SYSTEMY STEROWANIA LOTEM

Autor – Dave Higdon

Niniejszy artykuł jest tłumaczeniem i przedrukiem oryginalnego artykułu „FLIGHT CONTROL SYSTEMS” z Avionics News, październik 2019

„Dlaczego odczuwasz potrzebę posiadania autopilota?” – takie pytanie usłyszał od żony pilot znany w lokalnym światku jako gadżeciarz. „Świetnie latasz samolotem bez niego”.

Zaskoczonego pilota zamurowało, ponieważ uważał on autopiloty za jedną z oznak nowoczesności. W czasie gdy zastanawiał się nad odpowiedzą, żona położyła przed nim dobrze znane czasopismo lotnicze. „Dlaczego nie powiedziałeś mi o korzyściach związanych z bezpieczeństwem przy zastosowaniu autopilota i dlaczego nie powiedziałeś, że czasami potrzebujesz pomocy?” – zapytała. Wcześniej oboje przelatali razem prawie 2000 godzin i przez cały ten czas samolot nie był wyposażony w system automatycznego sterowania lotem. Żona regularnie trzymała wolant, podczas gdy mąż brał długopis do ręki po tym, jak kontroler lotu wypowiedział przerażającą frazę: „Novmber x x, czekaj, żeby potwierdzić poprawki do zgody”. Wzburzona żona zapytała, jak mąż radził sobie w takich sytuacjach, gdy leciał sam, co miało miejsce przez większość czasu. „Bardzo ostrożnie” – odpowiedział mąż – „bardzo ostrożnie”.

Prawdopodobnie mogą Państwo zgadnąć, jak zakończyła się ta dyskusja: żona zaczęła poszukiwać najlepszego rozwiązania systemu sterowania lotem, dostępnego dla ich samolotu i budżetu. „Możemy mieć go na rok” – zaproponowała żona – „i będziemy mieć go do pomocy, kiedy lecimy do domu na święta”. Który pilot odrzuciłby taką ofertę? To było lata temu, kiedy dominujące systemy jednoosiowe działały dobrze, śledząc kurs lub podążając za sygnałem VOR. Modele dwuosiowe dodawały utrzymywanie wysokości, podczas gdy inne tak zwane stabilizatory robiły tylko to, co sugeruje nazwa: utrzymywały lot poziomy samolotu niezależnie od jakichkolwiek danych nawigacyjnych. Takie systemy wciąż są obecne na rynku, a w ostatnich latach dołączyły do nich systemy sterowania lotem znacznie wydajniejsze i bardziej wyrafinowane niż wszystkie pozostałe z wyjątkiem autopilotów w samolotach turbinowych klasy biznes.

