SIMULATORE

SIMULATORE

Il s. è un congegno dinamico che riproduce il comportamento di un altro congegno dinamico (per es. nave, aeroplano, missile) in condizioni quasi statiche. Viene impiegato a fini di ricerca, progetto, addestramento del personale, e in indagini volte a stabilire le cause di incidenti. La simulazione viene attuata grazie a uno o più elaboratori elettronici, nei quali s'introduce il modello matematico del sistema da simulare insieme al suo modo di funzionamento; il computer fornisce la risposta del sistema agli ''stimoli'' introdotti, che possono essere intenzionali, come l'azione di un pilota sui comandi di un velivolo, o esterni e casuali, come la turbolenza. Si può simulare quasi tutto, dal comportamento di un sistema economico a un'operazione di guerra, introducendo gli opposti schieramenti di forze, il terreno, le condizioni atmosferiche, ecc. La validità della risposta dipende essenzialmente dalla bontà del modello matematico introdotto; più supposizioni si fanno e meno è attendibile la risposta.

La simulazione si può fare su qualsiasi computer; i s. però sono elaboratori ''dedicati'', cioè specializzati e ottimizzati per un solo compito. Essi vengono impiegati in varie industrie, per es. nelle centrali nucleari, negli impianti chimici, ecc. Ma il loro impiego più importante e redditizio si ha dove esistono condizioni di pericolo e le esigenze di addestramento impongono la simulazione di eventi che è bene evitare nella realtà, per es., nel caso di un aereo, l'arresto di un motore in decollo. Perciò i s. più importanti sono quelli impiegati in aeronautica e in astronautica; a proposito di questi ultimi, si noti che operazioni difficili e rischiose come il rientro della navetta spaziale nell'atmosfera, il suo avvicinamento e il suo atterraggio avrebbero presentato rischi e incognite incomparabilmente maggiori se non fosse stato possibile provare molte volte l'intera sequenza al simulatore.

Esistono due categorie di s. di volo: s. di progetto e s. per addestramento; questi ultimi possono essere civili e militari.

Simulatori di progetto. - Oggi gli aeroplani, gli elicotteri, i veicoli spaziali ''volano'' prima ancora di essere costruiti. Nella progettazione è ormai sempre più diffuso l'impiego dei s. di ricerca. La simulazione in tempo reale, resa possibile dalle enormi capacità dei moderni elaboratori, consente l'inserimento del pilota nel ciclo di controllo dell'aereo; si può in tal modo studiare il comportamento del binomio pilota-aeroplano in condizioni che riproducono quelle reali entro ragionevoli limiti di fedeltà. Così il pilota collaudatore può dare un prezioso contributo al progetto fin dalle fasi iniziali con il risultato di produrre un prototipo che sia già ''provato'' prima ancora del decollo. Nel s. il velivolo e i suoi sottosistemi di bordo sono schematizzati nei modelli matematici, tradotti in programma di calcolo (software).

Prendendo come esempio il s. di progetto in funzione presso l'Aermacchi (v. fig.), il software è conservato in un elaboratore detto host computer (''ospitante'' perché accetta dentro di sé la personificazione matematica dell'aeroplano); a esso giungono i segnali che il pilota, seduto al suo posto di comando, genera muovendo la barra, la pedaliera, le leve dei flaps e del carrello, ecc. Lo host computer, che è il cervello di tutto il sistema, genera le risposte appropriate; con l'aiuto di un altro elaboratore che produce le immagini (generatore di immagini) fa muovere il paesaggio simulando lo scorrimento della pista sotto l'aeroplano, l'allontanamento del terreno nella salita, l'inclinazione dell'orizzonte nelle virate, ecc.; fa sì che gli strumenti indichino esattamente quello che succederebbe nel caso per es. di aumento del numero di giri del motore, della velocità del velivolo, della quota, rientro del carrello, ecc.; nello stesso tempo il pilota incontra nel movimento della barra di comando e della pedaliera le stesse forze di reazione che incontrerebbe in condizioni reali sull'aeroplano. A ciò provvede un apposito sistema elettroidraulico. In questo tipo di s. la cabina di comando è saldamente fissata al pavimento e non compie alcun movimento. I movimenti del paesaggio e dell'orizzonte non hanno limiti e si possono simulare acrobazie aeree come la gran volta (looping) e il mulinello (tonneau).

