NIECH PŁYNIE PRĄD

Alternatywy do zasilania elektrycznego w dobie przyrządów cyfrowych

Autor – Dave Higdon

Niniejszy artykuł jest tłumaczeniem i przedrukiem oryginalnego artykułu „Keeping the juice flowing” z Avionics News, luty 2018

Istnieje pewien truizm powtarzany przez pilotów podczas rozmów w hangarze i w czasie różnych, innych dyskusji, który ma w sobie ziarno prawdy w odniesieniu do systemów elektrycznych. Brzmi on tak: „Jedyna sytuacja, w której masz za dużo paliwa jest wtedy, kiedy twój samolot się pali”. W przypadku systemów elektrycznych odwracamy ten truizm: „Właściwie nie istnieje sytuacja, w której masz za dużo prądu”.

Oczywiście są sytuacje zbyt wysokiego napięcia, które mogą doprowadzić do spalenia komponentów elektrycznych – jednak nasze samoloty zazwyczaj są zabezpieczone przeciw takim sytuacjom w postaci automatycznych wyłączników, bezpieczników i listew zabezpieczających, przeznaczonych do odcinania zasilania od systemów elektrycznych. To nie to samo, co posiadanie wielu opcji utrzymania dopływu zasilania elektrycznego do krytycznych przyrządów, urządzeń komunikacyjnych i nawigacyjnych. A dzisiejszym świecie w pełni szklanych kabin i przyrządów cyfrowych, wielość opcji to już bardziej konieczność niż luksus.

Sprowadza się to do tego: brak prądu do zasilenia tych wyświetlaczy, brak informacji na wyświetlaczach, brak radia, brak nawigacji i brak informacji o statusie jednostki napędowej. Dzisiaj, przy niektórych wymianach na szklane panele wybierana jest opcja pozostawienia wybranych przyrządów analogowych. Dla cyfrowych kabin statków powietrznych latających według IFR, Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) chce widzieć przynajmniej wskazania informacji dla pilota, tak zwanego potrójnego A: airspeed (prędkość), altitude (wysokość) i attitude (położenie przestrzenne). Istnieją opcje niezależnie zasilanych cyfrowych wersji potrójnego A;opcje „trójpaku” przyrządów analogowych z prędkościomierzem i wysokościomierzem dołączonymi do instalacji ciśnienia statycznego i całkowitego oraz z wbudowaną baterią podtrzymującą zasilanie sztucznego horyzontu.

Niektórzy lotnicy wolą pozostać przy tym samym formacie informacji, jaki jest na standardowym wyświetlaczu PFD, instalując jego mniejszy odpowiednik mający własne zasilanie bateryjne albo zasilany drugim lub awaryjnym źródłem.

Jednak alternatywne zasilanie wyłącznie dla przyrządów pilotażowych nie zapewnia „z automatu” awaryjnego zasilania dla pozostałej części przyrządów i urządzeń na tablicy przyrządów – radiostacji służących pilotom do komunikacji i nawigacji.

Rozwiązania rezerwowego zasilania elektrycznego mogą zapewnić wypełnienie tej potrzeby, a pojawiły się one dekady przed cyfrowymi przyrządami pilotażowymi. W rzeczywistości, można uznać, że większość samolotów certyfikowanych według przepisów Part 23 zapewnia nieodłączną alternatywę dla źródła prądu elektrycznego, a także większość pilotów lata w samolotach z analogowymi tablicami przyrządów, polegając na głównym akumulatorze jako awaryjnym źródle zasilania.

Ten stan zależy od podziału konfiguracji zasilania większości przyrządów pilotażowych samolotów lekkich: dwóch napędzanych podciśnieniem powietrza analogowych przyrządów żyroskopowych: sztucznego horyzontu oraz żyrobusoli oraz trzech powietrznych przyrządów pilotażowych: prędkościomierza, wysokościomierza oraz wariometru. Żaden z nich nie potrzebuje zasilania elektrycznego do działania. Oprócz nich istnieje elektrycznie napędzany zakrętomierz. Przy utracie zasilania powietrzem, elektryczny zakrętomierz wciąż się obraca, przy utracie zasilania elektrycznego pracuje pięć wspomnianych przyrządów napędzanych powietrzem – tak jak i wszystkie urządzenia zasilane elektrycznie, lecz one pracują tylko dopóki starczy prądu w akumulatorze.

