Flugsteuerungsmodus
Moderne große Transportflugzeuge sind so konzipiert, dass sie sich auf anspruchsvolle Flugcomputer verlassen, die das Flugzeug während des Fluges schützen. Die Computer unterliegen Rechengesetzen, die die Flugsteuerungsmodi während des Fluges auswählen.
Flugzeuge mit Fly-by-wire-Systemen erfordern computergestützte Flugsteuerungsmodi, die in der Lage sind, den jeweiligen Betriebsmodus (Rechengesetz) des Flugzeuges zu bestimmen. Eine Reduktion der elektronischen Flugsteuerung kann die Folge des Ausfalls eines Rechners, zum Beispiel Flugsteuerungscomputer oder des Versagens von mehreren Systemen sein. Elektronische Flugsteuerungssysteme (EFCS) stellen zusätzlichen Schutz auch im Normalflug bereit, indem, zum Beispiel, Turbulenzen erkannt und Gierdämpfung ermöglicht werden.
Zwei Flugzeughersteller produzieren Verkehrsflugzeuge mit primären Flugcomputern, die Flüge unter verschiedenen Flugsteuerungsmodi (oder Gesetzen) durchführen können. Die bekanntesten sind das normale, das alternative und das direkte Gesetz sowie die mechanische Sicherung der Airbus A320-A380. Ein Fly-by-wire-System wird in den Boeing 777, 787 und 747-8 verwendet. Diese neuere Generation von Flugzeugen verwendet leichtere Elektroniksysteme, um die Sicherheit und die Leistung zu erhöhen und das Flugzeuggewicht gleichzeitig zu verringern. Da diese Systeme das Flugzeug auch vor Überbelastung schützen, kann das Gewicht durch einfachere Lösungen auf verschiedenen Komponenten weiter einsparen.
Hintergrund
Ältere Flugzeuge werden mit Steuerknüppel, Trimmruder, Rollen, hydraulische Servoventile oder andere Elemente gesteuert, die die Steuerungsoberflächen bewegen oder die Triebwerkeinstellungen anpassen. Viele neuere Flugzeuge ersetzen diese mechanische Steuerung mit Fly-by-wire-Systemen. Diese Flugzeuge haben Flugsteuerungscomputer, die elektronische Signale an Steuerungsoberflächen oder Triebwerksteuerungen senden, den Piloten informieren und Leistungsdaten aktualisieren. In älteren Flugzeugen müssen die mechanischen Steuerungen den Kräften widerstehen, die auf die Steuerungsoberflächen einwirken. Es verhindert jedoch nichts ein Strömungsabriss, zu hohe Geschwindigkeit oder eine Schräglage bei hoher Geschwindigkeit. Fly-by-wire-Systeme schränken die Bewegungen der Steuerungsoberflächen insoweit ein, dass die Grenzleistung des Flugzeuges nicht überschritten wird.
Flugzeughersteller haben eine Reihe von Flugsteuerungsmodi entworfen, die eine redundante Elektronik zum Schutz vor Überbelastung und Systemausfällen entworfen. Ausfälle können einzeln oder in Kombination auftreten und das System funktionsuntüchtig machen. Piloten müssen in der Lage sein, das Flugzeug zu steuern, wenn ein oder mehrere Fly-by-wire-Elemente ausgefallen sind. Die Systematik der Steuerungsmodi von Airbus behandelt Fälle von progressiver Verschlechterung der automatischen Schutzvorrichtungen bis hin zum komplett ungeschützten, direkten Betriebsmodus. Mechanische Steuerungsmodi sind im begrenzten Umfang auch verfügbar. Damit kann das Flugzeug gesteuert werden, während Flugsteuerungscomputer neu gestartet werden und vorübergehend komplett nicht verfügbar sind. Der Direktmodus der Boeing beseitigt viele computergestützte Einschränkungen.
Eine weitere Funktion der Flugsteuerungsgesetze ist es, die Flugzeugleistung unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten, zum Beispiel beim Start, Landung oder Reiseflug, wenn Flugsteuerungscomputer teilweise oder ganz ausfallen. Sicherungssysteme können auch ganz oder teilweise ohne Computer arbeiten.
Flugsteuerungssysteme von Airbus
Ab der Generation A300/A310 werden fast ausschließlich alle Airbus-Flugzeuge mit einem Fly-by-Wire-System gesteuert. Diese neueren Maschinen, einschließlich A-320, A330, A340, A350 und A380 werden unter Airbus-Flugsteuerungsmodi betrieben. Zwischen den Typen gibt es einige Unterschiede in der Elektrik, der Anzahl und der Bezeichnung der Flugsteuerungscomputer. Zum Beispiel, ein Airbus A320 hat insgesamt sieben Flugsteuerungscomputer, wogegen eine A330 fünf hat. In beiden Luftfahrzeugen kann ein einziger Computer die komplette Steuerung im direkten Modus übernehmen. Eine mechanische Sicherung ist im System inbegriffen, um eine begrenzte Kontrolle über das Flugzeug nach einem vorübergehenden Ausfall der Elektrik zu ermöglichen.