Obecnie dostępne opcje mogłyby wydawać się zbyt zaawansowane dla lekkich samolotów tłokowych – systemy sterowania lotem są zdolne do obsługi wszystkich powyższych funkcji, a także podążania za kursem GPS, zgodnie z planem lotu w nawigatorze GPS, nawet przy skomplikowanych zejściach do wysokości decyzji na krótkiej prostej. Funkcje te były niegdyś wyłączną domeną wysoce wyrafinowanych systemów zarządzania lotem stosowanych w samolotach z napędem turbinowym. Co najlepsze, wiele z nich jest dostępnych za znacznie mniejsze pieniądze niż urządzenia naszych przyjaciół, latających samolotami turbinowymi, a znaczna część jest w zasięgu właścicieli nawet najprostszych samolotów. A wybory są znaczące. Przez dziesięciolecia, dominująca technika czujników autopilota samolotu lotnictwa ogólnego do wykrywania zmian położenia w przestrzeni wykorzystywała system oparty na zmianach prędkości (względem trzech osi), napędzany przez elektryczny koordynator zakrętu. Wcześniej układy z napędem pneumatycznym wykorzystywały ciśnienie powietrza do wychylania odpowiedniej powierzchni sterującej we właściwym kierunku. Inną technologią czujników, wykorzystywaną w autopilotach jest system oparty na położeniu przestrzennym, który wykrywa zmiany przechylenia i pochylenia na podstawie wskazań sztucznego horyzontu. Podejście oparte na zmianach prędkości, jak większość systemów lotniczych, ma pewne zalety i wady.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa, elektryczny koordynator zakrętu działa niezależnie od sztucznego horyzontu, który napędzany jest podciśnieniem. W systemie opartym na położeniu przestrzennym awaria samego sztucznego horyzontu lub zasilającej go pompy próżniowej oznacza utratę funkcji automatycznego sterowania lotem. Przy takiej samej awarii, czyli awarii sztucznego horyzontu z jakiejkolwiek przyczyny, praca koordynatora zakrętu i autopilota opartego na zmianach prędkości jest niezakłócona. Autopilot oparty na zmianach prędkości nadal steruje systemem sterowania lotem niezależnie od awarii sztucznego horyzontu lub pompy podciśnienia. Ponadto żyroskopy mierzące zmiany prędkości nie będą ulegać „zawaleniu” z powodu lotu w nietypowej pozycji. Dlatego instruktorzy lotów uczą swoich uczniów, jak w przypadku utraty sterowania czy znalezienia się w nietypowym położeniu powrócić do lotu ustalonego

za pomocą zakrętomierza – lub wykorzystując koordynator zakrętu – najpierw wyrównać skrzydła podczas wychodzenia z nietypowego położenia przestrzennego. Jeśli mówimy o awariach sztucznego horyzontu i pompy próżniowej, żyroskopy mierzące zmiany prędkości kątowej są bardziej niezawodne niż sztuczne horyzonty. Sztuczne horyzonty cechują się postępującym pogorszeniem osiągów w danym okresie czasu, zwykle z powodu zużycia łożysk podtrzymujących wirującą masę żyroskopową. Zużycie łożyska w sztucznym horyzoncie powoduje precesję widoczną w reakcji autopilota. Żyroskopy mierzące zmiany prędkości nadal działają niezawodnie ze zużytymi łożyskami i jest tak dopóki silnik wirnika nie ulegnie całkowitej awarii.

Nieco podstaw

Potem dochodzą problemy z osiągami. Żyroskopy mierzące zmiany prędkości kątową nie mogą „ulegać zawaleniu”, działają konsekwentnie w każdym położeniu przestrzennym, ani nie są uszkadzane czy nadmiernie zużyte przez nietypowe położenia przestrzenne.

Ponadto, ponieważ stała prędkość zakrętu wymaga mniejszego kąta przechylenia przy niższych prędkościach lotu, autopiloty oparte na zmianach prędkości często zapewniają lepszą kontrolę zakrętu samolotu przy małej prędkości lotu. Mimo to, wielu operatorów preferuje system sterowania lotem oparty na położeniu przestrzennym, ze względu na płynniejszą pracę, dokładniejsze utrzymywanie kursu oraz przechwytywanie lokalizatora i zmiany wysokości.

Był czas, kiedy wybór podyktowany był głównie ceną. Systemy oparte na zmianach prędkości zazwyczaj oferowały przewagę budżetową nad systemami opartymi na położeniu przestrzennym. Wiele z tych rozważań stało się dyskusyjnych w ciągu ostatniej dekady, gdy twórcy awioniki zaczęli stosować czujniki półprzewodnikowe do wykrywania zmian położenia przestrzennego oraz cyfrowe czujniki danych powietrza do kontroli wysokości lotu.

Oczywiście, niektóre modele napędzane wirującym żyroskopem wciąż pozostają dostępne i działają dobrze. Ale na próżno szukać nowych systemów sterowania lotem wykorzystujących te staromodne żyroskopy. I tu właśnie zaczynamy egzamin z dzisiejszych opcji autopilota. Po pierwsze, przyjrzymy się zmianom w technologii czujników i ich zastosowaniu w różnych funkcjach dostępnych we współczesnych systemach sterowania lotem. Ten artykuł skupia się przede wszystkim na autopilotach najnowszej technologii, z krótkim przeglądem istniejących od dawna modeli.