Nie można tego powiedzieć o wzrastającej liczbie w pełni cyfrowych tablic przyrządów, których dużo lata w statkach powietrznych bez źródła podciśnienia lub sprężonego powietrza, ponieważ na takich tablicach nie ma przyrządów zasilanych powietrzem.

Nawet odczyty z instalacji ciśnienia statycznego i całkowitego są elektronicznymi „przekładami” ciśnienia powietrza w półprzewodnikowych – tak właśnie: elektronicznych – czujnikach danych aerodynamicznych.

Ogólnie, nazywamy je elektronicznym systemem informacji pilotażowych (ang. electronic flight information system – EFIS). Dla operatorów użytkujących statki powietrzne z elektronicznymi tablicami przyrządów, alternatywne zasilanie elektryczne jest koniecznością – jeśli nie wynikającą wprost z przepisów, to przez instynkt przetrwania i rzeczywistość, w której akumulator główny może być niewystarczający do podtrzymania działania szklanejtablicy przyrządów i radiostacji wystarczająco długo, żeby sprowadzić samolot na ziemię po całkowitej awarii instalacji elektrycznej.

Przy wydatkach na modernizację wiodącej w branży awioniki według najnowszego raportu rynkowego AEA, wydaje się że coraz więcej pilotów zwraca się w kierunku cyfrowych tablic przyrządów dla swoich samolotów.

Na szczęście, branża awioniczna zapewnia wiele opcji zasilania wyświetlaczy oraz urządzeń łączności i nawigacji.

TYPOWA INSTALACJA ZASILANIA W STATKU POWIETRZNYM Z ANALOGOWĄ TABLICĄ PRZYRZĄDÓW

W większości samolotów jednosilnikowych, akumulator kwasowy lub ostatnio, litowo-jonowy służy do dwóch celów: dostarcza moc do uruchomienia silnika oraz jest rezerwowym źródłem zasilania w przypadku utraty możliwości wytwarzania energii elektrycznej – awarii alternatora lub generatora napędzanego przez silnik samolotu.

Moc potrzebna do doładowania akumulatora i do działania radiostacji oraz przyrządów jest poprowadzona do głównej szyny zasilającej, a z niej przez wyłączniki samoczynne i bezpieczniki do różnych urządzeń zasilanych przez instalację elektryczną.

Przy utracie energii z generatora odbiorniki zostają automatycznie przełączone na akumulator główny. W erze podziału energii zasilającej przyrządy pilotażowe, akumulator główny zapewnia energię niezbędną do zasilania radiostacji, urządzeń nawigacyjnych i transpondera oraz zwykle zakrętomierza.

SPROWADZA SIĘ TO DO TEGO:

BRAK PRĄDU DO ZASILENIA TYCH WYŚWIETLACZY, BRAK INFORMACJI NA WYŚWIETLACZACH, BRAK RADIA, BRAK NAWIGACJI I BRAK INFORMACJI O STATUSIE JEDNOSTKI NAPĘDOWEJ.

Jak napisano wcześniej, napływ lub ciśnienie powietrza napędza dwa pozostałe żyroskopowe przyrządy pilotażowe: sztuczny horyzont i żyrobusolę.

Energia elektryczna stała się bardziej krytycznym problemem w samolotach lekkich z kabinami wyposażonymi w system EFIS, w którym wyświetlacze elektroniczne zaczęły wypierać analogowe tablice przyrządów.

Przejdźmy z żyroskopowych przyrządów napędzanych powietrzem na wyświetlacze elektroniczne, FAA chce w takich samolotach alternatywy: albo oddzielnych przyrządów wyposażonych we własne niezależne źródło zasilania albo drugiego źródła zasilania systemu EFIS w przypadku utraty głównego źródła energii elektrycznej.