Le varie uscite dei modelli matematici sono trasformate da digitali (numeriche) in analogiche e i segnali provenienti dalla cabina di comando sono trasformati da analogici in digitali a beneficio dello host computer per mezzo di un convertitore A/D D/A (analogico-digitale e digitale-analogico). L'elaborazione dei vari programmi avviene nel computer ogni 33 millisecondi, rapidità sufficiente per non creare ritardi significativi fra le azioni del pilota e le risposte del sistema. L'altro calcolatore sintetizza ogni 16 millisecondi le immagini che tre proiettori producono all'interno di una sfera del diametro di m 7,3 al cui centro si trova il posto di comando del pilota, che ha un campo visivo di 180° in orizzontale e 80° in verticale.

Si possono simulare voli addestrativi e missioni di guerra; in questo caso il s. può introdurre nel paesaggio aeroplani ''nemici'', fedeli nell'aspetto e nelle caratteristiche di volo e d'armamento ai loro modelli. Per dare un'idea dell'immensa utilità di questo strumento in fase di progetto diremo che si possono cambiare: il tipo di motore, il peso dell'aeroplano, la posizione del centro di gravità, le caratteristiche aerodinamiche, i comandi di volo, le varie configurazioni dei carichi esterni. Il s. di progetto serve inoltre a esplorare la manovrabilità in stato di avarie simulate, a effettuare in condizioni di sicurezza manovre potenzialmente pericolose, come stallo e vite, a valutare nuovi tipi di strumentazione relativamente all'interfaccia uomo/macchina. Il s. di ricerca è stato impiegato nei più importanti programmi aerospaziali, dall'Apollo con relativo modulo lunare al velivolo sperimentale X-29, dagli aerei da combattimento all'ultima generazione dei velivoli da trasporto.

Simulatori per addestramento. - I s. per addestramento sono impiegati su scala sempre più vasta dalle compagnie aeree e dalle forze armate; in entrambi i casi si tende al massimo grado di realismo possibile. Il cruscotto con i suoi strumenti, interruttori, ecc., è riprodotto fedelmente, in modo che il pilota in addestramento abbia le sensazioni visive, uditive e tattili che prova sull'aeroplano, e in nessun modo possa avere l'impressione di trovarsi dentro un ''giocattolo''; al contrario, la simulazione del volo deve essere vissuta con la massima serietà e partecipazione. Questo è un fattore psicologico importantissimo nell'addestramento al s. e ne condiziona tutta la validità.

I primi s. di volo furono introdotti nell'uso dallo statunitense E.A. Link, che mise in commercio il suo ''allenatore strumentale'' (Link trainer) nel gennaio 1929; serviva esclusivamente per apprendere la navigazione, non c'era alcuna visione esterna e il pilota era chiuso nell'abitacolo con i suoi strumenti e le sue carte. Il Link trainer era in grado di compiere limitati movimenti: poteva alzare e abbassare il muso, inclinare alquanto le ali e ruotare a piacere fino a 360° per puntare la fusoliera verso il punto dell'orizzonte dove doveva dirigersi, mentre l'istruttore, seduto al suo tavolo, aveva la duplicazione degli strumenti e la registrazione grafica del percorso seguito durante l'esercitazione. Tutto questo è ben poco al confronto di ciò che possono offrire i moderni s., ma si deve sottolineare che Link aveva compreso e applicato il principio che sta alla base della filosofia dei s. per addestramento, e cioè che essi non si rivolgono esclusivamente alla sfera razionale del soggetto in addestramento, ma mirano invece a coinvolgerlo completamente; è per questo che non sfruttano soltanto il senso della vista (a tale scopo basterebbe un qualsiasi elaboratore con il programma adatto) ma utilizzano il massimo numero possibile di percettori, e cioè udito, tatto e tutti quelli che vengono interessati dai cambiamenti di posizione e di equilibrio.

Il paesaggio che viene presentato al pilota attraverso il parabrezza e le finestre laterali cambia aspetto e posizione relativa a seconda delle manovre dell'aereo, e non si limita a interessare il senso della vista: i movimenti della testa che il pilota è costretto a fare per osservarlo sono quelli stessi che egli compirebbe sull'aeroplano ''vero'' e i molteplici sensori di movimento di cui siamo provvisti trasmettono alla sfera della coscienza e al subcosciente i segnali identici a quelli della realtà. Il vantaggio di questo complesso e costoso meccanismo sta in una profonda partecipazione del pilota alla finzione scenica; come e più ancora dello spettatore che a teatro prova una serie di stati emotivi per ciò che accade sulla scena, pur non dimenticando mai che si tratta di una rappresentazione, il pilota prova tutte le emozioni che proverebbe in volo, anche se alla base della coscienza rimane la consapevolezza di trovarsi dentro una macchina saldamente poggiata a terra. Molti piloti, messi di fronte a situazioni di emergenza che in volo rappresenterebbero un serio pericolo, escono dal s. alla fine dell'esercizio pallidi e cosparsi di sudore freddo. E questa è la prova della bontà del sistema.

