Autopilot

Ein Autopilot ist ein System zur Steuerung eines Flugzeuges ohne direkte Beteiligung eines Piloten. Autopiloten können die Bedienung durch Menschen nicht vollständig ersetzen, sondern dienen der Unterstützung und ermöglichen die Konzentration auf einem breiteren Aufgabenspektrum wie Überwachung übriger Flugzeugsysteme, der Flugbahn, des Wetters. Autopiloten kommen auch auf Schiffen, Raumfahrzeugen, Raketen, Hubschraubern und anderen Fahrzeugen zum Einsatz. Die Funktionsweise und die Komplexität der Autopiloten haben sich im Laufe der Zeit wesentlich weiterentwickelt, von einfachen Modellen, welche lediglich die Flughöhe halten konnten, bis hin zu modernen Versionen, die eine Landung unter Aufsicht des Piloten durchführen können.

Geschichte

Erste Autopiloten

Zu Beginn der Entwicklung der Luftfahrt wurde die ständige Aufmerksamkeit des Piloten für einen sicheren Flug vorausgesetzt. Als sich die allgemeine Komplexität der Luftfahrzeuge erhöhte, führte die ständige, hohe Konzentration der Piloten zur schweren Müdigkeit. Der Autopilot übernimmt einige Aufgaben des Piloten.
Der erste Flugzeugautopilot wurde vom US-Amerikanischen Hersteller für Elektronik, Computer, Landmaschinen und Hydraulikausrüstung „Sperry Corporation“ erfunden. Der Prototyp verband einen gyroskopischen Kurskreisel mit hydraulisch angetriebenen Höhen- und Seitenrudern. Dies erlaubte es, gerade nach dem Kompasskurs zu fliegen, ohne dass der Pilot besondere Aufmerksamkeit darauf legen musste, was die Arbeit des Piloten wesentlich vereinfachte.

Lawrence Sperry, der Sohn des berühmten Erfinders Elmer Sperry, demonstrierte das Gerät auf einem Luftsicherheitswettbewerb in Paris 1914, indem er ein Flugzeug geführt hat, ohne das Steuer zu berühren. Nach dem Ersten Weltkrieg setzte Elmer Sperry Jr., der Sohn von Lawrence Sperry, zusammen mit Capt Shiras die Arbeit am selben Autopiloten fort. 1930 testeten sie eine kompaktere und zuverlässigere Version des Autopiloten, mit dem die Flugzeuge der US Army 3 Stunden lang die richtige Flughöhe und Flugrichtung aufrechterhalten konnten.

1930 entwickelte die „Royal Aircraft Establishment“ in England einen Autopiloten namens „a pilots‘ assister“ (deutsch: Assistent des Piloten), welcher mit pneumatisch gesponnenem Gyroskop die Flugsteuerung bewegte.
Das Gerät wurde im Laufe der Zeit weiterentwickelt, neue Funktionen wie verbesserter Steuerungsalgorithmus und hydraulischer Servomechanismus kamen hinzu. Darüber hinaus machten neue Funknavigationshilfen Flüge bei Nacht und bei schlechtem Wetter möglich. 1974 führte eine Douglas C-54 Skymaster der US Air Force einen transatlantischen Flug einschließlich Start und Landung komplett unter Kontrolle des Autopiloten.

Moderne Autopiloten

Nicht alle Passagierflugzeuge heute haben ein Autopilotsystem. Ältere und kleinere Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt können immer noch ausschließlich per Hand gesteuert sein, insbesondere, wenn sie weniger als 20 Plätze haben und auf Kurzstreckenflügen mit zwei Piloten eingesetzt werden. Die Installation von Autopiloten in Flugzeugen mit mehr als 20 Plätzen ist in der Regel durch internationale Luftfahrtabkommen vorgeschrieben. Es gibt drei Steuerungsebenen der Autopiloten für kleine Flugzeuge. Ein Autopilot mit einer Achse kontrolliert das Flugzeug auf der positiven x-Achse, ein Zweiachsen-Autopilot auf der positiven y-Achse. Ein Dreiachsen-Autopilot, bei dem die positive z-Achse eingeschlossen wird, wird nicht in kleineren Flugzeugen benötigt.