Zamiast żyroskopów mechanicznych i analogowych przyrządów pilotażowych, takie tablice wykorzystują urządzenia zwane systemami mikroelektromechanicznymi (ang. micro-electro mechanical system – MEMS), w których zminiaturyzowany czujnik mechaniczny i elektromechaniczny jest w stanie mierzyć ruch i ciśnienie. W nowoczesnych wyświetlaczach danych pilotażowych systemy MEMS zainstalowane w systemach odniesienia kursu i pionu (ang. attitude and heading reference system - AHRS) zapewniają pomiar danych dotyczących położenia przestrzennego i kierunku ruchu. Wskutek różnicowego zorientowania czujników MEMS, system AHRS mierzy przemieszczenia w trzech osiach, zapewniając informacje dotyczące przechylenia, pochylenia i odchylenia.

Zintegrowana centrala aerodynamiczna i układ odniesienia kursu i pionu (ang. air data and attitude and heading reference system – ADAHARS) dodaje pomiary danych aerodynamicznych, które są niezbędne do wyświetlania prędkości lotu, wysokości oraz prędkości wznoszenia/opadania oprócz wspomnianych wcześniej wskazań położenia przestrzennego. Odpowiednie przeliczniki układy komputerowe przetwarzają pomiary czujników na informacje wyświetlane na ekranach. Wszystkie elementy tego procesu, poczynając od MEMS, a kończąc na wyświetlaczach PFD i MFD wymagają energii elektrycznej – stąd ten większy nacisk na zapewnienie ciągłości zasilania elektrycznego.

FAA opublikowała na ten temat dwa okólniki doradcze: AC 23.1311-1C „Installation of Electronic Display in Part 23 Airplanes” i AC 23-17C „Systems and Equipment Guide for Certification of Part 23 Airplanes and Airships”.

STANDARDY WEDŁUG FAA

Tak jak istnieją opcje modernizacji istniejących statków powietrznych poprzez instalację cyfrowych urządzeń awionicznych w miejsce dotychczasowych analogowych, tak istnieją też opcje rozszerzenia instalacji elektrycznych i po-lepszenia możliwości rezerwowych. To, o czym dyskutujemy tutaj skupia się na tym, co jest konieczne dla operacji według przepisów Part 91 samolotów certyfikowanych według przepisów Part 23. Wyższa poprzeczka postawiona jest dla samolotów Part 23 używanych w operacjach Part 135.

Punkt przepisów 23.1353 (h) przepisów Part 23 stanowi: „W Przypadku całkowitej utraty podstawowego systemu wytwarzania energii elektrycznej, akumulator musi być w stanie zapewnić zasilanie elektryczne przez co najmniej 30 minut do tych odbiorników, które są kluczowe dla kontynuacji bezpiecznego lotu i lądowania. Okres 30 minutowy obejmuje czas potrzebny przez pilotów na zauważenie utraty wytwarzania energii elektrycznej i podjęcie działania, polegającego na odłączeniu odpowiednich odbiorników.”

Operacje samolotów Part 23 według przepisów Part 135 wymagają, żeby samoloty jednosilnikowe miały:

1. Dwa niezależne źródła wytwarzania energii elektrycznej, a każde z nich było w stanie sprostać wszystkim prawdopodobnym występujących podczas lotu kombinacjom ciągłych obciążeń elektrycznych wymaganych przyrządów i wyposażenia; lub

2. Dodatkowo dla podstawowego źródła wytwarzania energii elektrycznej, akumulator rezerwowy lub alternatywne źródło energii elektrycznej zdolne do dostarczenia 150% obciążeń elektrycznych wszystkich przyrządów i wyposażenia niezbędnych do bezpiecznego awaryjnego lotu samolotu przez co najmniej jedną godzinę.

Dla pilotów operujących w ramach przepisów Part 91, minimum rzadko jest wystarczające. Akumulator, który jest „w stanie zapewnić zasilanie elektryczne przez co najmniej 30 minut do tych odbiorników, które są kluczowe dla kontynuacji bezpiecznego lotu i lądowania” w samolotach z klasyczną analogową tablicą przyrządów prawdopodobnie nie zapewni 30 minut lotu z wyższym zapotrzebowaniem na prąd tablicy z przyrządami i wyświetlaczami elektronicznymi.

Rozważmy poniższe podejścia zapewnienia energii elektrycznej dla samolotów z w pełni elektrycznym wyposażeniem.

