicando così l abilità del pilota di riconoscere la distanza corretta da un oggetto, stimando le sue dimensioni. Capitolo I 19