Het is een spannend vluchtje dat de Delftse TU-docent Erik Theunissen in augustus meemaakt in Amerika. In de Boeing-757 ontbreken lieftallige stewardessen. In plaats daarvan staan computers zover het oog reikt. Bestemming van de vlucht is het moeilijk benaderbare vliegeld Eagle-Vail in Colorado. Doel van de trip: het testen van het nieuwe kunstmatig-zichtsysteem van Theunissen. Aan Auke Schouwstra legt hij uit hoe het systeem grondbotsingen in bergachtig gebied, de belangrijkste oorzaak van vliegtuigcrashes, voorkomt.
Sneeuw, pistes, ski’s. Voor menig Amerikaan is Colorado het favoriete skigebied. Dat betekent: in winterse omstandigheden veel vluchten op – onder andere- vliegveld Eagle-Vail, direct achter Snow Mountain in het Rocky Mountains-gebergte.
Zelfs in normale omstandigheden mogen vliegtuigen er alleen landen als de piloot een speciale aantekening op zijn brevet heeft. Dat komt door de ligging van het vliegveld in een vallei, omringd door flinke bergen. Vliegtuigen moeten nogal eens ‘met de wind mee’ landen.
Bij mist of sneeuw is de situatie nog penibeler. Het gevolg is: veel stress in de cockpit en een zware belasting voor de piloot op een moment dat hij eigenlijk al zijn aandacht nodig heeft om het vliegtuig goed te besturen.
Vaker dan de luchtvaartsector lief is, leiden zulke situaties tot een ‘controlled flight into terrain’ (cfit): een botsing met het aardoppervlak terwijl de piloot denkt dat hij nog voldoende hoogte heeft. En, wat heel wrang is: terwijl het vliegtuig technisch niets mankeert. De oorzaak: slecht zicht en desoriëntatie, waardoor de piloot niet meer weet waar hij zich precies bevindt ten opzichte van de grond. ,,Een cfit is de grootste gemeenschappelijke factor in het ontstaan van dodelijke ongelukken in de burgerluchtvaart”, aldus Erik Theunissen, universitair hoofddocent bij de leerstoel Elektronische systemen voor Plaatsbepaling en Navigatie. ,,Als je daar structureel iets aan wilt doen, moet je dus naar die oorzaken onderzoek doen”.
De vorige Amerikaanse president Bill Clinton zag inderdaad dat er genoeg aanleiding was om een flink bedrag uit te trekken om op dit specifieke punt de veiligheid van de burgerluchtvaart te verhogen. In 1999 maakt de NASA bekend dat een consortium waarvan ook wetenschappers van de TU Delft deel uitmaken, het onderzoek naar dit probleem mag gaan doen.
Het betekent een grote uitdaging voor ingenieur Erik Theunissen en zijn medewerkers. Het doel is een kunstmatig-zichtsysteem te ontwerpen waarmee heel nauwkeurig complexe trajecten gevlogen kunnen worden, met een lage belasting voor de vlieger. Theunissen: ,,Alle studies tot nog toe waarbij een vliegtuig complexe naderingen moest vliegen, maakten gebruik van rechte lijnen en delen van cirkels. Dat kan wel, maar het levert een hoge belasting van de vlieger op". Om de nadering volgens het boekje uit te voeren, moet de piloot veel correcties uitvoeren. Een stukje dalen, het vliegtuig weer stabiliseren, dan weer een hoek kiezen waarin hij een bocht moet maken. Al die taken slurpen zijn aandacht voor andere zaken op, zoals obstakels buiten of informatie van de verkeersleider. Theunissen: ,,Ons systeem maakt de stuur- en navigatietaak zo eenvoudig dat al die andere dingen makkelijk in de gaten gehouden kunnen worden".
Daartoe schreven de Delftenaren een softwareprogramma dat met behulp van onder andere gps precies bepaalt waar het vliegtuig zich bevindt. Cruciaal in het Delftse systeem is de database op basis waarvan de meest ideale route berekend wordt. Het gegevensbestand bevat informatie over de omgeving van het vliegtuig en over de weersomstandigheden. De omgevingsinformatie is afkomstig van het National Imagery and Mapping Agency, een instituut van de Amerikaanse overheid. ,,Daar worden natuurlijk hele hoge eisen aan gesteld", aldus Theunissen. Voor omgevingsinformatie van vliegvelden beschikt het systeem over data met een resolutienauwkeurigheid van 180 meter. Hoge gebouwen en bergtoppen worden apart op een navigatiescherm in de cockpit aangegeven.
