1. ábra A repülőgép-szimulátorok egyszerűsített elvi modellje
(Rolfe and Staples, 1988 után módosítva)
Dr. Bottyán Zsolt
egyetemi docens, okl. meteorológus
ZMNE BJKMK RLI Repülésirányító és Repülő-hajózó Tanszék
lbottyan.zsolt@uni-nke.hu
GONDOLATOK A REPÜLŐGÉP-SZIMULÁTOROKMETEROLÓGIAI ALRENDSZERÉNEK SZEREPÉRŐL
Bevezetés
A mai modern repülő-hajózó oktatásnak elengedhetetlen része a felkészülés korai fázisában elkezdődő szimulátoros képzési folyamat. Ennek során a hallgatók olyan - a valósághoz hasonló - mesterséges környezetben dolgoznak a földön, melynek az a szerepe, hogy a későbbi tényleges repülési körülményeket minél jobban megközelítse, visszaadja (Rolfe and Staples, 1988). A mai korszerű repülőgép-szimulátorok egyik fontos feladata a légköri környezet és annak hatásainak konzisztens csatolása és visszacsatolása a repülőgép modelljéhez. A légkörben zajló időjárási folyamatok repülésre gyakorolt hatásának figyelembe vételéhez szükséges időjárási adatok bevitelét a szimulációs rendszerbe a repülőgép-szimulátor meteorológiai alrendszere teszi lehetővé. Kulcsfontosságú tehát ennek az alrendszernek a parametrizációs struktúrája, a látványt előállító vizualizációs alrendszerrel való kapcsolata és a repülőgép modelljébe épített aerodinamikai és műszaki alrendszerrel való csatolása.
Munkánkban a repülőgép-szimulátorok meteorológiai alrendszerével kapcsolatos elvárásokat és a megvalósítások lehetőségeit tekintjük át, különös tekintettel a Microsoft Flight Simulator X szoftver meteorológiai alrendszerére, hiszen a MH ÖHP Repülésfelkészítő Osztály mindkét szimulátora ennek módosított változatát használja.
A repülőgép-szimulátorok egyszerű elvi felépítése
A korszerű repülőgép-szimulátorok egyszerűsített elvi felépítését az 1. ábrán mutatjuk be. A szimulátorok logikailag alapvetően három nagy modellből épülnek fel:
A légköri környezet-modellben jelennek meg az időjárási helyzet tulajdonságai és jelenségei, a további repülőeszközök (célok) illetve azok vizuális, valamint audio jellemzői. A repülőgép-modell a szimulációs rendszer központi része. Ebben több alrendszer van beágyazva, melyek a repülőgép geometriai jellemzőit, aerodinamikai tulajdonságait és viselkedését, a vezérlés módját, a hajtóművek karakterisztikáit, a kommunikációs és műszeres rendszer működését és katonai repülés esetében a fegyverrendszert stb. határozzák meg. A felszíni környezet-modell tartalmazza a domborzat háromdimenziós modelljét és az erre épülő mesterséges tereptárgyakat, mint pl. városokat, épületeket, növényzetet, repülőtereket és azok kiszolgáló objektumait valamint katonai alkalmazás esetén a földi célokat stb. (Rolfe and Staples, 1988).
Az 1. ábrán világosan látható, hogy a meteorológiai alrendszer bár a légköri környezet-modellbe van beágyazva, mégis fontos hatást gyakorol a másik két nagy modellre is a repülőgép-modellbe integrált aerodinamikai és műszaki, valamint a vizualizációs alrendszeren keresztül. Jelen tanulmányban a nagy modelleken belül csak azokat az alrendszereket jelöltük, melyek a meteorológiai alrendszerrel szoros kapcsolatban állnak.
