Аутопилот

Аутопилот авиона Боинг 747.

Аутопилот је систем ваздухопловне опреме, који аутоматски стабилизује и управља летелицом по унапред одређеном режиму, према задатим параметрима лета и навигационим подацима. Интегрисан је у систем команди лета. Интегришу се пригушивачи и аутопилот у јединствени систем са заједничким рачунаром, који им интегрално подржава функције. Функција аутопилота је да одржава номинално стање задатих параметара лета, а функција пригушивача је да обезбеди то стање стабилно и квалитетан прелазни процес, при задатом преласку са једног на друго номинално стање или при нежељеном поремећају. Спецификације аутопилота путничких авиона, веома су захтевне, док су за борбене доста једноставне. За борбене авионе је најважнија функција да га врати у правилан положај, када пилот тренутно изгуби оријентацију, у акробацијама, у току борбе или при лету у облацима. Код борбених авиона, аутопилот одржава последње задате параметре, које је командовао пилот. На путничким, линијским авионима, већи је нагласак на начинима и функцијама интеграције аутопилота и система за навигацију и уређајима за навођење са Земље.

Аутопилот је ограниченог ауторитета, у односу на цео распон отклањања командних површина.

Прве верзије аутопилота

У раним данима авијације, авиони су захтевали непрекидну и сталну пажњу пилота, како би исти безбедно летео. То је значило стално држање руком палице и ногу на педалама, уз сталну концетрацију пилота у корекцији управљања авионом. Када су се авиони технолошки усавршили и када су почели реализовати веће долете, који су трајали више сати, то је било веома заморно за пилота, услед чега су постали ти услови ризични за прављење грешки. Аутопилот је пројектован да обавља неке од задатака пилота, тако да му смањи то укупно ангажовање па и услове за већи замор.

Први авионски аутопилот је развијен 1912. године, од стране корпорације Спери (ен. Sperry). Једноставно су повезали жироскопски индикатор (сензор) и хидраулички извршни механизам у командном колу крилаца тако да је свако нежељено ваљање око уздужне осе авиона аутоматски враћано. Резултат је добијен да је авион равно летео без промене нагиба у условима да пилот не командује палицом. Исто је то урађено и по правцу, где је сензор (давач) био компас. Укупни резултат је остварен да је у великој мери смањено оптерећење пилота.

Лавренце Спери (син чувеног проналазача Елмера Сперија) је, 1914. године, показао решење за повећање безбедности ваздушног саобраћаја на такмичењу одржаном у Паризу. Спери је, на конкурсу, приказао као реално решење да авион безбедно лети са рукама далеко од команди лета. Елмер Спери је дао решење аутопилота, а касније га је, после рата, капетан Ширас усавршио. Савршеније решење аутопилота авиона, било је више компактно и поуздано, испитано је 1930. године, у америчкој војној авијацији, када је испуњен задатак одржања задате надморске висине, у току трајања лета од три часа.

У Енглеској је, 1930. године развијен авионски аутопилот, који је био заснован на пнеуматском жироскопу у колу команди лета.

Даљи развој аутопилота је текао у његовом технолошком усавршавању, као што су побољшање алгоритама управљања и хидрауличних покретача. Такође, укључивани су додатни уређаји првенствено савршенији сензори, као што су радио-навигациона помагала за обезбеђење ноћног лета и по лошем времену. Америчко ваздухопловство, 1947. године, са авионом C-54, реализовало је прекоокеански лет, у потпуности под управљањем аутопилотом, укључујући и полетање и слетање.

Савремени аутопилоти

Савремени систем команди лета авиона
Аирбус А340 (кабински сегмент).

