In der Simulationstechnik gibt es sich ständig weiterentwickelnde Konzepte und Innovationen, die immer wieder zum Tragen kommen. Wenn Leute an einen Steuerknüppel denken, haben sie sofort das Bild eines Joysticks vor Augen, den man drückt oder zieht, um eine Bewegung zu simulieren. Aber was wäre, wenn sich der Knüppel kaum bewegen würde?

Dies war die Idee hinter dem kraftmessenden Sidestick. Anstatt zu messen, wie weit der Pilot den Knüppel bewegt, misst das System die ausgeübte Kraft und die Richtung. Das Flugsteuerungssystem wandelt diese Kraft dann in einen Flugzeugbefehl um.

Auch wenn dies kontraintuitiv klingen mag, bietet die Verwendung von kraftmessenden Sidesticks einen praktischen Vorteil. Es stellt eine der größten Änderungen in der Steuerungsphilosophie dar, die von modernen Fly-by-Wire-Kampfflugzeugen eingeführt wurde. Für Flugsimulationspiloten wirft dies nun eine wichtige Frage auf: Wenn sich der Knüppel kaum bewegt, wie fliegt man dann eigentlich das Flugzeug? Lassen Sie uns das aufschlüsseln.

Kraft messen, nicht Bewegung

Am einfachsten lässt sich ein kraftmessender Sidestick verstehen, wenn man die Position des Knüppels vergisst. Ein herkömmlicher Flugsimulator-Joystick basiert darauf, wie stark der Joystick ausgelenkt wird, wobei Sensoren erkennen, wo sich der Knüppel entlang seiner Achsen befindet. Die Position, in der sich der Knüppel befindet, wird dann auf die entsprechende Steuerfläche oder den Flugsteuerungsbefehl abgebildet. Im Grunde bestimmt die physische Position des Knüppels die Bewegung des Flugzeugs.

Ein kraftmessender Joystick funktioniert jedoch anders. Anstatt sich auf große physische Bewegungen zu verlassen, messen die Sensoren hier die auf das Bedienelement ausgeübte Kraft. Interne Dehnungsmessstreifen können dann genutzt werden, um eine ausgeübte Last zu erkennen. Das Grundprinzip lautet dann:

Herkömmlicher Joystick:

Bewegung → Position → Flugzeugbefehl

Kraftmessender Sidestick:

Kraft → Messung → Flugzeugbefehl

Der kraftmessende Knüppel wird manchmal auch als isometrischer Joystick bezeichnet, da seine Steuerung eher auf Kraft als auf nennenswerte mechanische Verschiebung ausgelegt ist. Dies ist ein wichtiger Unterschied, den es zu verstehen gilt.

Ein kraftmessender Sidestick ist nicht einfach nur ein Joystick mit kürzerem Weg; er nutzt eine völlig andere Steuerungsphilosophie. Bei einem kraftmessenden Sidestick gibt der Pilot Kraft ein und das Flugzeug liest die Kraft. Dieser Unterschied wird besonders bei der F-16 wichtig.

Die F-16: Wo der kraftmessende Sidestick begann

Die F-16 ist eines der bekanntesten Beispiele für kraftmessende Flugsteuerungen. Dieses Flugzeug absolvierte seinen Erstflug im Jahr 1974 und wurde 1978 in Dienst gestellt. Es war das erste Serienkampfflugzeug, das Fly-by-Wire-Flugsteuerungen mit einem kraftmessenden Sidestick kombinierte. Das Hauptziel war jedoch nicht einfach eine Neugestaltung.

Das gesamte Flugzeug wurde um eine neue Art der Interaktion mit dem Flugsteuerungssystem herum entworfen. Anstatt dass der Pilot direkt traditionelle mechanische Steuerflächen befehligte, übte er einfach Kraft auf den Sidestick aus. Die Flugsteuerungscomputer interpretierten dann diese Eingabe und bestimmten die entsprechende Flugzeugreaktion.