Od najprostszego do nowoczesnego: układy poziomujące skrzydła, systemy jedno- i dwuosiowe

Jeśli chodzi o automatyczne systemy sterowania lotem, nie ma nic prostszego niż samodzielny system po-ziomowania skrzydeł. Niezależnie od źródła, z którego korzysta, system poziomowania skrzydeł utrzymuje je w poziomie.

Nie ma sygnału wejściowego kierunku lotu i nawigacyjnego.

Dlatego, aby utrzymać kurs, pilot musi od czasu do czasu korygować kierunek lotu samolotu; system poziomowania skrzydeł wie tylko, że musi utrzymać te skrzydła w poziomie; znoszenie zmienia się zależnie od kierunku i prędkości wiatru na danej wysokości. Gdy systemowi poziomującemu skrzydła umożliwi się podążanie zależne od wejściowych danych nawigacyjnych, to przekształci się on w jednoosiowego autopilota.

Pierwsza była możliwość śledzenia kursu na żyrobusoli; potem pojawiła się możliwość śledzenia sygnału radiowego wysyłanego przez nadajnik VOR. Dziś nowoczesny nawigator GPS łączy te sygnały nawigacyjne VHF i kierunek lotu z żyrobusoli w celu pomocy w sterowaniu samolotem. Gdy dodamy do tego możliwość utrzymywania wysokości, to dwuosiowy autopilot przenosi do kabiny załogi prawdziwie zautomatyzowane, dynamiczne możliwości sterowania lotem. Im większe możliwości autopilota, tym większe jest prawdopodobieństwo, że będzie on wyposażony w tłumik odchylenia, który pomoże przeciwdziałać tendencji niektórych samolotów do holendrowania, gdzie dziób samolotu wychyla się z lewej na prawą stronę i z powrotem.

Takie autopiloty są wciąż uważane za autopiloty dwuosiowe, nawet jeśli trzecia powierzchnia aerodynamiczna (trymera steru kierunku) działa w celu przeciwdziałania odchyleniom.

Możliwości pozaosiowe

Dzisiejsze nowoczesne, sterowane cyfrowo nawigatory GPS sprawiają, że wyrafinowane autopiloty stają się potężnym sprzymierzeńcem załóg, skutecznie stając się de facto systemem zarządzania lotem lub FMS. W nowoczesnych samolotach turbinowych i komercyjnych FMS jest w rzeczywistości mózgiem samolotu, z bazą danych punktów nawigacyjnych, częstotliwościami nawigacji VHF, nawigatorem VHF i nawigatorem GPS WAAS. Wszystko to w jednym pudełku, zwykle znajdującym się na konsoli między fotelami kapitana i drugiego pilota.

W miarę jak cyfrowe autopiloty obrastały w możliwości, a nawigacja GPS stała się bardziej widoczna, piloci zaczęli wymagać od swoich autopilotów, aby pracowały razem z nawigatorem GPS w systemie FMS. Gdy do bazy danych FMS dodamy specyfikę podejścia instrumentalnego, aby autopilot mógł podążać za kartą podejścia, to tak wyposażony samolot lotnictwa ogólnego jest na poziomie zaawansowania operacyjnego odrzutowców biznesowych, samolotów turbośmigłowych i komercyjnych samolotów pasażerskich. Oto kilka przykładów.

