Automatisierung in Flugzeugen: Die sich ändernde Rolle des Piloten

Inhalt

• Vom Wright Flyer zum Modern Jetliner
• Entwicklung der Boeing 747
• Das Fly-by-Wire-System
• Air France Flug 447
• Colgan Air Flug 3407
• Unfallverhütung durch Pilotenausbildung für das moderne Cockpit

Ich mache derzeit eine Ausbildung zum Berufspiloten und folge meinem Kindheitstraum.

Vom Wright Flyer zum Modern Jetliner

Bei der ersten Konzeption von Flugzeugen stützten sich frühe Pioniere wie die Wright Brothers ausschließlich auf mechanische Verbindungen zwischen den Steuerungen des Cockpits und den beweglichen Teilen des Flugzeugs. Ein System von Kabeln und Riemenscheiben verband das Joch oder die Steuerknüppel- und Ruderpedale mit den drei primären Steuerflächen der Maschine: Querruder, Höhenruder und Seitenruder. Grundlegende Kolbenmotoren mit Festpropellern, wie sie in frühen Flugzeugen eingebaut sind, sowie viele heute gebaute und geflogene Leichtflugzeuge erfordern nur eine mechanische Gas-, Gemisch- und Vergaserwärmesteuerung. Frühe Flugzeuge konnten unter visuellen Bedingungen nur niedrig und langsam fliegen, so dass die Arbeitsbelastung der Piloten so gering war, dass sie die Steuerung im Alleingang steuern konnten. Das Hauptanliegen wäre ein mechanisches Versagen der Struktur oder des Triebwerks gewesen, was in den ersten Jahren der Luftfahrt leider üblich war.

Als die Komplexität der Flugzeuge zunahm und zuverlässige Computersysteme verfügbar wurden, bauten die Hersteller einen zunehmenden Automatisierungsgrad in ihre Entwürfe ein. Die Automatisierung in modernen Flugzeugen ist praktisch überall zu finden, von FADEC-Systemen (Full Authority Digital Engine Control), die die Triebwerke steuern, über elektronische Fly-by-Wire-Bewegungen der Steuerflächen des Flugzeugs bis hin zu Navigations- und Autopilotsystemen, die genau genug sind, um über hundert zu landen Tonnen Metall fliegen mit einer Geschwindigkeit von über 150 Meilen pro Stunde auf einem schmalen Asphaltstreifen, ohne dass der Pilot eingreifen muss, außer um die Klappen und das Fahrwerk abzusenken. Die Rolle des Piloten muss in diesen hochmodernen Flugzeugen eindeutig anders sein, und tatsächlich könnte das Flugzeug ohne diese lästigen Klappen und Ausrüstung selbst ohne Piloten fliegen. Militärische UAVs tun genau dies; Alle Bordsysteme werden von einem Piloten am Boden gesteuert und sind automatisch. Die meisten Menschen fühlen sich jedoch glücklicher, wenn sie am Ende Piloten haben, und es gibt derzeit keine ernsthaften Pläne, Menschen aus dem Cockpit von Verkehrsflugzeugen zu entfernen.

Entwicklung der Boeing 747

Die Boeing 747 wurde in den frühen 1960er Jahren ursprünglich entwickelt, um den Frachttransportanforderungen des US-Militärs gerecht zu werden. Um diese Zeit nahm der kommerzielle Jet-Reiseverkehr jedoch buchstäblich Fahrt auf, und das Unternehmen sah eine Nische auf dem Markt für ein großes Passagierflugzeug. Die erste Variante, die 747-100, machte ihren ersten Flug im Jahr 1969 und wurde 1970 bei Pan Am in Dienst gestellt. Wie im obigen Bild zu sehen ist, war das Flugdeck voll mit traditionellen analogen Instrumenten und Messgeräten und flog die Für das Flugzeug waren drei Besatzungsmitglieder erforderlich - der Kapitän, der Erste Offizier und ein Flugingenieur -, die hinter den Piloten saßen und einer riesigen Instrumententafel gegenüberstanden, die viele Flugzeugsysteme überwachte und kontrollierte.

Der Flugingenieur wurde mit dem Aufkommen der 747-400-Variante im Jahr 1989 obsolet. Das zweite Bild zeigt die völlig andere Anordnung des Cockpits mit großen digitalen elektronischen Anzeigen vor den Piloten. Viele Funktionen, die manuell ausgeführt werden mussten, wurden in automatische Sequenzen integriert, die per Knopfdruck aktiviert wurden, wodurch die Anzahl der Zifferblätter, Anzeigen und Knöpfe im Cockpit von fast 1000 auf nur 365 reduziert wurde.

Im Jahr 2011 wurde die neueste 747-8-Variante mit aktualisierten Systemen in Betrieb genommen, die die für das brandneue 787-Verkehrsflugzeug von Boeing entwickelte Technologie verwenden. Das auf dem dritten Foto gezeigte Cockpit sieht in Bezug auf Anzeigen, versteckte Systeme und die Verwendung von Fly-by-Wire für einige Bedienoberflächen ähnlich aus.