I s. per addestramento sono molto specifici; ognuno rappresenta un certo tipo di aeroplano (per es. Boeing 747) e un particolare madello di quel tipo (per es. Boeing 747-400). Ogni s. viene progettato e costruito per fornire prestazioni identiche a quelle rilevate sull'aereo originale durante i voli del prototipo e aggiornato dopo i voli di certificazione. A tale proposito le industrie che producono i s. si avvalgono della cooperazione delle ditte costruttrici, che forniscono anche gli sforzi sui comandi e i rumori in cabina; i costruttori infatti hanno tutto l'interesse a favorire la produzione di buoni s., perché più aumenta l'efficacia dell'addestramento, più diminuisce il rischio di incidenti. Lo stesso interesse hanno le compagnie aeree, che investono nei s. somme enormi; oggi il prezzo di un buon s. supera a volte quello dello stesso aeroplano simulato, ma il risparmio che essi consentono ripaga di molto l'investimento.

I s. vengono impiegati per diverse esigenze addestrative: com'è noto, si impara a volare su aeroplani molto semplici e si passa via via a macchine più complesse. I s. s'impiegano anche nella prima fase addestrativa, ma la loro utilità cresce con la complessità del velivolo; in particolare sono usati nei passaggi da un tipo di aeroplano a un altro, che oggi possono avvenire interamente al s. col risparmio di molte ore di volo. Sono previsti periodi di addestramento al s. anche per i piloti esperti, nei quali si simulano emergenze di ogni specie, e voli di controllo cui periodicamente debbono sottoporsi in particolare i piloti di linea, sotto la sorveglianza di istruttori specificamente designati.

La familiarizzazione con nuove rotte e nuovi scali avviene oggi normalmente al s.; si possono riprodurre gli aeroporti più diversi e lontani, e il pilota in addestramento si avvale di una fedele rappresentazione di come si presentano le piste, gli edifici e gli altri ostacoli, imparando a seguire le procedure di avvicinamento, atterraggio e mancato atterraggio, impiegando le giuste frequenze radio per le varie fasi e utilizzando i radio-aiuti che poi troverà veramente sul posto. Si possono riprodurre a volontà condizioni di nebbia, notte, nuvole di varia estensione e quota, turbolenze e conflitti di traffico. La simulazione dei fenomeni atmosferici ha assunto particolare importanza in tempi recenti, da quando si è chiarito che un elevato numero di incidenti è dovuto al wind shear (cambiamento improvviso di direzione e velocità del vento). In alcuni moderni s. si possono riprodurre oltre 15 profili di vento che si riferiscono a situazioni realmente verificatesi.

La cabina di pilotaggio e i proiettori che creano l'immagine dell'esterno sono montati su una piattaforma d'acciaio, sulla quale si trova anche una zona per l'istruttore (instructor station). Il pilota istruttore stabilisce le condizioni iniziali del volo (tempo atmosferico, ora, carico di carburante e carico pagante, aeroporto di partenza) e assegna poi la rotta da seguire; può introdurre tutte le emergenze che ritiene opportune (come arresto di motori, bloccaggio del carrello, inagibilità dello scalo previsto, ecc.) per giudicare le capacità di reazione del pilota in addestramento e per insegnargli le procedure da seguire. In questa possibilità sta uno dei pregi maggiori del s. addestrativo.

La piattaforma è in grado di compiere vari movimenti grazie a martinetti idraulici azionati da olio in pressione, che agisce su pistoni scorrevoli entro appositi cilindri; essa può inclinarsi in avanti e indietro, ruotare intorno al suo asse longitudinale e a quello trasversale, muoversi verticalmente in alto e in basso, fino ad avere un massimo di sei gradi di libertà. I movimenti sono determinati dalle azioni dei piloti sui comandi, e sono coerenti con i movimenti dell'orizzonte e le indicazioni degli strumenti, il rumore dei motori e i segnali ottici e acustici, come per es. l'allarme di pre-stallo. Questa concordanza, che sull'aeroplano è dovuta alla risposta del velivolo e dei suoi sistemi ai comandi di volo, nel s. è prodotta artificialmente da un computer che è il cervello dell'intero sistema. L'elaboratore calcola molte volte in un secondo gli assetti, le posizioni e le forze che agiscono sull'aeroplano, avendo per base le caratteristiche del velivolo fornite dalla ditta costruttrice. Dal computer dipende la fedeltà delle risposte, cioè in definitiva la bontà della simulazione, ovvero, per usare un termine non tecnico, la sua verisimiglianza.