Die Flugsteuerungen in FBW-Flugzeugen von Airbus werden hydraulisch aktiviert und elektronisch gesteuert. Einige Oberflächen, wie das Ruder oder das Höhenleitwerk, können auch maschinell gesteuert werden. Während eines normalen Fluges verhindern Computer das übermäßige Einwirken von Kräften auf die Nick- und Rollachse.
Informationen aus zahlreichen Quellen, darunter Seitenknüppel und Ruderpedalen sowie verschiedenen Computereinheiten und Beschleunigungsmesser werden an fünf Flugsteuerungscomputer gesendet. Je nach dem jeweiligen Flugsteuerungsmodus, Höhe, Konfiguration, Einstellung, Flugphase und zahlreichen anderen Parametern werden die Eingaben der Seitenknüppel und Ruderpedalen oder des Autopiloten interpretiert und entsprechende Signale an Steuerungsaktoren gesendet. Zwei Datenkonzentratoren sammeln ebenfalls Informationen vom primären und sekundären Flugsteuerungscomputer und senden diese an das elektronische Instrumenten-System, die an die Pilotenbildschirme und den zentralen Wartungscomputer geleitet werden.
Es gibt drei primäre Flugsteuerungsgesetze (oder Modi) – das normale, alternative und direkte Gesetz. Das alternative Gesetz wird in zwei weitere Unterkategorien unterteilt. Die Unterteilung hängt von der Art des Fehlers ab. Jedes dieser drei Gesetze hat verschiedene Sub-Modi – Ground-Mode, Flight-Mode und Flare-Mode.
Der normale Modus
Der normale Modus der Flugsteuerung sieht die Steuerung der drei Achsen, den Flugbereichsschutz und die Manövererleichterung vor. Das normale Gesetz gibt es in drei Formen, je nach der unterschiedlichen Flugphase. Diese Modi umfassen:
- Ground-Mode
- Flight-Mode
- Flare-Mode
Ground-Mode
Der Ground-Mode, oder Bodenmodus, wird aktiviert, wenn das Flugzeug auf dem Boden ist. Die Autotrimm-Funktion (Ausrichten in eine bestimmte Lage) ist ausgeschaltet, sodass das Höhenruder einer manuellen Steuerung unterliegt. Das Höhenleitwerk wird automatisch positioniert, aber manuelle Einstellungen überschreiben diese Option. Unmittelbar nachdem die Räder den Boden verlassen haben, löst der Flugmodus nach und nach den Bodenmodus ab. Der umgekehrte Vorgang findet nach dem Aufsetzen bei der Landung statt.
Flight-Mode
Der Flugmodus bietet fünf Stufen der Sicherung: Nicklage, Beschränkung des Lastfaktors, hohe Geschwindigkeit, hoher Anstellwinkel und Querneigungswinkel. Darüber hinaus ist während bestimmter Flugphasen ein Kleingeschwindigkeitsschutz verfügbar. Der Flugmodus des normalen Modus setzt nach dem Start ein und bleibt bis zu einer Höhe von 30 Meter über dem Boden während der Landung aktiv. Ausfall eines oder mehrerer Systeme in diesem Modus würde in einer automatischen Umschaltung vom normalen Gesetz zum alternativen Gesetz resultieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Steuerungen liefert der Seitenknüppel im normalen Flugmodus einen Ladefaktor proportional zur Auslenkung, die von der Flugzeuggeschwindigkeit unabhängig ist. Wenn der Seitenknüppel in der neutralen Position ist, wird das System einen Ladefaktor von 1 Gramm aufrechterhalten und das Flugzeug bleibt im Geradeausflug. Der Pilot muss die Trimmung selbst bei Änderung der Geschwindigkeit oder Konfiguration nicht anpassen. Für manuelle Drehungen bis zu einem Winkel von 33° ist kein Gegendruck auf den Seitenknüppel erforderlich, da das System das Flugzeug automatisch trimmen wird, um den Geradeausflug weiter zu führen. Das System blockiert die Auto-Trimmung, wenn der Anstellwinkel zu groß wird, der Ladefaktor mehr als 1,3 Gramm beträgt oder der Drehwinkel die 33° überschreitet. Wenn diese Situationen als Folge eines bewusst eingeleiteten Manövers auftreten, muss der Pilot Gegendruck auf die Seitenknüppel ausüben, um gewählte Einstellungen zu behalten. Jedenfalls beschränkt der Ladefaktorschutz die Steuerungseingaben, sodass das Flugzeug nicht über den Grenzen des für ihn Möglichen geflogen wird.