In modernen, komplexen Flugzeugen werden Dreiachsen-Autopiloten eingesetzt. Sie teilen den Flug in folgende Phasen: Taxiing, Start, Steigflug, Reiseflug, Sinkflug, Landeanflug und Landung. Es gibt Systeme, welche alle Phasen, außer Taxiing und Start, automatisieren.

Moderne Autopiloten verwenden Computersoftwares zur Steuerung des Flugzeuges. Die Software liest die aktuelle Position des Flugzeuges ab und weist sodass das Flugsteuerungssystem an, das Flugzeug zu führen. Neben der klassischen Flugsteuerung übernehmen viele Autopiloten in solchen Systemen auch die Schubvektorsteuerung, welche die Drosselklappen kontrolliert und so die Fluggeschwindigkeit optimiert, sowie bewegen den Treibstoff zu verschiedenen Tanks, um die Flugzeugbalance auf den optimalen Flughöhen zu halten. Obwohl Autopiloten in einer gefährlichen Situation nicht flexibel reagieren können, fliegen sie grundsätzlich mit weniger Treibstoffverbrauch als menschliche Piloten.

Aufbau

Auto Flight System (AFS) – das AFS umfasst verschiedene Mechanismen, die für die Erhaltung der konstanten vorgegebenen Flughöhe und Flugrichtung zuständig sind. Die einzelnen Komponenten des gesamten Systems können auch unabhängig voneinander laufen und vom Piloten ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Flight Director (FD) – ein FD ist ein Fluginstrument auf dem künstlichen Horizont, der dem Piloten die für einen bestimmten Kurs notwendige Flughöhe anzeigt. Der Flight Director berechnet und zeigt den erforderlichen Steigungswinkel und den Querneigungswinkel, die eingehalten werden müssen, um auf einem vorgegebenen Kurs zu bleiben. Der FD wird in der Regel in direkter Verbindung mit dem Autopiloten eingesetzt, wobei der Flight Director Anweisungen an den Autopiloten gibt.
Stability Augmentation Systems (deutsch: Stabilitätserhöhungssysteme, SAS) – die SAS ist eine weitere Art der Flugsteuerungssysteme. Anstatt die vorgegebene Flughöhe oder den Kurs aufrecht zu halten, betätigt die SAS die Mechanismen der Flugsteuerung, um das Flattern zu dämpfen, unabhängig von der Flughöhe oder der Flugbahn. SAS können das Flugzeug automatisch auf einer oder mehreren Achsen stabilisieren. Die meisten SAS sind Gierdämpfer, welche die Tendenz zur Gier-Schwingung der Pfeilflügelflugzeuge minimieren sollen. Einige Gierdämpfer sind Bestandteil der Autopilotsysteme, andere stellen eigenständige Einheiten dar. Gierdämpfer bestehen typischerweise aus einem Drehratensensor, einem Computer und einem Servoantrieb. Ein Drehratensensor erkennt den Zeitpunkt, an dem die Gier-Schwingung eintritt. Ein Computer verarbeitet die Signale des Sensors, um die Menge der Ruderbewegung zur Dämpfung der Gier-Schwingung zu bestimmen. Sodann gibt der Computer einen Befehl an den Servoantrieb aus, diese Bewegungen auszuführen.
Auto Throttle System, oder Autothrottle (sinngemäß – automatische Drosselung) – ermöglicht die Kontrolle der Triebwerkleistung durch Bestimmung gewünschter Flugeigenschaften. Das System kann den Treibstoff sparen und die Lebensdauer der Triebwerke verbessern, indem es eine bestimmte Menge an Treibstoff dosiert, welche notwendig ist, um eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit zu erreichen. Es gibt zwei relevante Parameter – Geschwindigkeit und Schubkraft. Im Geschwindigkeitsmodus wird der AT darauf eingestellt, ein Geschwindigkeitsziel zu erreichen. Diese Option kontrolliert die Fluggeschwindigkeit innerhalb eines sicheren Spielraumes. Zum Beispiel, wenn der Pilot eine Geschwindigkeit unter der Überziehgeschwindigkeit (welche zu einem Strömungsabriss führen kann), oder über der maximalen Geschwindigkeit einstellt, wird das Auto Throttle System die Geschwindigkeit aussuchen, welche sowohl nahe dem vom Piloten eingegebenen Wert liegt, als auch sich in einem sicheren Bereich befindet. Im Schubmodus stellt Auto Throttle System die Triebwerke auf eine konstante Leistung entsprechend der jeweiligen Flugphase ein.
Flight Management System (FMS) – stellt eine grundlegende Komponente der Avionik der modernen Flugzeuge dar. Das FMS ist ein spezialisiertes Computersystem, das eine Vielzahl von Flugaufgaben automatisiert und so die Belastung der Cockpit-Crew verringert. Die primäre Funktion des FMS ist die Durchführung des Flugplanes. Nach der Eingabe des Flugplanes und des aktuellen Standortes kalkuliert das FMS den Kurs, dem das Flugzeug folgen soll. Der Pilot kann dem Kurs entweder manuell befolgen, oder die Steuerung übernimmt der Autopilot.
Flight Envelope Protection, FEP (deutsch etwa: Schutz der Flugbereichsgrenze) – ist eine Erweiterung der Benutzerschnittstelle eines Flugzeugsteuersystems. Sie gibt dem Piloten an, wenn seine Befehle die strukturellen und aerodynamischen Grenzen des Flugzeuges überschreiten würden. Das FEP ist in der einen oder anderen Form in jedem elektronisch gesteuerten Flugzeug vorhanden. Der Vorteil der FEP-Systeme liegt darin, dass sie die Piloten in einer Notfallsituation insoweit einschränken, dass sie schnell reagieren können, ohne das Flugzeug zu gefährden. FEP beschreibt die sicherheitsrelevanten Höchst- und Untergrenzen in Hinblick auf minimale und maximale Fluggeschwindigkeit und strukturelle Festigkeit und bringt das Flugzeug dazu, die sicherheitsgefährdenden Befehle des Piloten zu ignorieren.