1. ábra A repülőgép-szimulátorok egyszerűsített elvi modellje
(Rolfe and Staples, 1988 után módosítva)
A repülőgép-szimulátor meteorológiai alrendszere és feladatai
A repülési szimuláció során a virtuális térben ki kell alakítani és meg kell jeleníteni egy konkrét meteorológiai helyzetnek megfelelő környezetet, mely hatással van a repülőgép repülési (aerodinamikai) tulajdonságaira, és műszaki berendezéseinek működésére egyaránt. Ezt a munkát a szimulátor meteorológiai alrendszere végzi, melynek konkrétan a következő feladatokat kell elvégeznie:
A légkör fizikai állapotát ún. meteorológiai paraméterekkel adjuk meg. Ezek azonban lehetnek a már jól ismert fizikai állapotjelzők, mint pl. hőmérséklet, szélirány, légnyomás, harmatpont, látástávolság, felhőalap stb., valamint meteorológiai jelenségek, pl. csapadék, jegesedés, turbulencia, zivatar stb. Az alrendszernek tehát rendelkeznie kell egy input felülettel, melynek segítségével az említett paraméterek értékei, tulajdonságai bevihetők a szimulátor-rendszerbe.
A korszerű repülőgép-szimulátorok esetében a meteorológiai paraméterek bevitelét is egy interaktív számítógépes adatkezelő-felület segítségével oldják meg, mely grafikus elemeket is tartalmaz (2. ábra). Tekintve, hogy a repülési környezetet három dimenzióban kell előállítani, az időjárási információkkal szemben is alapkövetelmény, hogy térbeli reprezentációjuk megoldott legyen a szimulációs rendszeren belül. Ezért a meteorológiai alrendszerbe való adatbevitel során az ún. profilok (meteorológiai állapotjelzők magasság szerinti változását megadó összefüggések) megadását is biztosítani kell. Így lehetővé válik, hogy az atmoszféra tetszőleges magasságú és vastagságú rétegeit paraméterezhessük meteorológiai szempontból, a mért vagy számított (modell outputok alapján előállított) adatok alapján.
Az adatbevitel korábban csak manuálisan történt, manapság azonban akár internetről adott időlépcsőben (pl. MS Flight Simulator X esetén 15 percenként) automatikusan frissített, közel real-time meteorológiai adatok is hozzáférhetők különböző (pl. Jeppesen) szerverekről. Természetesen - ahogy arról később szólunk - az adatbeviteli panelen lehetővé kell tenni a manuális adatbevitelt módosítás, pontosítás és archív meteorológiai szituációk feldolgozása céljából egyaránt.
2. ábra Egy korszerű repülőgép-szimulátor (MS Flight Simulator X) meteorológiai alrendszerének
adatkezelő felületének részlete. C 2006 Microsoft Corporation.
Az input időjárási adatok csatolását a repülőgép-modellhez azért kell megvalósítani, mert a repülőgép repülés közbeni viselkedésére a levegő szinte minden tulajdonsága hatással van. A teljesség igénye nélkül kívánjuk megjegyezni, hogy pl. a levegő sűrűsége - amely az ideális gázok állapotegyenletében meghatározott módon, a légnyomás és a hőmérséklet függvénye és a dinamikus nyomást határozza meg az áramlási sebességgel együtt - alapvetően befolyásolja a felhajtóerő nagyságát. A szélvektor ismerete is elengedhetetlen, hiszen a repülőgép repülési irányától függően módosítja a levegő áramlási sebességének értékét, ami szintén a dinamikus nyomás értékére, és ezen keresztül közvetlenül a felhajtóerőre lesz hatással stb. Ezek a meteorológiai paraméterek tehát közvetlenül a repülőgép aerodinamikáját leíró differenciál-egyenlet rendszer kezdeti- és peremfeltételeinek halmazába tartozó elemek, így a repülőgép-modell aerodinamikai alrendszeréhez vannak csatolva a meteorológiai alrendszer segítségével.
A műszaki alrendszerhez való időjárási adatillesztést az a tény követeli meg, hogy az áramló levegő fizikai (meteorológiai) állapota közvetlenül hatással van több - alapvető funkciót ellátó - fedélzeti mérő és érzékelő műszerre. Az egyik legfontosabb ezek közül az ún. fedélzeti nyomásmérő (Pitot-cső), melynek a feladata a repülőgép sebességének és magasságának megállapításához szükséges légnyomáskülönbség meghatározása. A repülőgépen ez a berendezés sokszor felületi jegesedés miatt hibásodik meg és rendkívül veszélyes helyzetet képes előidézni (Bottyán, 2008). A jegesedés emellett számos más érzékelőnek és antennának a működését képes teljesen vagy részlegesen akadályozni. A jegesedést kiváltó meteorológiai helyzet ugyan összetett, de meglehetősen gyakran előfordul. A leírtak alapján világos, hogy a meteorológiai adatokat a repülőgép-modell műszaki alrendszeréhez is szükséges csatolni.