Für die Nickachse (Pitch) verknüpfen die Steuergesetze der F-16 die Knüppelkraft mit einem Normalbeschleunigungsbefehl. Vereinfacht ausgedrückt: mehr Nickkraft = mehr G-Befehl. Für die Rollachse ist die Knüppelkraft mit einem Rollratenbefehl verknüpft. Dies erzeugt ein völlig anderes Flugerlebnis als bei einem herkömmlichen mechanisch gesteuerten Flugzeug. Das bedeutet, dass der Pilot nicht über die Knüppelposition nachdenkt, sondern über die Flugzeugreaktion.

Dies erzeugt einen greifbaren Unterschied. Im Horizontalflug beispielsweise hält das Flugsteuerungssystem der F-16 unter normalen Bedingungen einen 1G-Befehl aufrecht. Wenn sich die Fluggeschwindigkeit ändert, muss der Pilot nicht die traditionelle mechanische Trimmtechnik anwenden, bei der der Knüppel ständig neu positioniert werden muss, um den gewünschten Flugzustand beizubehalten. Stattdessen regelt das Flugsteuerungssystem die Beziehung zwischen der Eingabe des Piloten und der Reaktion des Flugzeugs. Deshalb fühlt sich die F-16 so anders an als ältere Flugzeuge.

Während das traditionelle Modell besagt: Ändern Sie Ihre Geschwindigkeit, ändern Sie die Knüppelposition, dann trimmen Sie das Flugzeug neu, wählt die F-16 die gewünschte Reaktion und lässt dann das Flugsteuerungssystem das Flugzeug verwalten. Für einen Flugsimulationspiloten, der auf eine F-16 umsteigt, ist das Verständnis dieses Unterschieds wertvoller als nur zu wissen, welcher Knopf was bewirkt.

Wie der menschliche Faktor hineinspielt

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Mechanik nur bis zu einem gewissen Punkt weiterhilft, wenn man es mit interaktiver Steuerung zu tun hat. Die Ergonomie spielt auch bei kraftmessenden Systemen eine entscheidende Rolle. Das bedeutet, dass das Design den Komfort des Piloten in den Vordergrund stellen muss. Bei der F-16 wurde der Knüppel aus der traditionellen Position zwischen den Beinen des Piloten auf die rechte Seite des Cockpits verlagert.

Dies geschah nicht nur, um auf Bildern besser auszusehen. Der verlagerte Knüppel führte zu einer Armstütze zur Unterstützung des Arms des Piloten. Man fand heraus, dass der Arm eines Piloten bei Manövern mit hoher G-Belastung effektiv viel schwerer wird. Bei 9G ist ein nicht unterstützter Arm unglaublich schwer präzise zu bewegen, insbesondere wenn der Pilot über längere Zeiträume eine genaue Kontrolle aufrechterhalten muss.

Während der traditionelle Mittelknüppel größere Armbewegungen erfordert, ermöglicht der Sidestick der F-16 dem Piloten, den Arm ruhen zu lassen und kontrollierte Eingaben hauptsächlich mit dem Handgelenk und dem Unterarm vorzunehmen. Auch der um ca. 30 Grad geneigte F-16-Sitz ist Teil dieses ergonomischen Ansatzes.

Die wichtigere Lektion hierbei ist, dass der F-16-Sidestick nicht nur einen neuen Ort für einen Joystick bedeutet, sondern dass das gesamte Cockpit darum herum entworfen wurde, wie der Pilot mit ihm interagiert. Dieselbe grundlegende ergonomische Philosophie findet sich auch in späteren Kampfflugzeugdesigns wieder, darunter F-22, Eurofighter Typhoon, Rafale und F-35.

Dies ist auch der Grund, warum die Sidestick-Steuerungen für die Flugsimulation interessant sind. Die Montageposition, die Griffausrichtung, die Armstütze und die Eingaberichtung beeinflussen, wie sich die natürliche Kraftrichtung der Pilotenhand an der Steuerungsebene ausrichtet. Dies stellt sicher, dass die Richtung, in die der Pilot natürlich Kraft ausübt, eng mit der Nick- und Rollachse des Knüppels korrespondiert.