Il mutevole panorama del paesaggio sorvolato, che agli inizi era ottenuto facendo muovere una telecamera su un plastico raffigurante case, colline, prati, zone aeroportuali, ecc., è dagli anni Settanta prodotto graficamente dal computer. Nei primi anni le immagini erano molto rozze, e c'erano problemi relativi a un puntuale aggiornamento dello scenario di volo in risposta ai movimenti, supposti, dell'aereo generati dai comandi; per es., se il pilota girava il volantino per virare, il possibile ritardo della corrispondente rotazione dell'orizzonte fino a mezzo secondo provocava ciò che in aeronautica si chiama overcontrol (il pilota, non vedendo il risultato della sua azione, tende ad accentuarla). Ora la risposta del sistema è divenuta molto più rapida e c'è stato un grande progresso nelle immagini generate dal computer, che sono più precise e realistiche; il terreno, le nubi, le onde del mare non assomigliano più a una serie di punti ma presentano una tessitura continua. A ciò si aggiunge la grande ampiezza del paesaggio (fino a 180°), che viene visto anche attraverso le finestre laterali.

Simulatori militari. - I s. militari sono molto diversi fra loro, così come molto diversi fra loro, rispetto agli aeroplani commerciali, sono gli aeromobili militari. Fra i velivoli militari si annoverano infatti bombardieri, caccia-bombardieri, intercettori, aerei del soccorso, elicotteri e velivoli delle portaerei. In particolare gli equipaggi di questi ultimi traggono grandissimi vantaggi dall'addestramento all'appontaggio praticato sul s., essendo questa manovra difficile e pericolosa; un'altra manovra tipicamente militare che giova simulare è il rifornimento in volo, la cui importanza cresce insieme all'impiego globale delle forze aeree, che impone un'estensione dell'autonomia al di là dei limiti imposti dalla quantità di carburante trasportabile a bordo.

Il s. militare somiglia a quello di progetto sopra descritto in quanto la cabina si trova al centro di una sfera, sulla cui superficie si possono proiettare il cielo e la terra che costituiscono il teatro dell'azione. Poiché un aeroplano militare è anche il fulcro di un sistema d'armi, in questo senso va inteso anche il simulatore. Quello prodotto negli Stati Uniti nel 1990 per il bombardiere furtivo B-2 si chiama infatti B-2 Weapon System Trainer (WST, "addestratore per il sistema d'armi B-2"). Esso offre punti d'interesse anche per l'aviazione civile, che ha sempre utilizzato i progressi realizzati in campo militare, sia per il complesso interfaccia uomo/macchina, che esemplifica un dialogo molto stretto fra piloti e aeroplano, sia perché il B-2 è dotato di glass cockpit.

Il glass cockpit ("cruscotto di vetro") è un tipo di cruscotto ormai diffuso anche sugli aerei civili, in cui i classici strumenti di volo sono sostituiti da tubi a raggi catodici o schermi piatti a cristalli liquidi sui quali si può far apparire una vasta gamma di informazioni sulle condizioni dell'aeroplano (velocità, assetto, quota, numero di giri delle turbine, temperatura dei gas di scarico, situazione carburante), sulle condizioni meteo, sulla rotta, ecc.; sul B-2 ogni pilota ha davanti quattro schermi luminosi, completamente intercambiabili, nel senso che ciascuno di essi può presentare qualsiasi quadro di informazioni. Ciascun pilota ha inoltre una tastiera e un video per comunicare con gli elaboratori; per mezzo della tastiera i dati vengono introdotti flight management system (il sistema automatico di gestione del volo), nel navigatore inerziale, nei sistemi dell'armamento e dell'identificazione amico/nemico (IFF). Il sistema può automatizzare varie fasi del volo, dalla partenza all'avvicinamento strumentale, all'atterraggio, e a vari tipi di missione militare.

Naturalmente il WST serve anche per l'addestramento alla guerra elettronica; gli istruttori possono presentare all'equipaggio oltre duemila diversi tipi di emissione di onde elettromagnetiche da parte di un supposto nemico, dai semplici messaggi radio ai radar dei missili contraerei e delle artiglierie. La gestione delle contromisure e dell'armamento, identica a quella presente sull'aeroplano, è coperta da segreto.