Das Fly-by-Wire-System

Fly-by-Wire ist ein System, das mechanische Verbindungen zwischen den Steuerungen des Piloten und den Steuerflächen des Flugzeugs durch eine elektronische Schnittstelle ersetzt, die die Eingaben des Piloten interpretiert und in elektronische Signale umwandelt, die bewirken, dass Aktuatoren die Oberflächen entsprechend bewegen. Solche Systeme können verwendet werden, um die Flugstabilität zu verbessern und Störungen aus dem gewünschten Flugzustand automatisch zu korrigieren. Dies wird insbesondere in modernen Kampfjets verwendet, die sehr wendig, aber von Natur aus instabil sind und von einem Menschen nicht geflogen werden können, wenn die Flugsteuerungscomputer ausfallen. Verkehrsflugzeuge verhalten sich nicht so, aber Flugsteuerungscomputer können für den Schutz der Flughülle programmiert werden. Dies bedeutet, dass der Computer das Manöver nur bis zu vorgegebenen Grenzen zulässt, wenn die Eingabe eines Piloten ein Manöver erfordert, das das Flugzeug in eine gefährliche Position bringt oder strukturelle Grenzen überschreitet, während der Pilot eine Cockpitwarnung erhält.

Fly-by-Wire hat eine beeindruckende Geschichte: Concorde ist das erste Serienflugzeug, das es in seiner frühen analogen Form einsetzt, und das Space Shuttle das erste Flugzeug, das ein volldigitales System einsetzt. Airbus war der erste große zivile Flugzeughersteller, der die digitale Fly-by-Wire-Technologie einführte und diese in begrenztem Umfang auf der A310 und vollständig auf der A320 einsetzte, die 1988 eingeführt wurde und umgangssprachlich als "Electric Jet" bezeichnet wird. Nach anfänglichem Widerstand hat Boeing die Technologie später übernommen und setzt sie derzeit auf den 777, 787 und 747-8 ein. Embraer verwendet Fly-by-Wire für seine E-Jet-Serie, und der Dassault Falcon 7X ist der erste Geschäftsjet, der das System verwendet.

Air France Flug 447

Am 1. Juni 2009 stürzte Air France Flug 447 von Rio de Janeiro nach Paris in den südlichen Atlantik. Anfänglich war die Ursache des Unfalls ein Rätsel, da die Piloten keinen Mayday-Anruf getätigt hatten und die Wiederherstellung der Flugdatenschreiber vom Meeresboden zwei Jahre dauerte.

Die Untersuchungen konzentrierten sich auf den Verdacht auf Vereisung von Instrumenten, die als Pitot-Sonden bezeichnet werden, aufgrund der damaligen Wetterbedingungen. Normalerweise werden Pitot-Sonden erhitzt, um die Eisbildung zu verhindern. Wenn sie jedoch blockiert werden, können die Computer des Flugzeugs nicht genau erkennen, wie schnell es sich durch die Luft bewegt. Es besteht dann die Gefahr, dass Sie zu langsam fliegen, was bedeutet, dass nicht genügend Luft über die Flügel strömt, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten, und dass sie in einen Stall eindringt und vom Himmel fällt. Unstimmigkeiten zwischen den Messwerten verschiedener Pitot-Sonden machen es unmöglich zu wissen, welche Fluggeschwindigkeit korrekt ist, und der Autopilot, der zu diesem Zeitpunkt den Airbus A330 geflogen hätte, reagierte mit einer Unterbrechung, was bedeutet, dass die Piloten von Hand flogen. Entscheidend ist, dass in dieser Situation die Flugsteuerungscomputer so programmiert sind, dass sie sich vom "normalen Gesetz" zum "alternativen Gesetz" verschlechtern. In diesem Zustand ist kein Schutz der Flughülle verfügbar und es gibt nichts, was das Flugzeug daran hindert, in einen Stall zu gelangen dieser Fall.

Das Rätsel war, warum sich die Besatzung nicht vom Stand erholen konnte. Das Standardverfahren zur Wiederherstellung des Strömungsabrisses bei jedem Flugzeug besteht darin, die Nase abzusenken, um die Geschwindigkeit zu erhöhen und den Flügeln zu ermöglichen, wieder Auftrieb zu erzeugen. Bei einem Flug über 35.000 Fuß hätte es genügend Zeit geben müssen, um sich zu erholen, aber es ist nicht geschehen.

Die Wiederherstellung der Flugdaten und der Cockpit-Diktiergeräte enthüllte detailliert, was passiert war. Aus dem Dialog der Piloten ging hervor, dass sie keine Ahnung hatten, was geschah, bis es zu spät war. Schlimmer noch, einer der Piloten reagierte völlig unangemessen auf den festgefahrenen Zustand, indem er den Steuerknüppel zurückzog und nicht nach vorne drückte, obwohl im Cockpit Warnhinweise angezeigt wurden. Wie bei fast allen Flugunfällen war die Ursache multifaktoriell, was auf das Wetter, das Design der Pitot-Sonden und die unangemessene Reaktion des Piloten auf den Verlust der Automatisierung zurückzuführen war.