Der Airbus-Sidestick ist nicht kraftmessend

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass der Airbus-Sidestick ebenfalls auf irgendeine Weise kraftmessend ist. Die Airbus A320-Familie verwendet einen Sidestick, aber ihr Steuerungssystem unterscheidet sich grundlegend von dem kraftmessenden Sidestick der F-16. Die Airbus-Steuerung nutzt kleine physische Auslenkungen mit Federbelastung und Positionserfassung. Obwohl also beide Flugzeuge einen Sidestick haben, sind die Eingabemechanismen unterschiedlich.

Letztendlich hängt die richtige Hardware davon ab, was Sie reproduzieren möchten. Wenn Sie einen Airbus simulieren, ist ein Sidestick mit kurzem Auslenkweg die bessere Wahl. Wenn Sie jedoch eine F-16 simulieren, besteht die Herausforderung darin, die Beziehung zwischen ausgeübter Kraft und Flugzeugbefehl nachzubilden.

Einer der Gründe für diese Wahl beim Airbus ist, dass die Positionssensoren scheinbar einfacher und zuverlässiger sind. Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass kraftbasierte Steuerung bei bestimmten Metriken zur Tracking-Genauigkeit eine bessere Leistung erbringen kann, wobei die Fehlerstreuung Berichten zufolge um etwa 30–50 % reduziert wurde.

Im realen Flugbetrieb bevorzugen Piloten jedoch im Allgemeinen die deutlich wahrnehmbare Bewegung einer konventionellen Steuerung. Während also die Kraftmessung präziser sein kann, ist sie möglicherweise auch schwieriger zu erlernen, da sie kaum oder gar kein taktiles Positionsfeedback bietet.

Beim Simulieren einer F-16 oder A320 behandeln Piloten den Joystick oft fälschlicherweise wie einen konventionellen "Positionsknüppel" und ziehen oder drücken ihn aggressiv. Während die echte F-16 auf Kraft reagiert, nutzt der Airbus-Sidestick eine relativ kleine physische Auslenkung. Dies bedeutet, dass bereits minimale Eingaben einen signifikanten Befehl erreichen können.

In DCS zum Beispiel ziehen Neulinge in der F-16 instinktiv "ganz nach hinten", was zu einer übermäßigen G-Belastung führt oder das Stick-Shaker-/Strömungsabriss-Verhalten auslöst. Dies ist eine direkte Konsequenz der Anwendung des falschen Steuerungsmodells.

Der häufigste Fehler beim Umstieg auf eine F-16-Simulation ist, den Knüppel wie einen herkömmlichen Joystick zu behandeln. Man zieht stärker, weil man steigen will, dann zieht man noch stärker, weil man schneller steigen will. Ehe man sich versieht, hat man weit mehr G befohlen, als man beabsichtigt hatte. Das Problem ist nicht unbedingt der Simulator, sondern das Steuerungsmodell.

Ein herkömmlicher Joystick lehrt:

Weiter bewegen = mehr Eingabe.

Ein kraftmessendes F-16-Setup lehrt:

Stärker drücken = mehr Eingabe.

Auch wenn das nach einem kleinen Unterschied klingt, ändert es letztendlich die Art und Weise, wie Sie Ihre Hand benutzen. Anstatt Ihren gesamten Arm zu bewegen, denken Sie daran, Druck über das Handgelenk und den Unterarm auszuüben. Anstatt den Knüppel zu greifen und in die gewünschte Richtung zu werfen, machen Sie kontrollierte Eingaben. Ein nützliches mentales Modell besteht darin, den Knüppel wie eine Waage und nicht wie einen Hebel zu behandeln. Man bewegt eine Waage nicht über einen großen Bereich; man übt einfach mehr oder weniger Druck aus.

Der Unterschied zwischen Kraftmessung und Force Feedback

Dies ist wahrscheinlich die wichtigste Unterscheidung, die Flugsimulationspiloten verstehen müssen. Kraftmessung und Force Feedback sind nicht dasselbe. Auch wenn ihre Namen ähnlich klingen, enden die Gemeinsamkeiten dort bereits fast. Die Kraftmessung erfordert, dass der Pilot Kraft auf die Steuerung ausübt. Das bedeutet, dass die Kraft wie folgt verläuft: Pilot → Steuerung. Die Steuerung misst dann diese Kraft und sendet die Eingabe an das Flugsteuerungssystem.

