Autopilot
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Ein Autopilot ist eine automatische Steuerungsanlage in Flugzeugen oder Raketen, aber auch in Wasserfahrzeugen.
Autopiloten sind computergesteuerte Mess- und Regelsysteme zur Stabilisierung des Fluges und zu seiner planmäßigen Navigation. Bei größeren Flugzeugen im Linien- und Charterflug greift der Autopilot dabei auf den digitalen Flugplan zurück, der im Flight Management System gespeichert ist.
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[Bearbeiten] Wichtigste Aufgaben des Autopiloten
Ein Autopilot kann dem/den Piloten einen Teil der Steuerung, der Dateneingabe für Luftstraßen oder des ermüdenden Justierens (etwa bei der Trimmung) abnehmen, erspart jedoch nicht die dauerhafte Kontrolle der Pilotenkanzel-Instrumente. Besonders angenehm ist er bei Turbulenzen oder sonstwie unruhigen Wetterverhältnissen, weil er kleine, unbeabsichtigte Kursänderungen ausgleicht oder für gleichmäßigen Kurvenflug sorgt.
[Bearbeiten] Wirkung und "Auspendeln" einer Windböe
Ein Flugzeug in der Luft ist ständig wechselnden Einflüssen ausgesetzt, die es wiederholt aus jenem Flugzustand herausführen, der vom Piloten eingestellt wurde oder sich aus aerodynamischen Gründen ergibt. Wenn z. B. eine heftige Windböe das Luftfahrzeug trifft, drückt sie das Seitenruder etwas nach links oder rechts, woraus sich eine leichte Kurve von einigen Sekunden Länge ergibt.
In kleinen Flugzeugen ohne Autopilot "pendelt" der Pilot diesen unvermeidlichen Fehler aus, indem er ebenso lang in die andere Richtung kurvt. Hat er zu wenig Erfahrung, um dies intuitiv zu tun, kann er z. B. rasch auf den Wendezeiger blicken und dessen Ausschlag bewusst für kurze Zeit auf die andere Seite lenken. Der Autopilot hingegen misst und registriert die kurzfristige Änderung des Kurses (allenfalls auch der Querlage und der Flughöhe) und kompensiert die Änderungen selbstständig.
[Bearbeiten] Unruhige Flugzustände in Linienflugzeugen
In größeren Flugzeugen – die auch höhere Reisegeschwindigkeiten haben – ist die Charakteristik der "Störungen" oft ganz anders. So folgen Linienflüge strengeren Regeln als die Privatfliegerei. Sie weichen im Regelfall beispielsweise den Wolken entlang der geplanten Flugroute nicht aus (Gewitter ausgenommen), was erhebliche Ab- und Aufwinde bedeuten kann.
Die Tragflächen müssen viel stärkere Kräfte aufnehmen als bei 2- bis 6-sitzigen Maschinen. Zum Gaudium - oder gelinden Schrecken - der Fluggäste verbiegen sie sich im Abwind zwischen durchflogenen Wolken bis zu einigen Metern. Wird dabei der linke Flügel mehr gedrückt als der rechte, beginnt das Flugzeug dorthin zu drehen und der (Auto)pilot hat zu tun. Aber auch schon eine Stewardess, die sich von der Küche rechts zu einem Fluggast begibt, der weiter hinten und links des Ganges sitzt, beschäftigt alle Kanäle des Autopilotensystems.
Ähnliche Steuerungsaufgaben sind das Nachtrimmen bei Gewichtsverlagerungen (wenn etwa mehrere Passagiere unbedingt die Landekurve über der Athener Meeresbucht fotografieren möchten, oder wenn sich im Frachtraum des Flugzeugs einige Gepäckstücke verschieben). Doch auch der ganz normale Treibstoff-Verbrauch ändert die Lage des Schwerpunktes.
[Bearbeiten] Standard-Tätigkeiten des Autopiloten
Wenn das Flugzeug nach dem Start bis zur gewünschten Höhe gestiegen ist, geht es in den horizontalen Reiseflug über. Betrachten wir zunächst das Einhalten einer bestimmten Flughöhe:
Solange sich das Flugzeug unter konstanten inneren und äußeren Bedingungen (Gewichtsverteilung, Atmosphäre usw.) geradeaus bewegt, bleibt die Flughöhe konstant. Jedoch wird schon durch den Verbrauch von Treibstoff das Flugzeug leichter und beginnt zu steigen. Deshalb wird die barometrische Höhenmessanlage bald eine Abweichung von der vorgewählten Höhe feststellen. Der Pitchkanal, der den Anstellwinkel regelt, gibt an das Höhenruder ein Signal zur Ausregelung der Differenz, bis die als sollwert vorgegebene Höhe wieder erreicht ist. Da durch den Gewichtsverlust der Auftrieb und deshalb der Anstellwinkel verringert werden kann und somit der Widerstand sinkt, steigt die Fluggeschwindigkeit, weshalb nun der Geschwindigkeitskanal (Auto Throttle Computer) die Motorleistung so nachregelt, dass die vorgewählte Höhe bei der ebenfalls vorgewählten (optimierten) Sollgeschwindigkeit eingehalten wird.