Die Sicherung des kritischen Anstellwinkels hat Priorität gegenüber allen anderen Schutzvorrichtungen. Die Sicherung wird aktiviert, wenn der Anstellwinkel sich in einem bestimmten, potenziell kritischen Bereich befindet und die Steuerungseingaben des Piloten annehmen lassen, dass die Obergrenze des Bereichs überschritten werden kann. Kommen die entsprechenden Befehle vom Autopiloten, wird dieser außer Kraft gesetzt und die Sicherung des kritischen Anstellwinkels wird automatisch aktiviert.
Übergeschwindigkeitsschutz wird gestartet, um automatisch aus einer Hochgeschwindigkeitssituation auszuleiten. Es gibt zwei Geschwindigkeitsbegrenzungen für Höhenflugzeuge – VMO (velocity maximum operational, maximale Betriebsgeschwindigkeit) und MMO (mach maximum operational, etwa: betriebliches Mach-Maximum). Auf einer Höhe von etwa 10.000 Meter sind die beiden Geschwindigkeiten gleich. Unter dieser Höhe wird die Übergeschwindigkeit durch die VMO bestimmt und darüber durch die MMO. Die Aktivierung dieses Schutzmechanismus stabilisiert den Geradeausflug und reduziert die Geschwindigkeit.
Querneigungswinkel. Sollte der Seitenknüppel innerhalb eines normalen Flugleistungsbereiches, wenn der Querneigungswinkel mehr als 33° beträgt, freigelassen werden, wird dieser automatisch wieder auf die sichere Einstellung reduziert. Mit einer vollen Auslenkung des Seitenknüppels beträgt der maximal erreichbare Querneigungswinkel 67°. Sollten entweder Schutzmechanismen für kritischen Anstellwinkel oder Übergeschwindigkeit aktiviert sein, kann man mit voller Auslenkung des Seitenknüppels einen Querneigungswinkel von maximal 45° erreichen. Die Sicherung des maximalen Querneigungswinkels schützt das Flugzeug vor dem Einleiten einer Steilkurve.
Niedrigenergieschutz. Diesem Schutzmechanismus liegen Parameter wie Konfiguration, Verzögerungsrate der Fluggeschwindigkeit und Flugbahnwinkel zugrunde. Die akustische Warnung „Speed Speed Speed“ zeigt dem Piloten an, dass die Energie des Flugzeuges zu niedrig ist und der positive Flugbahnwinkel gefährdet ist.
Flare-Modus
Dieser Modus wird automatisch aktiviert, wenn der Höhenmesser etwa 30 Meter über dem Boden misst. Die Einstellung bereitet die Steuerungsoberflächen auf die Landung vor.
Der alternative Modus
Es gibt je nach der Art des Fehlers zwei Alternativ-Modi für Fly-by-wire-Flugzeuge der Airbus.
Alternativ-Modi 1 (ALT1): beinhaltet Teile des normalen Modus. Niedrigenergieschutz wird durch Niedriggeschwindigkeitsstabilität ersetzt, sodass das Flugzeug keine automatische Strömungsabrisssicherung mehr hat. Bei niedriger Geschwindigkeit basiert die Eingabe, den Bug nach unten zu ziehen, auf den direkten Messungen der Geschwindigkeitssensoren und nicht auf dem kritischen Anstellwinkel. Zusätzlich ertönt eine akustische Warnung vor einem Strömungsabriss.
Die Sicherung des Ladefaktors und des Querneigungswinkels bleiben erhalten.
Im Alternativ-Modus 2 (ALT2) verändert sich die gewöhnliche Steuerung der drei Flugzeugachsen. Einige Schutzmechanismen wie Übergeschwindigkeitsschutz oder Sicherung des Querneigungswinkels werden außer Kraft gesetzt.
Die Abschaltung der im Normalflug wichtiger Schutzmechanismen ist in den Alternativ-Modi deshalb wichtig, weil verschiedene Arten von Fehlern kritische Manöver oder Überschreitung der zulässigen Höchstparameter erfordern können, um die Steuerung und den sicheren Flugbetrieb wieder herzustellen. Auch der Autopilot wird in einigen Fällen ausgeschaltet.
Der direkte Modus
Im direkten Modus werden Steuerungsoberflächen direkt vom Seitenknüppel oder Steuerhorn ausgelöst. Alle automatischen Schutzmechanismen gehen verloren. Die maximale Auslenkung des Höhenruders ist insoweit begrenzt, wie es der aktuelle Flugzeugschwerpunkt zulässt. Der direkte Modus wird eingeleitet, wenn fundamentale Avionikkomponenten nicht betriebsfähig sind.