Нису сви путнички авиони ни сада са уграђеним системом аутопилота. Старији и мањи авиони још увек се само ручно управљају, па чак и у мањим авиокомпанијама, авиони мањи од двадесет седишта такође су углавном без аутопилота, јер се користе за краће летове и са посадом су од два пилота. Генерално је обавезна итеграција аутопилота у авионе са више од двадесет седишта, према међународним ваздухопловним прописима. Постоје три нивоа управљања аутопилотима за мање авионе. Аутопилот за управљање ваздухопловом око једне осе, већином у каналу ваљања. Ти аутопилоти су такође познати по називу нивелисање крила, одржава задани нагиб крила у односу на хоризонталу. Једноосно решење за аутопилот у ваљању је примењено и на војним авионима МиГ-21 и ‎J-22 oрао, где постоји само та функција. Двоосни аутопилот управља ваздухопловом у пропињању (око попречне осе), као и у ваљању, а може бити и нешто више са уграђеним и пригушивачем уздужних краткопериодичних осцилација. Такође, може примити улаз (сигнале) од путног радио-навигационог система и да пружи стварно аутоматско одржање задатог правца лета ваздухоплова, све непосредно до пред слетање. Његове могућности може решење да испуни негде између ова два крајња захтева. Троосни аутопилот поседује управљање и око „у“ осе скретања, што није неопходно у већини случајева за мање авионе. Аутопилот у савременом комплексном авиону и беспилотној летелици су са три осе, а његова се функција генерално дели у нивое лета: таксирање, полетање, пењање, крстарење, спуштање, прилаз и фаза слетања. С њим се аутоматизују све ове фазе лета, осим таксирање и полетање. Аутопилот управља полетањем на писти и управља летелицом да се креће средином писте, као и при аутоматском слетању, што је доступно на пистама многих великих аеродромима. У будућности ће се стандардно аутопилот користити за аутоматизацију фаза постављања летелице на старт, затрчавање, полетање и слетање. Аутопилот је у савременим решењима обично саставни део система команди лета.

Илустрација улоге аутопилота у
управљању и навигацији авионом

Савремени аутопилоти користе компјутерски софтвер за управљање авионом. Софтвер „чита“ тренутну позицију авиона, а затим одређеним законима управљања води авион. У таквом систему, поред класичних команди лета, многи аутопилоти поседују и могућности управљања потиском мотора, који се постиже управљањем гасом, за оптимизацију брзине летелице. Такође, аутопилотом се може управљати и претакањем горива по резервоарима, за одржавање повољне центраже авиона на оптималним вредностима, у току лета. Иако је управљање аутопилотом новина и представља одређену дозу опасности због недовољне флексибилности на промењене услове, углавном је лет авиона с њим са мањом потрошњом горива, у односу на управљање са пилотом-човеком. Аутопилот у савременом великом ваздухоплову „чита“ своју позицију и свој положај у односу на неки од система инерцијалног навођења. Инерцијални системи вођења сабирају грешке (одступање) током времена. Због тога се номинално стање положаја летелице повремено ажурира са GPS системом. Грешке жироскопа се поправљају дигиталном обрадом сигнала, најчешће шест-параметарским Калмановим филтером. Шест параметара, обухватају ваљање, пропињање, скретање, надморску висину, географску ширину и дужину.

Детаљи рачунарског система

Конструкција хардвера аутопилотa варира од реализације до реализације, али је генерално увек присутна његова захтевна способност поновљивости и поузданости, за извршење најважнијих функција. На пример, аутопилот лета по правцу, на авиону Боинг 777, користи троструки микропроцесор FCP-2002 који је верификован и на отпорност на зрачења. Софтвер и хардвер аутопилота је строго контролисан, у оквиру обимних процедура испитивања, пре сваке уградње. Неки су аутопилоти различито пројектовани. Због повећања поузданости, критични су софтверски процеси не само када раде на одвојеним рачунарима, већ када користе и различите архитектуре, али сваки рачунар покреће софтвер креиран од стране различитих тимова инжењера, често се програмира и у различитим програмским језицима. Обично се сматра да је вероватноћа мања да различите инжењерске екипе праве исте грешке. Како софтвер постаје скупљи и сложенији, пројекат разноврсности решења је све ређи, тако да је већа приступачност ширем кругу корисника. Рачунари команди лета на Спејс шатлу су користили пројекат, где их је било пет, од којих су четири поновљиво управљали са истим софтвером, а пети резервни софтвер је одвојено развијен.

Илустрација краткопериодичне
попречно-смерних осцилација,
односно нестабилности ( ен. Dutch roll).
 

Овај пети софтвер је имао функцију да систем испуни само основне функције неопходне за лет Спејс шатла, максимално је смањено његово заједништво са софтвером на коме раде четири основна система.