Die Flugrichtung wird über den Rollkanal geregelt. Angenommen, der Pilot stellt 315° als Kurs ein, also genau nach Nordwesten. Ändern sich die Außenbedingungen, wie zum Beispiel die Windrichtung, wird das Flugzeug aus dem berechneten Kurs abdriften, wenn nicht gegengesteuert wird. Eine Kompassanlage misst nun die Abweichung vom vorgewählten Kurs und gibt zum Ausgleich ein Signal an die Querruder => das Flugzeug kippt ein wenig (dreht sich seitlich um die Längsachse). Das Seitenruder arbeitet wie eine Stabilisierungsflosse, und das Flugzeug dreht sich zusätzlich um die Hochachse, bis der Kurs 315° wieder anliegt. Danach steuert der Rollkanal wieder in eine mittlere Lage. Während der seitlichen Bewegung hatte das Flugzeug aber einen höheren Widerstand und nahm dadurch die Nase nach unten – worauf sofort der Pitchkanal angesprochen und die Nase wieder nach oben gesteuert hatte. Auch diese Korrektur hatte zusätzlichen Widerstand verursacht und die Fahrt verringert, weshalb der Fahrtregler die Motorleistung wieder erhöhen musste.
Über diese Standard-Routinen hinaus gibt es eine große Zahl weiterer Regelfunktionen, die unerwünschte Bewegungen abfangen und den Passagieren den Flug angenehmer machen. Die Piloten wiederum können sich in anspruchsvollen Flugphasen – wie etwa vor der Landung oder bei Planänderungen durch die Flugsicherung – ihren Tätigkeiten widmen, ohne das Flugzeug dauernd nachsteuern zu müssen.
[Bearbeiten] Zur Geschichte der Autopiloten
Die Hauptaufgabe des Autopiloten ist, den Piloten von lästigen und ermüdende Steuervorgängen beim langwierigen Streckenflug zu entlasten. Dazu werden die auf das Flugzeug wirkenden Kräfte in den drei Achsen und drei Winkeln erfasst, mit den Sollwerten verglichen und die notwendige Lageregelung automatisch an die Steuerflächen weitergegeben. Das Flugzeug sollte mit Servounterstüzung der Steuerelemente ausgestattet sein: Diese Servoantriebe verstärken die Steuerkräfte des Piloten auf die (z.T. riesigen Ruderflächen) und übertragen ebenfalls die Korrekturen, die der "Autopilot" zur Einhaltung des eingestellten Kurses errechnet hat. Der 3-Achs Autopilot erhält meist von einem kardanisch aufgehängten 3-Achs Beschleunigungsmeßsystem (früher Kreisel und Gyro, heute Laserkreisel) die tatsächlich auf das Flugzeug wirkende Kräfte und nimmt automatisch die notwendigen Steuerklappenstellungen vor.
Eine frühe Version eines Autopiloten, der Fluglage und Richtung hielt, wurde bereits 1914 durch Lawrence Sperry entwickelt, 1918 gründete Sperry die Lawrence Sperry Aircraft Company, eine Firma für Flugnavigationskomponenten, die auch sein neues Auto-Pilot-System herstellte und vertrieb.
Um 1930 wurden dann z.B. von Junkers spezielle Autopilotversionen entwickelt. An der berühmten "Tante Ju" (Junkers Ju 52/1m - oder bei Junkers W34fao 397kW - sollten sie vor allem die Trimmung und Höhensteuerung verbessern. Letztere ist mit dem Steuerknüppel z. B. bei Stress oder Windböen nicht einfach – und ist bis heute der Prüfstein für junge Kopiloten, ob sie auch bei Landungen unter Scherwinden eine "gute Figur" machen.
Später wurden Sturzflug-Autopiloten für Militärflugzeuge entwickelt, z. B. die Junkers Ju 87 B. Ein solcher Autopilot ist mit der Luftbremse verbunden und senkt das Flugzeug in die Sturzkampfstellung. In geringer Höhe (oder nach Bombenabwurf) bringt der Autopilot das Heck wieder in die Ursprungslage.
Im 2.Weltkrieg kamen mit der enormen Reichweitenerhöhung neue Anforderungen auf die Piloten zu: Es galt stundenlang den Kurs zu halten, Instrumente und Kurs zu überwachen und der Pilot war davon schon vor Erreichen des Zieles stark ermüdet. Deshalb wurde von GE ca. 1943 im Auftrag der USAAF eigens ein 3-Achs-Autopilot entwickelt. Das heißt, dass alle 3 Achsen komplett gesteuert wurden. Diese entlastete den Piloten im engen Verbandsflug enorm. Der Autopilot der Boeing B-29 war sogar mit dem NORDEN Zielgerät verbunden: Der Pilot übergab wenige Minuten vor dem Ziel die Kontrolle der Maschine an den Bombenschützen, der die Maschine mit dem Zielgerät dann per Fadenkreuz auf Zielkurs steuerte.