Colgan Air Flug 3407

Einige Monate zuvor, am 12. Februar, stürzte ein Bombardier Q400 beim Anflug auf Buffalo, New York, ab. Die Untersuchung ergab, dass dieses Flugzeug ebenfalls ins Stocken geraten war, wenn auch unter anderen Bedingungen. Der Autopilot flog das Flugzeug, aber die Fluggeschwindigkeit sank schnell, als die Klappen und das Fahrwerk abgesenkt wurden, was den Luftwiderstand erhöhte. Die Besatzung bemerkte dies nicht, bis das Stallwarnsystem den Stabschüttler aktivierte. Die angemessene Reaktion wäre gewesen, eine Standard-Stallwiederherstellung durchzuführen, die Nase zu senken und Kraft aufzubringen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Stattdessen versuchte der Kapitän, die Nase hochzuziehen. Dies aktivierte die nächste Stufe des Stallschutzes, den Stick-Pusher, der eine starke Nose-Down-Kraft auf den Stick ausübt, um das Flugzeug zu bergen. Der Kapitän zog sich jedoch weiter gegen diese Kraft zurück, was zu einem vollen Stall führte, von dem sich das Flugzeug nicht erholte.

Unfallverhütung durch Pilotenausbildung für das moderne Cockpit

In beiden Fällen traten im Verlauf der Untersuchungen Ausbildungsdefizite auf. Infolge des Colgan-Absturzes stellte sich heraus, dass die im Simulator allgemein gelehrte Stallwiederherstellung die Erholung mit minimalem Höhenverlust betonte, was bedeutete, dass die Piloten dazu neigten, sich von der Stallwiederherstellungstechnik zu entfernen, die sie zu Beginn ihres Trainings in Leichtflugzeugen gelernt hatten mit einer deutlichen Bewegung nach unten und neigten dazu, Höhenverlust um jeden Preis zu vermeiden. Es wurde angenommen, dass dies zur unangemessenen Reaktion des Kapitäns auf die Stallwarnungen beigetragen hat.

Die Untersuchung von Air France ergab, dass die Fluggesellschaft keine Verfahren zur Wiederherstellung von Ständen in großer Höhe in ihr Schulungsprogramm aufgenommen hat und in der Tat überhaupt kein manuelles Handling-Training in großer Höhe. Dies hat wahrscheinlich zu der Verwirrung der Piloten geführt, zu ihrer Nichtbeachtung geeigneter Checklisten und zu ihren unangemessenen Antworten.

Diese Unfälle haben in der Luftfahrtindustrie viele Diskussionen ausgelöst. Im Jahr 2011 wurde auf der Flugtrainingskonferenz der Royal Aeronautical Society ein Bericht vorgestellt, der darauf hinweist, dass die Flugbesatzung, die in der Lage ist, auf ungewohnte Situationen zu reagieren, die häufig mit einem Automatisierungsverlust einhergehen, entweder militärisch ausgebildet ist oder von einer Fluggesellschaft mit mehr als dem gesetzlichen Mindestprogramm für wiederkehrende Schulungen eingesetzt wird Dieses Standardtraining bietet modernen Piloten nicht die nötige Belastbarkeit, um die Herausforderungen des modernen Cockpits zu bewältigen. Es wurde vermutet, dass neu ausgebildete Piloten sich zu sehr auf die Automatisierung verlassen, im Gegensatz zu älteren Piloten, die auf weniger hoch entwickelten Systemen geschult sind, die dazu neigen, Informationsquellen in Frage zu stellen und besser auf Fehlfunktionen eines Systems vorbereitet zu sein.

Es gab einige unmittelbare Änderungen im Training, insbesondere in der Stallwiederherstellung, wo es zu einer Rückkehr zu den Grundprinzipien gekommen ist - Nase runter und Erhöhung der Fluggeschwindigkeit als Priorität. Einige Flugtrainingsorganisationen haben ein Modul zur Wiederherstellung von Störungen in ihre Grundausbildung aufgenommen, um das Situationsbewusstsein zu stärken und frühzeitig korrekte Wiederherstellungsverfahren einzuführen. Durch die Einführung einer neuen Lizenz, der Multi-Crew Pilot License, wird eine kompetenzbasierte Ausbildung eingeführt, mit der die Auszubildenden anhand der tatsächlichen Leistung in einer Reihe von Situationen bewertet werden sollen, anstatt lediglich einen wohl veralteten Lehrplan auszufüllen.

Es ist bedauerlich, dass manchmal Unfälle passieren müssen, bevor Probleme erkannt werden, aber das Bewusstsein für die unterschiedlichen Herausforderungen für Piloten, die hochautomatisierte Flugzeuge bedienen, ist jetzt auf einem Allzeithoch, was hoffentlich zu einer erhöhten Sicherheit für alle Fluggäste führt.