Nyilvánvaló, hogy a meteorológiai input adatok egy része - ahogy korábban jeleztük - nem numerikus jelegű, hanem valamilyen jelenség előfordulását és egyben tulajdonságát is jelzik, pl. adott típusú felhőzet, csapadék és egyéb meteorológiai jelenség előfordulása. Habár ezeknek is vannak olyan tulajdonságaik, amik számszerűek (pl. felhőzet magassága és mennyisége, a csapadék intenzitása), alapvetően a formájukat, megjelenésüket adott attribútumokkal ellátott grafikai objektumként kell kezelnie a vizualizációs alrendszernek. Éppen ezért a megjelenítésért felelős alrendszernek része a meteorológiai jelenségekhez kapcsolódó objektumhalmaz, melynek az elemei (pl. gomolyfelhő, rétegfelhő, havazás, stb.) a konkrét időjárási input adatokból kapják a tulajdonságaikat, beleértve a létezésüket is (3. ábra)!
 |
|
3. ábra Szépidő gomolyfelhők (cumulus humilis) megjelenítése a MS Flight Simulator X vizualizációs alrendszerében (bal oldali kép),
C 2006 Microsoft Corporation) és ugyanezen felhőzet a valóságban (jobb oldali kép, forrás: http://www.alaska-in-pictures.com/data/media/13/puff_1035.jpg)
A 3. ábrán jól megfigyelhető, hogy egy adott meteorológiai helyzetben kialakuló speciális felhőzet szimulációja mennyire jól megvalósul a korszerű repülőgép-szimulátorok esetében, hiszen a megjelenített felhők méretei, geometriája és textúrája rendkívül hasonló a valóságban megjelenő felhők ugyanezen tulajdonságaihoz. Természetesen ez a hasonlóság a meteorológiai alrendszer és a vizualizációs alrendszer korrekt kapcsolatának eredménye, de fontos tudnunk, hogy a látvány valósághűsége alapvetően a megjelenítésben alkalmazott grafikai eljárásokon és a projekció minőségén múlik.
Meg kell említenünk, hogy előfordulnak még olyan implementációk, melyekben a meteorológiai alrendszer feladata a helykoordináták, a dátum és időpontok kezelése és ezek alapján a csillagászati paraméterek (napkelte, napnyugta, navigációs és csillagászati szürkületek időpontjainak meghatározása stb.) számítása is. A korszerű repülőgép-szimulátorokban azonban ezeket a feladatokat már más alrendszerek végzik.
Valós, mért adatokon alapuló meteorológiai helyzetek adaptációja
Ahogy korábban említettük, a meteorológiai alrendszer fejlett input felülettel rendelkezik, melynek segítségével lehetőségünk van a ténylegesen mért (archív) időjárási adatok bevitelével, a valóságban előfordult meteorológiai szituációkat mesterségesen előállítani a szimulátorban. Ennek a ténynek óriási jelentősége van, hiszen a szimulátorban oktatott személyzet részére szinte majdnem minden - repülésre veszélyes - időjárási szituáció szimulálható magas fokú valósághűséggel! Másrészről, repülőesemények, kivizsgálásában is nagy segítséget nyújthat a valós környezet előállítása és ebben a repülőgép útvonalának rekonstruálása. Ez utóbbira példaként említhetjük a MALÉV 1975-ben Ferihegyen katasztrófát szenvedett repülőgépének időjárási környezeti rekonstrukcióját (Bottyán, 2008).