Theunissen: "Samen met Rockwell Collins werken we aan een systeemoplossing die aan alle wensen voldoet, en vervolgens bekijken we hoe die oplossing geïmplementeerd kan worden. De concrete implementatie gebeurt in Amerika. Daarvoor hebben we wekelijks teleconferenties. Daarbij worden commentaren van piloten die met het systeem gevlogen hebben, verwerkt".
Onvoorspelbaar
,,Een vlieger is bij een normale landing gewend dat hij ver van te voren recht voor de baan zit en met een hoek van drie graden daalt. Het enige dat dan nog verandert, is de hoogte. Bij de complexe naderingen waar wij ons mee bezig houden, varieert de snelheid. Het toestel moet verschillende bochten maken en daarna weer recht komen te liggen. Je moet dus een heleboel dingen in de gaten houden. Op een gegeven moment zei een vlieger tegen ons: kun je niet een route uitrekenen waarmee ik een lange continue daling in een bocht kan maken, en dan toch recht voor de baan uitkom? Natuurlijk kan dat, zeiden we. Maar er is dan wel een aantal onvoorspelbare factoren, zoals de windsnelheid. Die moet je dan nauwkeurig inschatten. Als je een constante bochtstraal aanhoudt, zorgt de wind ervoor dat je de hoek waarin het vliegtuig vliegt, moet aanpassen. Vaak houden vliegers dezelfde rolhoek aan. Op het laatst compenseren ze dan nog even de ‘drift’ die de wind veroorzaakt heeft. Dat is in een gebied waar veel obstakels in de buurt zijn, geen veilige procedure. Onze vinding maakt het mogelijk een traject uit te rekenen waarbij je aan twee wensen voldoet: de vlieger kan een constante rolhoek aanhouden -dat is makkelijker voor hem- en toch komt hij uit bij de baan. Dat is nog nooit eerder op deze manier gedaan".
Het bijzondere van het Delftse systeem is dat het gedurende die manoeuvre de ‘beste route’ verder aanpast. ,,Zo kom je heel netjes vlak voor de landingsbaan aan", vertelt Theunissen enthousiast. En met minimale inspanning. ,,De schatting die het systeem maakt voor de beste route is misschien niet perfect, maar als je behoorlijk in de buurt zit, is het maar een kleine moeite voor de vlieger om de hoek waarin het vliegtuig de bocht maakt, nog iets te wijzigen. Een enorm verschil vergeleken bij wat hij anders allemaal zou moeten doen".
Kinderspel
De informatie wordt zo gepresenteerd, dat vliegen haast kinderspel lijkt. Theunissen demonstreert het in de zelfgebouwde simulator op zijn afdeling. Veel multiplex, twee stoelen en motorgeluid op de achtergrond zorgen voor een aardige imitatie van de werkomgeving van een echte piloot. We hebben uitzicht op het luchtruim boven vliegveld Eagle Vail. Belangrijker is het beeldscherm voor de neus van de piloot: daar toont het Delftse systeem een virtuele tunnel waar de piloot binnen moet blijven. De nabije omgeving wordt in een driedimensionaal perspectief weergegeven. Het vliegtuig is in de tunnel te zien als een cirkeltje met een horizontaal streepje erdoor.
Omdat bergflanken en hoge gebouwen rood gekleurd zijn en het veilige gebied groen, is in een oogopslag duidelijk wat de piloot moet doen. Wijkt hij van de koers af, dan kleurt een bergflank die eerst groen was omdat het vliegtuig genoeg afstand hield, snel rood.
Theunissen glijdt met kleine tikjes tegen de stuurknuppel soepel door de tunnel heen. De landing verloopt goed en in no-time staan we bij de hangars geparkeerd. In het echt zal het nog wel iets ingewikkelder zijn, maar duidelijk is dat de configuratie voor piloten een uitkomst is.
Renault Bosma, piloot bij Transavia en bestuurslid Vliegtechnische Zaken bij de Vereniging Nederlandse Verkeersvliegers, neemt dan ook met belangstelling kennis van de Delftse ontwikkeling ,,De presentatie van de informatie in een driedimensionale vorm werkt heel goed", vindt hij. ,,Je hebt alles voor je neus, in plaats dat je als vlieger zelf informatie over het horizontale en verticale vlak tot één plaatje moet boetseren. Met de technieken die nu gebruikt worden, krijg je dit niet".