ZŁOTY STANDARD: ODDZIELNE REZERWOWE ŹRÓDŁO ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Lata i dekady przed tym, gdy ktokolwiek w General Aviation wypowiedział frazę „podstawowy wyświetlacz danych pilotażowych”, producenci wyposażenia oryginalnego (OEM) oferowali podwójne alternatory, a w niektórych przypadkach podwójne akumulatory.

Gdy cyfrowe kabiny stały się dominującym standardem w obecnych nowoprodukowanych samolotach, redundancja energii elektrycznej stałą się bardziej powszechna. Co było katalizatorem? Potrzeba redundancji w zasilaniu tablic przyrządów wyposażonych wyłącznie w przyrządy elektroniczne.

Znajdziecie Państwo standardowe zdwojone instalacje elektryczne w wielu samolotach fabrycznie wyposażonych w systemy EFIS, np. w: Beechraftach G36 Bonanza i dwusilnikowym G58 Baron, Cirrusach Aircraft SR20 i SR 22, obecnie produkowanych samolotach firmy Mooney, nawet najnowsze jednosilnikowe Cessny 172, 182 i 206 są wyposażone w podwójne szyny zasilające.

Wiele z nich ma podwójne wszystko: alternatory wytwarzające energię elektryczną, akumulatory i regulatory napięcia w celu sterowania wyjściem i podziałem mocy z obu alternatorów, a także podwójne szyny zasilające.

W przypadku niektórych samolotów pozbawionych powyższych instalacji istnieją możliwości dodania ich. W zależności od typu samolotu, uzupełniające świadectwa typu (STC) mogą pokazać drogę dodania drugiego alternatora i regulatora napięcia zdolnego do obsłużenia dwóch alternatorów. Kilku dostawców oferuje pakiety, które dodają alternator rezerwowy, napędzany przez skrzynkę akcesoriów silnika normalnie używaną do napędu (teraz niepotrzebnej) pompy podciśnienia lub sprężonego powietrza oraz regulator, który jest w stanie sterować dwoma alternatorami, w tym przełączyć obciążenie, gdy alternator podstawowy dozna uszkodzenia.

Firma B&C Specialty Products oferuje pakiety z alternatorem rezerwowym do wielu popularnych samolotów, zawierają one regulator zdolny do obsłużenia zmiany zasilania. Dostępne są obie opcje: napęd paskiem i wałkiem, a firma jest właścicielem STC dla wielu typów samolotów. Firma B&C jest także właścicielem STC i oferuje zestawy do wyposażenia w alternator rezerwowy dla samolotów takich jak Beechcraft Bonanza, Cessna 210 i Pier PA32.

Firma Basic Aircraft Product (BAP) także oferuje STC dla alternatorów rezerwowych napędzanych turbinką powietrzną przeznaczone dla kilkunastu typów samolotów. Ogólnie, turbinka powietrzna jest wysuwana poza obrys kadłuba, a opływające powietrze powoduje jej obracanie i w efekcie napęd alternatora.

Zestawy dla instalacji o napięciu 14 V dostarczane przez BAP obejmują większość samolotów typów Aeronca, Piper (w tym Super Cub), Taylorcraft BC 12-D, Luscombe 8 oraz Boeing Sterman.

Kolejną drogą dodania alternatywnego źródła zasilania w energię elektryczną jest wykorzystanie sprawdzonego polowego podejścia dodającego drugą szynę zasilającą i akumulator rezerwowy.

Istnieją także inne drogi zapewnienia zasilania tablic z wyświetlaczami cyfrowymi.

SYSTEMY EFIS Z REZERWOWYM ZASILANIEM

W wielu przypadkach producenci awioniki oferują integralne zasilanie rezerwowe w- lub dla nowoczesnego wyposażenia EFIS. Firmy Avidyne, Aspen Avionics, Dynon i Garmin oferują akumulator rezerwowy jako opcję dla swoich systemów.

Przykładowo, dla linii wyświetlaczy PFD i MFD Aspen Evolution standardem staje się zarówno rezerwowy akumulator, jak i odbiornik nawigacyjny GPS.

Dla pilotów latających tylko w warunkach VFR, certyfikowany przez firmę Aspen wyświetlacz PFD VFR oferuje niedrogi sposób na dodanie nowoczesnego półprzewodnikowego wyświetlacza do standardowego „sześciopaku” przyrządów analogowych. Jego cena to około 4 tys. dolarów + koszty montażu. Zawiera on rezerwowy akumulator i GPS.