Andererseits nutzt Force Feedback die Steuerung, um Kraft zurück in Richtung des Piloten zu erzeugen. Durch die Verwendung von Motoren oder anderen Mechanismen zur Erzeugung von physischem Widerstand, Bewegung, Vibration oder Steuerungslast verläuft die Kraft hier: Steuerung → Pilot.

Das bedeutet, ein F-16-Sidestick ist eine kraftmessende Steuerung, während eine moderne FFB-Flugbasis ein Force-Feedback-System ist. Die beiden Technologien können jedoch in einem Simulator dennoch zusammenarbeiten, was die Sache interessant macht.

Eine Force-Feedback-Basis kann so konfiguriert werden, dass extrem niedrige Zentrierungskräfte erzeugt werden und ein Steuererlebnis reproduziert wird, bei dem sich der Pilot primär auf ausgeübten Druck statt auf große Knüppelbewegungen verlässt. Das bedeutet, dass die Software und Konfiguration die von der Hardware erzeugte Kraft nutzen können, um Eigenschaften zu reproduzieren, die mit einem kraftmessenden Cockpit assoziiert sind.

Wählen Sie Präzision mit MOZA

Warum also der ganze Aufwand? Die Antwort beginnt mit der Umgebung, in der moderne Kampfflugzeuge operieren. Ein Kampfpilot muss möglicherweise präzise Steuereingaben vornehmen, während er hohe G-Kräfte, hohe Arbeitsbelastung, schnelle Änderungen der Flugzeuglage und intensive physische Belastungen erfährt. Große Knüppelbewegungen sind in dieser Umgebung nicht unbedingt ideal.

Eine kraftmessende Steuerung ermöglicht es dem Piloten, den Arm abgestützt zu halten und relativ kleine physische Bewegungen auszuführen, während dennoch signifikante Flugzeugreaktionen befohlen werden. Es ermöglicht dem Flugsteuerungscomputer auch, die Kraft des Piloten als Befehl zu interpretieren, anstatt einfach die mechanische Knüppelposition zu reproduzieren. Dies kann eine sehr direkte Beziehung zwischen der Eingabe des Piloten und der Reaktion des Flugzeugs bieten.

Hier schlägt die MOZA-Hardware eine interessante Brücke zwischen realer Flugzeug-Steuerungsphilosophie und Simulations-Hardware. Das Flug-Ökosystem von MOZA basiert auf aktiver Force-Feedback-Steuerung. Unsere Force-Feedback-Basen nutzen motorgetriebene Belastung, um Kräfte zu reproduzieren, die sich mit dem simulierten Flugzeug und seinem Flugzustand ändern. MOZA unterstützt derzeit mehrere Force-Feedback-Ansätze, einschließlich Standard-Force-Feedback, telemetriebasiertem Force-Feedback und dem MCLS-Modell für DCS World.

Wichtig ist zu verstehen, dass dies nicht dasselbe ist wie der Einbau eines echten F-16-Kraftsensors in einen Simulator. Die MOZA-Hardware ist grundsätzlich Force-Feedback, aber das gibt uns etwas äußerst Nützliches: die Fähigkeit, die physischen Kräfte, die auf den Knüppel wirken, zu steuern.

Durch die Reduzierung der Zentrierkraft auf ein sehr niedriges Niveau und die entsprechende Konfiguration des Eingabeverhaltens kann das System Eigenschaften einer kraftmessenden Steuerungsmethode reproduzieren. Einfach ausgedrückt:

Echte F-16:
Pilot übt Kraft aus → Flugzeug misst Kraft

MOZA kraftmessende Simulation:
Pilot übt Kraft aus → Force-Feedback-Hardware und -Software interpretieren die Interaktion → Simulator empfängt den gewünschten Steuereingabebefehl

Die Technologie ist anders, aber das Erlebnis kann in den Punkten, die für den Simulationspiloten zählen, ähnlich gestaltet werden. Dies ist einer der Vorteile eines aktiven Force-Feedback-Systems: Die Hardware ist nicht an ein festes mechanisches Verhalten gebunden. Das Steuerungsgefühl kann um das simulierte Flugzeug herum konfiguriert werden.