Систем за повећање стабилности

Повећање стабилности система је још један тип аутоматског управљања летењем. Међутим, уместо да одржава летелицу на унапред задатој путањи, овај систем му ублажава осцилације после поремећаја и моделира прелазни процес, при преласку са једног на друго номинално стање. Систем аутоматски стабилизује летелицу око једне или више оса. Најчешћа је потреба за пригушењем попречно-смерних осцилација, тако званихен. Dutch roll. Може се ублажити с пригушивачем осцилација око „Х“ осе, уграђеним у ланац команди крилаца. Квалитетнији резултат се добија када је двоканални у ланцу команди крилаца и у ланцу вертикалне крме, пошто се скретање и ваљање спреже у попречно-смерно кретање.

Пригушивачи се састоје од сензора (давача сигнала о скретању и ваљању), то су жироскопи и угаони акцелометри, чији сигнали се по одређеном алгоритму уводе у серво погон командних кола, односно у коначно померање командних површина. Рачунар обрађује сигнале из сензора и одређује законитост померања одговарајућег крмила, по амплитуди, учесталости и по фазном помаку, тако да се та интервенција супроставља осциловању летелице. На тај начин се ублажавају попречно-смерне и уздужне краткопериодичне осцилације летелице.

 Анимација аутоматског пригушења осциловања у пропињању, скретању и у ваљању авиона

Код савремених захтевних авиона, користе се пригушивачи око све три осе, који су интегрисани у јединствен систем аутопилота и команди лета. Чине целину која у потпуности профилише карактеристике управљивости и стабилности летелице. То су савремени линијски путнички авиони и борбени 4. и 5. генерације.

У затворено коло динамике, укључују се карактеристике пилота (човека), команди лета (са свим ускладницима), сервопокретача и авион. Динамика затвореног кола укупног система се детаљно анализира на све типичне облике поремећаја и усклађује се софтвером аутопилота и пригушича, све док се не добију жељени „одговори“ у оквиру норми и прописа.

Затворено коло динамике система, усклађено функцијом испуњења прописа за динамички „одговор“,

што је могуће ближе НИВО 1, MIL прописа, у свима режимима лета авиона.

Аутопилот за ILS слетање

Систем за инструментално слетање (ILS), дефинисан је по категоријама, од стране Међународне организације за цивилно ваздухопловство (ICAO). Ово зависи од нивоа потребне видљивости и карактеристика аутоматског слетања, које може бити спроведено без учешћа пилота.

CAT I - Ова категорија омогућава пилотима да донесу одлуку за слетање на висини од 61 m и с видљивошћу испред себе до 550 m. Тада аутопилот није потребан.

CAT II - Ова категорија омогућава пилотима да донесу одлуку за слетање на висини од 61 m и ≈ 30 m и с видљивошћу испред себе до 300 m. Када је аутопилот изван радне употребе.

CAT IIIa - Ово категорија дозвољава пилотима да да донесу одлуку за слетање на висини од 15 m и с видљивошћу испред себе до 200 m. Када је аутопилот изван радне употребе. Вероватноћа је 10-6 успешних слетања изван прописаних услова.

CAT IIIb - Као IIIa, али са додатком аутоматског кретања после слетања, са преузимањем управљања од стране пилота, на неким деловима писте. Ова категорија дозвољава пилоту да донесе одлуку за слетање на висини од 15 m, или без висине за одлуку и предње видљивости од 76 m, или 91 m у Сједињеним Америчким Државама. За слетање-без-одлуке и помоћи, у случају отказа аутопилота. За ову категорију је неопходан неки облик система за навођење на аеродрому.

CAT IIIc - Као IIIb али без висине за одлуку или одређивања минимума, такође познат као „нула-нула“.

Пасивност аутопилота: у случају неуспеха, ваздухоплов остаје у контролисаном положају и пилот преузима управљање над њим, направи заокрет и слети. То је обично двоканални систем.

Пасивност аутопилота: у случају квара испод висине упозорења, прилаз и слетање се и даље могу аутоматски завршити. Обично је систем троструког канала или два двоканална система.

Радио-управљани модел

  • У радио-управњаним моделима, а посебно RC авионима и хеликоптерима, аутопилот је обично сет засебног хардвера и софтвера, који се интегришу и командни систем и активирају пре преноса програмирања лета на модел.

 Види још

  • Аеродинамика
  • J-22 oрао
  • Функција преноса
  • Повратна спрега

Извори