Mechanisches Back-up
Das mechanische Sicherungssystem ermöglicht es, die Nick-Achse und die seitliche Neigung des Flugzeuges zu kontrollieren, währen die elektronischen Systeme nach einem Fehler oder Stromausfall wieder hochgefahren werden müssen.
Flugsteuerungssysteme von Boeing
Die Herangehensweise an die Flugsteuerungssysteme in FBW-Flugzeugen von Boeing wurde mit dem 777-Model erstmals präsentiert. Das System soll in ähnlicher Weise auf Befehle reagieren, das mechanisch gestützte Flugsteuerungssystem. Das B777-System wird elektronisch gesteuert, sodass auch der Flugbereichsschutz gegeben ist. Das System arbeitet auf zwei Ebenen – es gibt 4 Einheiten, die die Aktoren steuern (ACE), und drei Hauptflugrechner (PFC).
Standardverfahren und Erweiterungen
Das 777-Flugsteuerungssystem ist so konzipiert, dass die Steuerungsbefugnis ab einem bestimmten Bereich begrenzt wird, indem der Gegendruck erhöht wird, sobald die Grenze erreicht wird. Folgende Sicherungsmechanismen und Erweiterungen sind vorgesehen: Sicherung des Querneigungswinkels, Wendungsausgleich, Überzieh- und Übergeschwindigkeitsschutz, Nick-Steuerung, Stabilitätserweiterung und Ausgleich der Schubkraftasymmetrie. Der Grundgedanke ist es, „den Piloten in Kenntnis zu setzen, dass der eingegebe Befehl das Flugzeug in Betrieb außerhalb des normalen Flugbereiches setzen würde, jedoch nicht an der Eingabe zu verhindern“. Mit anderen Worten macht das System die Crew durch taktische, visuelle und akustische Hinweise und Warnungen dafür aufmerksam, dass die Einstellungen für den Flugbereich kritisch sind. Die Sicherungsmechanismen schränken die Handlungen des Piloten jedoch nicht ein.
Im normalen Modus während des manuellen Fluges erhalten die Aktoren die Steuerungseingaben des Piloten und senden die Signale an die drei Hauptcomputer weiter. Die Computer überprüfen die Signale, nutzen Informationen aus anderen Flugzeugsystemen und berechnen Befehle für die Steuerungsoberflächen. Die Befehle gehen zurück an die Aktoren, die mit erweiterten Signale die gewünschten Bewegungen der Steuerungsoberflächen veranlassen.
Wenn der Autopilot aktiviert ist, übernimmt er die Leitung der Signale an die Hauptcomputer. Wenn der Pilot die Befehle des Autopiloten überschreibt, wird dieser außer Kraft gesetzt.
Der sekundäre Modus der Boeing-Maschinen ist ähnlich dem alternativen Modus der Airbus. Wenn die Hauptrechner aufgrund von Fehlern den normalen Flugmodus nicht aufrechterhalten können, schalten sie automatisch in den sekundären Modus um. Der Autopilot wird komplett ausgeschaltet und der Pilot muss das Flugzeug manuell steuern. Die Aktoren können die Eingaben des Piloten immer noch empfangen und entsprechende Signale an die Computer zurücksenden. Die Computer verwenden jedoch vereinfachte Berechnungen, um die Befehle für die Steuerungsoberflächen des Flugzeuges zu erzeugen.
Die Handhabungseigenschaften des Flugzeuges werden vom sekundären Flugmodus in Mitleidenschaft gezogen. Während alle Steuerungsoberflächen funktionsfähig bleiben, sind die Ruder des Flugzeuges bei manchen Geschwindigkeiten empfindlicher. Folgende Funktionen fehlen im sekundären Flugmodus ganz oder teilweise:
- Autopilot
- Automatische Luftbremse
- Flugbereichsschutz
- Böen-Abminderung
- Tailstrike-Schutz (Berühren des Bodens vom Heck)
- Ausgleich der Schubkraftasymmetrie
- Gierdämpfung
Die Aktoren schalten automatisch in den direkten Modus um, sobald sie den Ausfall aller drei Hauptcomputer entdecken oder wenn sie mit denen nicht länger kommunizieren können. Der direkte Modus kann auch manuell ausgewählt werden. Die Hauptcomputer sind danach nicht länger in der Lage, Impulse für die Steuerungsoberflächen zu generieren. Stattdessen werden die Eingaben des Piloten direkt an die Steuerungsoberflächen geleitet. Der direkte Modus ermöglicht es dennoch, das Flugzeug im Reiseflug und bei der Landung vollständig zu steuern.
Das Boeing-System verfügt ebenfalls über eine mechanische Sicherung, mit der das Flugzeug beim Versagen der elektrischen Systeme vorübergehend gesteuert werden kann.