Center Offset: Bringen Sie Ihre Hand in die richtige Position

Das Nachbilden eines Sidesticks dreht sich nicht nur um Softwarekurven und Krafteinstellungen; die physische Position der Steuerung ist ebenfalls wichtig. In einem echten Kampfflugzeug-Cockpit ist der Sidestick dort positioniert, wo die Hand des Piloten natürlich ruht. Armstütze, Griffwinkel, Sitzposition und die Montageposition des Sidesticks arbeiten zusammen. Bei einem Desktop-Joystick sitzt dieser direkt vor Ihnen. Diese Positionen sind nicht gleichwertig.

MOZA Cockpit bietet Center Offset und Center Position Adjustment, wodurch die X- und Y-Achsen das Haltezentrum des Motors unabhängig um bis zu ±75 %, also ca. ±15 Grad, verschieben können. So können Sie die physische Ruheposition des Knüppels anpassen, um sie besser an Ihre Handposition anzupassen. Es geht um Haltung, Positionierung und die Beziehung zwischen Ihrem Arm und der Steuerung.

Eingabeachsen-Rotation: Passen Sie die Richtung Ihrer Eingabe an

Danach gibt es eine zweite Einstellung, die bei der Nachbildung eines Sidesticks von Bedeutung ist: die Eingabeachsen-Rotation. Diese rotiert die gesamte Kraft- oder Eingaberichtung von 0° bis 180°, bevor die Eingabe auf die Steuerachsen des Simulators abgebildet wird. Da der Sidestick nicht unbedingt vertikal vor dem Piloten montiert ist, entspricht die Richtung, in die Ihre Hand natürlicherweise drückt, möglicherweise nicht der herkömmlichen Ausrichtung nach oben, unten, links oder rechts eines Desktop-Joysticks.

Die Eingabeachsen-Rotation ermöglicht es, dieses Verhältnis anzupassen. Sie können das Setup beispielsweise so konfigurieren, dass die Richtung, in die Sie den Griff physisch bewegen, korrekt Nick- oder Rollbewegungen im Simulator entspricht. Der Unterschied zwischen den beiden Einstellungen ist einfach: Der Mittelpunkt-Offset (Center Offset) bestimmt, wo Ihre Hand ruht, während die Eingabeachsen-Rotation definiert, was die Richtung Ihres Drucks bewirkt. Zusammen helfen sie dabei, die Lücke zwischen einem Desktop-Simulator und einer seitlich montierten Cockpitsteuerung zu schließen.

Das Telemetrie-Force-Feedback-System von MOZA kann Echtzeit-Flugdaten wie Fluggeschwindigkeit, Höhe, G-Belastung, Anstellwinkel und Strömungsabrissbedingungen nutzen, um in unterstützten Simulatoren dynamische Steuerkräfte zu erzeugen.

Die Flugsimulation konzentrierte sich traditionell stark auf visuelle Genauigkeit. Ein überzeugendes Cockpit ist jedoch nicht nur etwas, das man betrachtet; es ist etwas, mit dem man interagiert. Deshalb werden Technologien wie Force-Feedback in der Flugsimulation immer wichtiger. MOZAs aktuelles Flug-Sortiment erweitert sich über einzelne Steuerelemente hinaus hin zu einem umfassenderen Cockpit-Ökosystem, das Force-Feedback-Bases, Yokes, Sidesticks, Displays, Panels und weitere Steuerelemente umfasst.

Mit der richtigen Kombination aus Hardware, Software, Ergonomie und Konfiguration können Sie diese Konzepte in einem Simulator zusammenführen, der sich weniger wie die Bedienung eines Computers und mehr wie die Interaktion mit einem Flugzeug anfühlt. Das ist das wahre Potenzial moderner Flugsimulation. Die Steuerung muss sich nicht immer bewegen. Manchmal ist die Kraft die Steuerung.