Természetesen egy ilyen - a valóságban előfordult - meteorológiai helyzet előállítása a repülőgép-szimulátorban egy rendkívül alapos, szerteágazó időjárási adatgyűjtést és elő- feldolgozást igényel, melyet repülésmeteorológiai szakember bevonásával kell elvégezni. A rekonstrukcióhoz szükséges meteorológiai adatokat az adott útvonalra vonatkozóan három dimenzióban kell inputként megadni a meteorológiai alrendszernek (Lane-Cummings és VanWest, 2007). Az említett adatok begyűjtése, és elő-feldogozása során ténylegesen mért (földfelszíni, rádiószondás, radaros, repülőgépes, műholdas stb.) és modellszámításokból származó értékeket kell illesztenünk egymással térben és időben. Nyilvánvaló, hogy a repülésmeteorológus feladata az olyan speciális időjárási helyzetek kiválasztása, melyek adaptációját célszerű elvégezni, a konkrét veszélyes jelenség szimulációjához. Lényegében tehát egy speciálisan összeállított, a repülésre valamilyen szempontból szignifikáns hatást kifejtő meteorológiai szituációkat tartalmazó adatbázis létrehozását kell megvalósítania.
A valós időben fennálló időjárási helyzet real-time reprezentációjának lehetőségét az internet hálózat kiépülése, a sávszélesség növekedése és időjárási adatokat begyűjtő és tároló ftp szerverek (csak részben publikusak) megjelenése tette lehetővé. Lehetővé vált, hogy a repülőgép-szimulátorban az internetről letöltött és adott idő elteltével folyamatosan frissülő, valós adatok alapján történjen a meteorológiai helyzet előállítása. A Microsoft Flight Simulator X és a többi, ugyanezen vagy hasonló meteorológiai alrendszert használó repülőgép-szimulátor is lehetővé teszi a világhálón keresztül történő, időjárási adatfrissítést (Lane-Cummings és VanWest, 2007).
Esettanulmány
Ahogy korábban említettük, lehetőségünk van a meteorológiai alrendszer segítségével korábbi (archív) időjárási adatok alapján környezeti rekonstrukcióra. Most bemutatjuk egy alacsony szintű köd/startus helyzet vizualizációját, melyet a MS Flight Simulator X meteorológiai alrendszerének segítségével végeztünk el.
2008. november 3-án az ország középső és keleti területén reggel 06 UTC-kor sűrű köd volt észlelhető, ahogyan a 4. ábrán jól látható. Budapest Ferihegy (LHBP) körzetében 300 méteres meteorológiai (horizontális) látástávolság (ami egyben ködöt jelent), 7 okta stratus (alacsony szintű réteges) felhőzet 60 méteres alappal, 6 ºC hőmérséklet, 6 ºC harmatpont, szélcsend és 1020 hPa QNH nyomás volt észlelhető. A temp felszállási adatokat elemezve a kialakult stratus felhőzet teteje kb. 2400 lábon volt. Fölötte számottevő felhőzet nem alakult ki.
4. ábra Időjárási helyzet a Kárpát-medencében METAR táviratok alapján,
2008. november 3án 06 UTC-kor. (NAMIS megjelenítés)
A fentebb jelzett meteorológiai adatok, a dátum és időpont alapján a meteorológiai alrendszer adatbeviteli felületén beállítottuk a szükséges paramétereket. Ahogyan az 5. ábrán látható, a kiválasztott meteorológiai állomás Ferihegy, Budapest, Hungary. A felhőzet (clouds) beállítását a felhőzet típusa (Cloud type), a tető (Tops (MSL)) és az alap (Base (MSL)) adatainak megadásával lehet konkretizálni. Jelen esetben a típus stratus, az alap 680 láb és a tető 2400 láb magasságon helyezkedik el. A felhőzet mennyiségét (Cloud coverage) 8 oktában adtuk meg. Emellett gyenge turbulenciát (Turbulence: Light) és nyomokban jegesedést (Icing: Trace) határoztunk meg a rendszernek, csapadék nélkül (Precipitation: None). A repülőtér magasságának (Base altitude) a ferihegyi AIP-ben meghatározott 495 láb értéket adta automatikusan a rendszer (ezért lett az észlelt felhőzet alapja 680 láb, ill. a teteje 2400 láb magasságon).