Weitere Entwicklungen unterstützten den Startvorgang, die Betätigung des Querruders (Steuerklappen an den Flügeln), das Auspendeln von Kurven bei verblasenem Seitenruder und schließlich das komplette "Ausbügeln" von Böen und Turbulenzen. Manche Piloten beklagten allerdings den Verlust des Feedbacks über Wetter und Windbedingungen, die den Druck auf die Steuerflächen und damit auf den Steuerknüppel variieren. Um dem entgegen zu wirken, werden in modernen Systemen auch Aktuatoren am Steuerknüppel angebracht, die auch das Flugzeug wirkende Windkräfte etc. simulieren. Die Böen werden ausgesteuert, aber der Pilot bekommt trotzdem die Rückmeldungen (Feedback) über deren Stärke mittels den Aktoren an den Steuerelementen. In der Lockheed F-104G war z.B. ein "Shacker" am Steuerknüpel angebracht, der bei einem drohenden Überziehen schüttelte und den Knüppel nach vorne drückte. Diese Funktion konnte im Notfall abgeschaltet werden.
Eine Komponente des Autopiloten ist auch der "Speedhold", also das exakte Halten der Geschwindigkeit. Das ist im Formationsflug sehr wichtig und würde hohe Konzentration erfordern. Diese Funktion kann, z.B. bei der F-104G, getrennt von der Lageregelung /-dämpfung geschaltet werden.
In den 50er bis 70er Jahren wurden enorme Verbesserungen durch Koppelung mit den Trägheitsplattformen erreicht. Aber erst mit der Entwicklung der "Fly-by-Wire"-Technik der deutschen Senkrechtstarter (VFW VAK-191B, EWR VJ-101C und der Dornier Do-31) und später z.B. dem europäischen AIRBUS und dem Kampflugzeug TORNADO, wurden bahnbrechende Fortschritte bei den Autopiloten erzielt. Mit Einführung der Digitaltechnik in den 90er Jahren wurde der Autopilot mit der Fluglagesteuerung verschmolzen: Der Pilot gibt die Richtung vor - die Lageregelung bringt das Flugzeug in diese gewünscht Richtung und behält sie bei.
[Bearbeiten] Stand der Technik und Ausblick:
Bei modernen "Fly-by-Wire"-Systemen (Tornado, Airbus, F-16, Eurofighter) verschwimmen die Grenzen der einzelnen Systeme. Moderne, wegen ihrer Agilität instabil konzipierte Kampfflugzeuge, könnten ohne Rechnerunterstützung fast nicht mehr geflogen werden. Moderne Fluglageregelungen erlauben meist auch keine Überschreitung mehr von kritischen Parametern: Der "Autopilot" hat sich gewandelt vom "Unterstützen des Geradeausfluges" zum "Einhalten und Überwachen aller Flugparameter" wie Geschwindigkeit, Höhe, Belastung etc.
[Bearbeiten] Moderne Autopiloten
Heute werden größere Flugzeuge - vor allem beim Langstreckenflug - über die meiste Zeit vollautomatisch gesteuert. Computer gesteuerte Regel- und Messsysteme stabilisieren den Flug und wickeln ihn nach digitalen Flugplänen ab. Hierzu gibt der Pilot zum Beispiel die Luftstraße und die von der Flugsicherung zugewiesene Folge von Flughöhen in das Flight Management System ein.
Der Autopilot ändert dann am optimalen Punkt die Fluglage und leitet dort auch automatisch den Steigflug ein. Dabei werden die Anzeigen (bzw. die Daten) von digitalem Altimeter und Variometer (Höhenänderung), vom Kompass-System und Fahrtmesser optimal verarbeitet – und dem Flugzeug über die Steuerflächen und den Schubregler weitergeleitet. Ist dieser Knickpunkt der Flugroute ein Funkfeuer, so bewegt sich beim Überfliegen der Steuerknüppel wie von Geisteshand – und beginnt eine sanfte Kurve in den neuen Kurs. Bei alldem wird auf idealen Betriebszustand des Flugzeugs und seiner Triebwerke geachtet.
Zwar nimmt das System dem Piloten viele eintönige und oft wiederkehrende Arbeiten ab, doch soll er jederzeit den Flug und die Instrumente kontrollieren. Zum Beobachten des Luftraums und für kritische Situationen erhält er mehr Handlungsspielräume als früher.
In der Militärluftfahrt werden heute Autopiloten verwendet, die ein Abfangen aus einem unkontrolliertem Flugzustand auf Knopfdruck ermöglichen, so beim Eurofighter. Dies kann manchen Verlust an Mann und Material verhindern helfen und erhöht zudem die Überlebenschance in einer Gefechtssituation.
[Bearbeiten] Unbemannte Flugzeuge
Stark spürbar ist der Gewinn an Zeit, die der Pilot für die Fluglotsen hat. Doch gab es jahrelang Diskussionen, ob die Jets in Zukunft überhaupt noch einen Piloten bräuchten. Es wurde sogar behauptet, der Pilot sei der teuerste Passagier an Bord.
Der US-Kongress verlangt, dass ab 2015 mehr als ein Drittel der Kampfflugzeuge unbemannt sind. Es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis menschliche Piloten durch Computer ersetzt werden. Siehe: Boeing X-45 Unmanned Combat Aerial Vehicle (UCAV).