Computersysteme

Die Hardware variiert je nach Einsatzzweck. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind, jedoch, Redundanz und Zuverlässigkeit. Einige Autopiloten verwenden auch die sogenannte „Design Diversity“ (deutsch: Gestaltungsvielfalt) – ein Verfahren, das redundante Systeme vor sich wiederholenden Ausfällen schützt. Kritische Softwareprozesse laufen dann nicht nur auf separaten Computern und nutzen sogar auch verschiedene Architekturen, sondern jeder Computer führt Softwares aus, die von unterschiedlichen Entwicklerteams oft in unterschiedlichen Programmiersprachen geschrieben wurden. Es gilt allgemein als unwahrscheinlich, dass unterschiedliche Softwareprogrammierer dieselben Fehler machen. Da die Softwares so teurer und komplexer werden, bleibt die Gestaltungsvielfalt immer öfter außer Acht gelassen, weil immer weniger Unternehmen es sich leisten können. Die Flugsteuerungscomputer auf der US-amerikanischen Raumfähre „Space Shuttle“ hatten folgende Bauweise: es gab fünf Computer, vier davon führten redundant dieselbe Software aus, auf dem fünften lief eine Sicherungssoftware, welche unabhängig entwickelt wurde. Die Software auf dem fünften System stellte nur die grundlegenden Funktionen bereit, die notwendig waren, um das Shuttle zu fliegen, ohne Gemeinsamkeiten mit den anderen vier Computern.

Siehe auch