A másik nagyon fontos repülésmeteorológiai paraméter a horizontális látástávolság, melyet megadtunk az alrendszerben erre a dátumra és időpontra vonatkozóan. Ezt két lépésben végeztük el, hiszen a felhőzet alatt a látástávolság a ténylegesen jelentett 300 méter volt, míg a felhőben jóval 100 méter alatti értéket tapasztalhatunk. A repülőtér szintjében észlelt látástávolság beállítását a 6. ábrán láthatjuk, melyen jól megfigyelhető az aktuális (világoskékkel jelzett) réteg, melyre érvényes a beállítás (495-680 láb közötti réteg). Az inputként megadott látástávolság (Visibility) az előbb említett rétegre: 1/4mi/0.4 km (a valós 300 méterhez legközelebb eső választható érték!).
5. ábra A 2008. november 3-án 06 UTC-kor fennálló időjárási helyzet felhőzet-parametrizációja
a MS Flight Simulator X repülőgép-szimulátor meteorológiai alrendszerében.
Baloldalon lenn a világoskék téglalap a felhőzet rétegét jelzi. C 2006 Microsoft Corporation
6. ábra A 2008. november 3-án 06 UTC-kor fennálló időjárási helyzet látástávolság-parametrizációja
a MS Flight Simulator X repülőgép-szimulátor meteorológiai alrendszerében. 495-680 láb közötti réteg.
C 2006 Microsoft Corporation
A következő réteg a felhőzetet magában foglaló légrész, mely 680-2400 láb magasságig terjed ki. Ebben a magassági intervallumban a minimálisan beállítható 100 méteres látástávolságot használtunk (7. ábra). A két különböző tulajdonsággal rendelkező réteg között nem adtunk meg átmeneti zónát, így a látástávolság hirtelen változik a rétegfelhőbe történő berepüléskor, ami a valósággal teljesen összhangban van.
7. ábra A 2008. november 3-án 06 UTC-kor fennálló időjárási helyzet látástávolság-parametrizációja
a MS Flight Simulator X repülőgép-szimulátor meteorológiai alrendszerében. 680-2400 láb közötti réteg.
C 2006 Microsoft Corporation
A MS Flight Simulator X szimulátor vizualizációs alrendszere által előállított kép a ferihegyi 13R futópálya küszöbéről nézve a 8. ábrán látható. Jól észrevehető a 400 méteres ködben jelentősen redukálódott látástávolság, amit csak a futópálya fénytechnikájának működése ellensúlyoz.
8. ábra A MS Flight Simulator X repülőgép-szimulátor vizualizációs alrendszerében előállított
kép a 2008. november 3-án 06 UTC-kor fennálló időjárási helyzetre vonatkozóan,
Budapest Ferihegy repülőtér 13R futópálya. C 2006 Microsoft Corporation
A meteorológiai adatok segítségével paraméterezett környezet látványát tehát a repülőgép-szimulátorban a valóságos helyzethez igen közelinek érzékelhetjük. Ez a nagyfokú valósághűség teszi lehetővé, hogy a szimulátoros kiképzés során a hajózó személyzet környezetének kialakítása a lehetőségékhez mérten optimális legyen. Ebben a folyamatban a meteorológiai alrendszer (csatolva a többi alrendszerhez) kulcsszerepet játszik.
Összefoglalás
A leírtak alapján elmondhatjuk, hogy a repülőgép-szimulátorok által kialakított mesterséges környezet előállításában a meteorológiai alrendszer alapvető szerepet játszik, mert:
A meteorológiai alrendszer működéséből fakadóan lehetővé válik, korábban megtörtént és repülésmeteorológiai szempontból veszélyes helyzetek rekonstrukciójára, mely fontos szerepet játszhat a repülő-hajózók szimulátoros képzésének minőségi javításában és a repülőesemények kivizsgálásában egyaránt. A mai korszerű repülőgép-szimulátorok (így a MS Flight Simulator X is) meteorológiai alrendszere (a többi alrendszerrel együttműködve) megteremti, a rendkívül valósághű repülési környezet előállításának lehetőségét, ami a repülőgép-szimulátorok esetében alapvető elvárás és feladat.
A repülő-hajózó kiképzés egyes szimulációs fázisaihoz hozzárendelt (rekonstruált) veszélyes meteorológiai szituációt magában hordozó környezet kialakításával emelhető a kiképzés színvonala és ezen keresztül a repülésbiztonság.
Irodalom