AVIDYNE

Cyfrowy autopilot tej firmy, DFC90, dodaje precyzję opartego na położeniu przestrzennym systemu sterowania lotem oraz innowacyjne, zwiększające bezpieczeństwo funkcje ochrony obwiedni lotu i ostrzegania o jej przekroczeniu. System zawiera przycisk powrotu do ustalonego lotu poziomego i wykorzystuje funkcje utrzymywania prędkości przyrządowej, rozszerzonego dyrektywnego wskaźnika lotu i inne. DFC90 może sterować zakrętem ze zmianą wskaźnika kursu żyrobusoli, umożliwiając pilotowi wykonanie prawego zakrętu 270 stopni, poprzez obrócenie wskaźnika kursu w prawo o 270 stopni. DFC90 oferuje wiele innych ulepszeń, takich jak dedykowane pokrętło prędkości

pionowej, tryb utrzymania pochylenia, szerokie załączenie autopilota, dodatkowe komunikaty w PFD 8.0, dedykowany przycisk GPSS, automatyczny wybór kursu odwrotnego do podejścia, wiele kolorowych powiadomień wskazujących stan załączenia i aktywności, komunikaty w trybie przechwytywania oraz charakterystyczną dla Avidyne łatwość sterowania.

BENDIXKING

Od imprezy AirVenture Oshkosh pod koniec lipca 2019 r., Innowacyjna firma rodzinna znana jako TruTrak jest częścią branży awioniki koncernu Honeywell , po przejęciu jej przez firmę BendixKing. A wraz z tym połączone zostały linie systemów sterowania BendixKing i TruTrak. Wyroby BendixKing i TruTrak obejmują szerokie spektrum wyświetlaczy, o różnych rozmiarach i możliwościach. AeroCruze 230 firmy BendixKing zapewnia właścicielom istniejących systemów sterowania lotem BendixKing sposób na zwiększenie funkcjonalności bez konieczności kosztownej zmiany wielu istniejących instalacji autopilotów BendixKing.

To urządzenie zostało zaprojektowane tak, aby pasowało do istniejącego miejsca wykorzystywanego przez starszy komputer pokładowy KFC 150. Firma BendixKing zaprojektowała również AeroCruze w wariancie „zdalnym”, aby zapewnić miejsce na instalacje KFC 200 i 250. AeroCruze pozwala na ponowne wykorzystanie starszych serwomechanizmów autopilotów KFC 150, KFC 200 i KFC 250, oferując najprostszą i najbardziej opłacalną ścieżkę modernizacji ich autopilotów. Kontroler trybów pracy KMC 231 zapewnia pilotowi funkcje sterowania i sygnalizacji za pomocą przyjaznego dla latania w rękawicach interfejsu dotykowego i kolorowego ekranu LCD; jednostka stosuje dedykowane elementy sterujące często wybieranych zadań. Unikalna konstrukcja mechaniczna KMC 231 bezproblemowo integruje się z komputerem AeroCruze, umożliwiając dopasowanie go do miejsca wykorzystywanego dotychczas na tablicy przyrządów komputera autopilota KFC 150. Tymczasem linia TruTrak pozostaje jednym z najbardziej różnorodnych katalogów systemów sterowania lotem, dostępnych dla samolotów certyfikowanych i eksperymentalnych. W przypadku samolotów eksperymentalnych TruTrak oferuje modele już od 2100 USD za jeden z modeli Vizion z listy obejmującej trzy różne konfiguracje wymiarów.

Wszystkie trzy systemy dwuosiowe mają bogatą listę funkcji, która obejmuje dwa standardowe serwomechanizmy, wbudowane śledzeni ścieżki lotu, tryb wyboru ścieżki podejścia, tryb nawigacji GPS, tryb sterowania GPS, utrzymywanie wysokości, tryb awaryjnego poziomu lotu i wiele innych. Łączą się one z urządzeniami Dynon SkyView, Garmin G3X i G3X Touch, serią AFS 5000, Grand Rapids GRT HX / HXr i innymi. Za 5000 USD operatorzy certyfikowanych samolotów mogą wybierać spośród trzech wariantów wielkości urządzeń PMA Vizion, które mają tę samą listę funkcji, co modele eksperymentalne Vizion.