Faalkans
In 2000 vliegt voor het eerst een groot (‘wide-body’) toestel met de software uit Delft, in het luchtruim boven Dallas. Theunissen: ,,Met die vluchten werd aangetoond dat er nauwkeurig met het systeem gevlogen kon worden, en dat de weergave van het terrein correct was. Maar die test vond plaats boven vlak terrein, je test zo’n systeem natuurlijk liever niet meteen in bergachtig gebied”.
De vuurproef kwam dan ook vijf maanden geleden, toen de moeilijke landing uitgevoerd werd op Eagle Vail, Colorado Springs. Met succes. Het programma bleek ook in die omstandigheden te functioneren. Theunissen: ,,Een vlieger van United Airlines zei tegen ons toen hij zo’n bocht maakte: heb je nog wat voor me te doen? Dan weet je dat je je doel bereikt hebt: dat iemand het meest complexe traject voor een verkeersvliegtuig, in de meest dreigende omgeving, met het grootste gemak vliegt. Dan zijn wij tevreden".
Als het systeem in staat is in verschillende weersomstandigheden de perfecte route te berekenen voor een landend vliegtuig, is er dan een situatie denkbaar waarbij de automatische piloot de landing overneemt? Niet echt, denkt Theunissen. ,,Je kunt het natuurlijk heel simpel koppelen met de ‘auto-pilot’. Maar je moet kijken naar de faalkans: op hoeveel manieren kan er iets misgaan, en hoe wordt dat gedetecteerd zodat het niet leidt tot een ongeluk. Software om een vliegtuig langs een virtueel lijntje naar beneden te sturen stelt niks voor. Maar de architectuur die moet garanderen dat je alle mogelijke fouten zult detecteren voordoen, is ontzettend complex. De mens zelf is heel goed in staat conflicterende informatie snel te detecteren. Dat is een unieke functie van de mens, die met relatief weinig inspanning kan concluderen: er is iets aan de hand. Als je daar ook nog een beslisproces achter wilt plakken, heb je gewoon de piloot nodig".
Bosma moet er niet aan denken dat het systeem hem zou uitschakelen. Hij noemt het juist als een punt van aandacht. ,,Je moet uit de virtuele tunnel kunnen als dat nodig is. Dat is een absolute voorwaarde. Het mag geen fuik zijn, of een ‘locked-window’ waar je niet uit kunt komen".
Volgens Theunissen wordt aan die voorwaarde voldaan. ,,Het systeem neemt geen beslissingen over. Het helpt de vlieger alleen bij het uitvoeren van de landingsprocedure, omdat de manier van navigeren die nu gebruikt wordt, met kaartjes en zo, erg veel inspanning kost".
,,De presentatie van de tunnel zorgt ervoor dat de vlieger kan zien of zijn pad vrij van het terrein is. Als dat niet zo is, kan de vlieger beslissen: ik doe het niet, dit is een ‘missed approach’. Dat moet je hem op tijd laten zien natuurlijk".
Geluidsoverlast
Vliegvelden omringd door bergen zijn er niet in Nederland, maar toch zou ons land wel baat kunnen hebben bij het systeem. Via een gekromde naderingsroute, die nu vaak vermeden wordt omdat ze van instrumenten en bemanning een ingewikkelde prestatie vraagt, kunnen woonwijken rond Schiphol vaker ontzien worden. ,,Om de problemen van een gebogen route te omzeilen neemt men nu veelal genoegen met een economisch ongunstige, milieuonvriendelijke, kilometerslange kaarsrechte aanvliegroute, dwars over geluidsoverlastgevoelige woonwijken", aldus de vakgroep in een persbericht.
De keuze voor een gelijkmatige afdaling voorkomt bovendien veelvuldig ‘afremmen’ en ‘gasgeven’, wat nu nog duidelijk te horen is boven Schiphol.
Theunissen: ,,Ik heb een poosje in Leiden gewoond, daar hoorde je de vliegtuigen telkens gas geven bij het afdalen om weer recht te komen. Bij onze testvluchten zag je dat de gashendels bijna stilstonden bij het afleggen van zo’n continu dalend pad".
,,Als het systeem ook gebruikt gaat worden om het geluidsoverlastprobleem te bestrijden, worden we minder enthousiast", reageert Bosma. ,,Het komt er dan op neer dat je vreemde manoeuvres uit moet halen om binnen de tunnel te blijven. Dan maak je vliegen juist onveiliger! We kennen dat nu al in de vorm van ‘special departures’ bij de Zwanenburgbaan: het zijn knap ingewikkelde figuren die je daar moet vliegen. Je went er wel aan, maar ideaal is het niet. De manier waarop dit systeem gegevens presenteert maakt het makkelijker, maar dat voordeel moet je niet te niet doen door allerlei ingewikkelde manoeuvres uit te voeren".