Ogni ora di volo di un B-2 costa una somma elevatissima e il WST costituisce uno dei due strumenti ideati dall'US Air Force per mantenere elevato l'addestramento senza gravare troppo sul bilancio; l'altro è un semplice aereo da allenamento T-38 sul quale ogni mese gli equipaggi del B-2 compiono sei voli di un'ora circa ciascuno per mantenersi allenati per quanto riguarda la manualità del pilotaggio, indispensabile anche su aerei altamente automatizzati. Sul B-2 gli equipaggi compiono soltanto due voli al mese di circa cinque ore ciascuno (ma ogni pilota deve fare almeno un rifornimento in volo ogni due mesi), mentre gli equipaggi dei B-52 fanno cinque voli mensili di addestramento. Per questo l'aeronautica degli Stati Uniti ritiene che il costo d'esercizio del B-2, con il 55% della forza in stato di allerta, sia minore di quello degli altri bombardieri strategici, B-52 e B-1B.

Grande importanza hanno assunto i s. di volo degli elicotteri, che riproducono sia il tipo di volo di questi complessi aeromobili, sia le situazioni tattiche in cui essi vengono a trovarsi in combattimento, con i bersagli da colpire e le minacce da cui guardarsi, che possono essere aeree e terrestri.

Missili e carri. - L'impiego del s. si sta rivelando prezioso anche per altri mezzi militari, come i carri armati e i missili tattici di vario tipo. Alla base c'è lo stesso concetto che informa la simulazione del volo: familiarizzare gli equipaggi con situazioni difficili, che richiedono prontezza di reazione e sono lontane da quelle della vita di tutti i giorni. Tipica è la situazione del campo di battaglia, dove il carro armato deve muoversi e combattere.

Per i serventi che lanciano il missile contraereo Rapier la British Aerospace ha realizzato un s. battezzato Microdome; su uno schermo curvo, che ha un'ampiezza di 270°, quattro proiettori laser possono proiettare fino a otto immagini di aerei in movimento. Queste immagini, che rappresentano in scala aerei da caccia, caccia-bombardieri ed elicotteri (tratti da una ''biblioteca'' che conserva i particolari di 26 aeromobili della NATO e dei paesi dell'Est), si muovono e possono allontanarsi e avvicinarsi, dalla distanza alla quale gli incursori sono appena visibili (12 km) alla distanza di riconoscimento (6 km) alle corte distanze d'ingaggio: il missile viene lanciato (per simulazione, naturalmente) e un quinto proiettore fa apparire sullo schermo la traccia rossa del Rapier in volo, generata da un computer; questa traccia diminuisce di dimensioni mentre il missile si allontana verso il bersaglio, e basta che il servente tenga puntato il suo collimatore ottico perché il missile venga diretto automaticamente sul bersaglio, esattamente come nel caso reale. Per aumentare il realismo vengono prodotti tutti i rumori: il rombo degli aerei che si avvicinano, con il suo effetto Doppler, il tuono del motore a razzo del missile, la detonazione della carica esplosiva al raggiungimento del bersaglio. Il tutto sullo sfondo sonoro dell'intero campo di battaglia. Un apposito impianto stereo provvede a dare al soldato in addestramento la più perfetta e fedele riproduzione acustica della realtà con cui può essere chiamato a misurarsi nel caso di vere operazioni belliche. Per l'addestramento dei serventi delle armi anticarro si possono simulare incursioni di carri armati; a tutto presiede un istruttore, che può introdurre una vasta gamma di ''imprevisti'', in modo che i militari così addestrati siano pronti a fronteggiare quasi tutte le situazioni. Vedi tav. f.t.

Bibl.: Sharpening battlefield skills inside the Microdome, in Quarterly British Aerospace, inverno 1988, pp. 28-29; Human factors research aids glass cockpit design effort, in Aviation Week & Space Technology (AWST), 7 agosto 1989; B.D. Nordwall, B-2 features glass cockpit, panoramic pilot visibility, ibid., 20 agosto 1990, pp. 34-35; Id., Simulations to save Army time, cut costs, ibid., 1° novembre 1993. Cfr. inoltre i vari articoli sulla rivista CAT (Civil Aviation Training), e su Perspectives, bollettino della Divisione addestramento e simulatori della Thomson-CSF, industria produttrice di simulatori.