DYNON

Zanim firma dodała do swojego asortymentu certyfikowaną awionikę, Dynon oferował klientom samolotów eksperymentalnych opcję autopilota dla swoich wyświetlaczy PFD. To, co sprawdzało się na rynku maszyn eksperymentalnych, budowanych przez amatorów, pozostaje aktualne w przypadku certyfikowanych produktów Dynon.

Na przykład, system Dynon SkyView staje się w pełni wyposażonym, dwuosiowym autopilotem. Ta opcja reprezentuje znaczną oszczędność w stosunku do kosztów oddzielnego systemu autopilota. Każdy autopilot Dynon może sterować lotem według kursu magnetycznego, ścieżki naziemnej GPS i może prowadzić nawigację poziomą z dowolnej podłączonej kompatybilnej radiostacji lub odbiornika GPS. Teraz, po dodaniu nowych możliwości w zakresie IFR, autopilot obsługuje również w pełni sprzężone podejścia, sprzężoną VNAV, utrzymywanie prędkości przyrządowej IAS, sekwencjonowanie trybów i wskazówki Flight Director.

Dodatkowe standardowe funkcje obejmują awaryjny zakręt o 180 stopni i nowy przycisk poziomowania, który natychmiast przywraca samolotowi poziomy lot ustalony. Autopilot SkyView zawiera teraz również alternatywny nowy zestaw uproszczonych elementów sterujących, które usprawniają sterowanie najczęściej używanymi trybami, takimi jak HSI + ALT do śledzenia źródeł nawigacji z planów lotu GPS lub TRK + ALT do latania w wybranych kierunkach. Jako że autopilot firmy Dynon korzysta z danych wejściowych z systemów EFIS firmy, funkcja sterowania lotem przestrzega ograniczeń dotyczących kąta przechylenia, prędkości lotu i ograniczeń współczynnika obciążenia g.

GARMIN

Najnowsze systemy sterowania lotem firmy Garmin, zestawy sterowania lotem GFC 500 i GFC 600, odzwierciedlają zaangażowanie firmy w te cyfrowe rozwiązania. Rewolucyjny autopilot GFC 500 zapewnia niespotykane dotąd możliwości, niezawodność i przystępną cenę i oferowany jest dla lekkich jednosilnikowych samolotów lotnictwa ogólnego. GFC 500 wykorzystuje zaawansowaną technologię sterowania lotem opartą na położeniu przestrzennym, opracowaną dla autopilota GFC 700, który obsługuje najbardziej zaawansowane systemy „glass cockpit” firmy Garmin, takie jak zintegrowany pokład lotniczy G3000. Garmin zaprojektował autopilota GFC 600 do montażu na rynku posprzedażowym w jedno- i dwusilnikowych samolotach tłokowych o wysokich osiągach, samolotach turbośmigłowych i lekkich odrzutowcach. Podobnie jak GFC 500, model GFC 600 oferuje szereg funkcji zapewniających najwyższy poziom bezpieczeństwa i osiągów. Oba oferują ochronę obwiedni lotu, automatyczne przywracanie położenia poziomego samolotu z ekstremalnych położeń za pomocą półprzewodnikowych czujników korzystających z danych dotyczących parametrów powietrza zamiast mechanicznych żyroskopów. Określenie „płynność” najlepiej opisuje doświadczenie latania za GFC 500 i GFC 600.

GENESIS AEROSYSTEMS

Wydaje się, że wciąż istnieje popyt na te proste układy poziomowania skrzydeł, chociaż wraz ze wzrostem możliwości tanich autopilotów popyt na systemy poziomowania skrzydeł spadł. Jednak kilka z nich ciągle pozostaje na rynku, wśród których jest dobrze znany System 20 firmy Genesys Aerosystems, który jest popularnym wyborem spośród systemów certyfikowanych.