Wyżej klasyfikowany wyświetlacz PFD klasy IFR i odpowiadające mu wyświetlacze MFD także standardowo zawierają akumulator rezerwowy, który spełnia wymagania przepisów stawiane przed takimi przyrządami.

Firma Garmin oferuje opcję rezerwowego akumulatora dla obu swoich wyświetlaczy PFD: G600TXi i G500Txi, co także spełnia wymagania zasilania awaryjnego.

Ta sama sytuacja ma miejsce z przyrządem Garmin G5, który jest zatwierdzony jako zamiennik sztucznego horyzontu i – jako druga jednostka – żyrobusoli oraz wyświetlacza sytuacji poziomej (HSI) z opcją wyposażenia w interfejs GPS. G5 może być wyposażony w swój własny integralny akumulator rezerwowy, który w przypadku awarii zasilania głównego jest w stanie zasilać systemy przez ponad dwie godziny.

Także nowe systemy firmy Dynon dla certyfikowanych samolotów mają opcję wyposażenia w akumulator rezerwowy.

Także oddział „True Blue Power” firmy Mid-Continent Instruments oferuje akumulatory rezerwowe do zasilania wielu przyrządów elektronicznych.

Operatorzy samolotów klasy „experimental” mogą cieszyć się ze znacznie większej liczby opcji zasilania rezerwowego pochodzących od dostawców komponentów urządzeń, stosowanych w statkach powietrznych zatwierdzonych do IFR, w tym od firm Garmin i Dynon.

Awionika z integralnym zasilaniem rezerwowym zapewnia pilotowi bezproblemowe przełączenie się na akumulator, nie wymagając ze strony pilota żadnego działania podczas sygnalizowania zmiany zasilnia.

Niezależnie od tego, jak te opcje mogą być atrakcyjne, nie zapewniają one jednak zasilania innych urządzeń awionicznych, jak radiostacji nawigacyjnych i komunikacyjnych czy odbiorników GPS i transponderów.

ZACHOWUJĄC ZASILANIE CAŁEJ TABLICY PRZYRZĄDÓW

Drugi alternator i/lub akumulator oferuje najlepszą opcję dla utrzymania zasilania całej tablicy przyrządów w przypadku całkowitej awarii zasilania elektrycznego. Utrzymanie pracującego wyświetlacza PFD jest krytyczne, ale w sytuacji awaryjnej zachowanie zdolności do nawigacji i komunikacji z kontrolą ruchu lotniczego jest równie ważne.

Tutaj mogą być konieczne pewne poprawki szyn zasilających. Przykładowo, niektóre samoloty ze standardowym zasilaniem rezerwowym wykorzystują drugą szynę rezerwową, która zasila zmniejszoną ilość wyposażenia w celu utrzymania obciążenia w granicach możliwości alternatora rezerwowego. Taka opcja musi być uznana za konieczność w przypadku dodania alternatora rezerwowego o mniejszej mocy niż standardowy.

Tutaj także jest korzystne rozważenie opcji wyposażenia wyświetlaczy elektronicznych w akumulatory rezerwowe, a sa-molotu w rezerwowy alternator. Gdy wyświetlacze PFD i MFD są w stanie pracować zasilane ze swoich własnych akumulatorów, energia z alternatora rezerwowego może być skierowana do zasilania innych urządzeń awionicznych, w szczególności transpondera, wyposażenia ADS-B, odbiornika GPS i radiostacji komunikacyjnych.

Oczywiście, dobranie zasilania głównego do wyższego zapotrzebowania awioniki klasy „glass-cockpit” jest kluczowe w modernizacji do standardu EFIS. Podobnie, zarządzanie obciążeniem zasilanym przez instalację rezerwową jest równie konieczne w celu uniknięcia przekroczenia mocy zasilania rezerwowego i w efekcie możliwej drugiej utraty zasilania.

Dla pilotów zmagających się z utratą zasilania w locie jest jeszcze długa droga do zapewnienia, że pilot musi stawić czoła tylko jednej sytuacji awaryjnej w danym czasie.