Die kritiek geldt in zekere mate ook de toepassing waar het systeem oorspronkelijk voor bedoeld is: ergens landen waar dat zónder het systeem niet mogelijk geweest zou zijn. Komt het vliegtuig daarmee per saldo niet in gevaarlijker situaties terecht? Piloot Bosma is daar nog niet uit. "’Synthetic vision’ is een nuttige bijdrage om het fenomeen van een ongewilde botsing met het aardoppervlak te voorkomen. Maar je moet wel uitkijken dat je de veiligheidsmarge die je met het systeem kweekt, niet gaat opsnoepen door het vliegtuig in riskantere situaties te brengen. Als je het systeem gaat gebruiken om op een later moment nog een doorstart te maken, wanneer de landing niet mogelijk is, dan ben je daar weer veiligheidsmarges aan het verliezen. En wat gebeurt er eigenlijk als de gps-ontvanger uitvalt? Als de virtuele tunnel opeens uit het scherm verdwijnt? Dat is op dat moment hele vitale informatie. Hoe kun je die weer reconstrueren?"
Theunissen erkent dat bij de introductie van een complexere nadering van Schiphol ‘zeer conservatief te werk gegaan moet worden’ om te voorkomen dat de landing uiteindelijk gevaarlijker wordt. ,,Maar je kunt daar pas een uitspraak over doen als de uit te voeren procedure bekend is". Hij wijst erop dat toelating van het kunstmatig-zichtsysteem pas plaats zal vinden als de kans op ongevallen niet toeneemt. Die eis werd ook in de jaren zestig gesteld aan de introductie van automatische landingssystemen. Theunissen: ,,Ik kan me goed voorstellen dat Bosma zich zorgen maakt. Buiten het circuit om waar dit soort systemen ontwikkeld worden, wordt vaak door allerlei ‘experts’ gespeculeerd over wat er allemaal mee gedaan zou kunnen worden".
Voor technische storingen is hij minder bang. ,,Veel systemen in de luchtvaart zijn drievoudig uitgevoerd. De software van de verschillende kanalen wordt door verschillende teams geschreven. Er zijn altijd meerdere beeldschermen in de cockpit. Het is een kostbaar, maar bijzonder betrouwbaar systeem".
Auke Schouwstra Freelance Medewerker
Rekensom
Eagle-Vail is geen doorsnee vliegveld. Er is eigenlijk maar één baan beschikbaar, en als de wind in de landingsrichting waait (staartwind), mag er bij een windsnelheid boven de 15 knopen alleen nog geland worden als daar een bepaalde noodzaak voor is. In andere gevallen wordt landen als te gevaarlijk gezien, en moet het toestel uitwijken.
Voor een Boeing vol passagiers die niet kunnen wachten voor ze in de bergachtige omgeving van het vliegveld kunnen gaan skieën, is dat geen aantrekkelijk scenario. Bovendien lijdt de vliegmaatschappij er schade door omdat de passagiers elders accommodatie moet worden aangeboden gedurende de vertraging.
Eagle Vail heeft nóg een baan, maar om die te bereiken moet er een complexe naderingskoers gevlogen worden, langs een aantal gevaarlijke bergflanken. Het Synthetic Vision-Informatiesysteem (SVIS) dat mede in Delft ontwikkeld wordt, maakt het voor het eerst mogelijk dat grote passagiersvliegtuigen dat complexe traject volgen.
Voor maatschappijen die vaak op dit soort ‘moeilijke vliegvelden’ vliegen, is de aanschaf van het systeem uit Delft onderdeel van een simpele rekensom: als er gemiddeld een x-aantal dagen per jaar mensen ondergebracht moeten worden in hotels omdat vluchten niet doorgaan, kan een investering in deze voorziening aantrekkelijk worden. Dan is de toegenomen veiligheid van het vliegen nog niet meegerekend. ,,Als vliegtuigmaatschappijen dit aanschaffen, gaan ze echt een nieuw tijdperk in", aldus ontwikkelaar Erik Theunissen. In 2005 verwacht het consortium waar de TU deel van uitmaakt, een certificeerbaar synthetisch zichtsysteem op de markt te kunnen brengen.