Zwykle wymieniany wśród jednoosiowych autopilotów, stary model S-TEC zawiera blok sterowania lotem, wykrywający i przełączający elektronikę w standardowy zakrętomierz i chyłomierz, więc nie zajmuje nowego miejsca na tablicy przyrządów. System 20 jest systemem opartym na zmianach prędkości, który wykrywa, kiedy skrzydła wychodzą z położenia poziomego i stosuje przeciwny ruch obrotowy, aby je wyrównać za pomocą serwomechanizmu napędzanego elektrycznie.

W przypadku systemu 30 ALT piloci mogą zdecydować się na samodzielne utrzymywanie wysokości. Po dodaniu tej opcji do Systemu 20 staje się on Systemem 30. W celu trymowania samolotu na żądanej wysokości, trzeba nacisnąć przycisk obniżenia wysokości, a ALT 30 utrzyma wysokość lotu w momencie aktywacji systemu. Alternatywnie pilot może zdecydować się na System 30, który zawiera podzespoły do utrzymywania wysokości mieszczące się w tej samej 3-calowej obudowie wraz z inną elektroniką sterującą. Pilot musi tylko wytrymować samolot na wybranej wysokości i włączyć blokadę. Lampka sygnalizacyjna sygnalizuje konieczność zmiany położenia trymera przez pilota.

Najnowszy cyfrowy układ sterowania lotem S-TEC 3100 firmy Genesys wykorzystuje szereg nowych funkcji i możliwości w pakiecie „zasilanym” przez cyfrowe czujniki MEMS w zintegrowanym systemie AHRS. S-TEC 3100 to dwuosiowy cyfrowy system sterowania lotem ze standardowym automatycznym trymowaniem pochylenia.

Niezależnie od tego, czy samolot wykorzystuje konwencjonalną analogową tablicę przyrządów z „sześciopakiem”, czy zaawansowaną „szklaną kabinę” EFIS, S-TEC 3100 obsługuje szeroką gamę konfiguracji. Zintegrowany system AHRS podaje dane dla precyzyjnych ruchów serwomechanizmów w samolotach pozbawionych wyświetlaczy EFIS. System 3100 zapewnia także zaawansowane funkcje, jak ochrona obwiedni lotu oraz alerty, a także przycisk powrotu to ustalonego lotu poziomego.

CENTURY FLIGHT SYSTEMS

Autopilot Century 4000 zapewnia najnowocześniejsze sterowanie lotem dla współczesnych samolotów lotnictwa ogólnego. Firma Century umożliwiła rozbudowę autopilota 4000, więc w miarę pojawiania się nowych wymagań mogą być dodawane żądane potrzebne funkcje. Wśród standardowych funkcji Century 4000 są: utrzymywanie kursu, przechwytywanie i śledzenie nawigacji, możliwość wykonywania w pełni sprzężonych podejść ILS, lokalizator kursu wstecznego, przechwytywanie i śledzenie lotu wg VOR, boczne sterowanie nawigacją i sekwencjonowanie, w tym segmenty trasy, końcowe fazy podejścia oraz podejścia z wykorzystaniem kompatybilnych odbiorników GPS, umożliwiających komendy sterujące zgodne z szyną danych ARINC 429.

Kolejne funkcje to uwaga o żądaniu trymowania, utrzymanie pochylenia, utrzymanie wysokości, wybór i utrzymanie prędkości pionowej, przechwytywanie ścieżki schodzenia i śledzenie od góry lub poniżej ścieżki schodzenia. System 4000 jest w pełni zdolny do podejść LPV i LNAV / VNAV z wykorzystaniem kompatybilnych odbiorników GPS WAAS. W razie potrzeby, później mogą być dodane kolejne funkcje, jak automatyczne elektryczne trymowanie pochylenia, Flight Director, tłumik odchylenia.

INNE OPCJE

Układy poziomujące skrzydła pozostają dostępne dla samolotów kategorii eksperymentalnej oraz certyfikowanych w konfiguracji podstawowej. Wiele wyświetlaczy PFD kategorii eksperymentalnej zapewnia funkcje sterujące autopilota po dodaniu odpowiednich serwomechanizmów.