Systém řízení A320

• 15.05.2005 02:00
• stalo_se

Dnešní článek není autorský článek Planes.cz. Vyšel před 16 lety v časopise Letecký obzor. Časopis vycházel v malém nákladu a byl určen úzkému okruhu čtenářů z odborné veřejnosti. Celá řada článků je stále zajímavá a aktuální a stojí za připomenutí a opětovné publikování. Proto si vám dovoluji nabídnout článek o systému řízení letadla Airbus 320, kterým připomínám nedávné zařazení tohoto typu letadla do flotily ČSA.

Konstrukce letounu Airbus A320, jenž pochází z 80. let minulého století, drží v některých případech prvenství při zavádění neobvyklých technických řešení do oblasti civilní letecké techniky. Toto mimořádné úsilí konstruktérů vyplývalo ze snahy zvýšit bezpečnost a provozní spolehlivost letadla, snížit provozní náklady a dosáhnout co největší ekonomie provozu, aby letadlo bylo co nejvíce konkurenceschopné.

Systém řízení letadla A320 s přenosem povelů elektrickými signály, jejichž konečná odezva na řídících plochách je upravena počítačem, přináší řadu výhod jak z hlediska bezpečnosti provozu, tak z hlediska snížení hmotnosti letadla a náročnosti na údržbu. V tomto systému řízení digitální počítače a elektrické obvody nahrazují mechanická táhla a lana. (Dosud byl používán na některých typech vojenských letadel a od roku 1969 na nadzvukovém letadle Concorde, kde ovšem šlo o analogový systém s mechanickým zálohováním.) Pro ovládání klapek na náběžné a odtokové hraně křídla a pro ovládání spojlerů se digitální systémy využívají již od roku 1983 na A310 a od roku 1984 na A300-600.

Povely pro ovládání podélného sklonu vycházejí z postranních pák. Dalšími prvky řízení A320 jsou konvenční pedály směrového kormidla, ovládací páka vzdušné brzdy a kolečka pro manuální vyvažování horizontálních ocasních ploch, zapuštěná do středního pultu na obou stranách od pák ovládání tahu motorů.

Ze šesti obrazovek na palubní desce slouží dvě pro displej primárních letových údajů, dvě jako navigační displeje a zbývající dvě pro displej údaj centrálního monitorování činnosti a stavu systémů letadla (ECAM). Na těchto dvou displejích se zobrazují primární údaje motorů a ostatních systémů letadla a v případě potřeby různá varování.

Činnost systému řízení

Získané zkušenosti a relativně levné výkonné počítače, které se objevily na trhu začátkem osmdesátých let, byly dobrým východiskem pro toto nové řešení systému řízení. Hlavní výhodou EFCS (Electronic Flight Control System) je přirozeně zvýšená bezpečnost provozu, kterou přináší tím, že počítače udržují parametry letu uvnitř letové obálky a brání jakýmkoliv trendům je překročit. Zabraňují max. provozní rychlosti Vmo + 28 km/h tím, že se automaticky zvýší podélný sklon letadla s přetížením max. 1,5 g.  Rovněž chrání letadlo před pádem v důsledku ztráty rychlosti  - při poklesu rychlosti pod 1,15 Vs se automaticky zvyšuje statická stabilita a brání letadlu dosáhnout  úhlu náběhu, který by vedl k pádu. A320 má rovněž ochranu proti „neobvyklým“ polohám: tato ochrana brání překročení podélného sklonu +30° nebo -15° a příčného náklonu 65°. I za podmínek extrémní turbolence (např. CAT – clear air turbolence) zůstanou polohy letadla v tomto rozmezí a vyrovnání letadla se zahájí automaticky. Dalším druhem ochrany letové obálky je automatické zvýšení tahu motorů na maximální průletový tah, když se letadlo přiblíží k maximálnímu vztlaku nebo při výskytu silného střihu větru. K zajištění dobrých charakteristik řízení letadla elektronický systém zpracovává údaje o poloze letadla v prostoru, rychlostech změn polohy a zrychlení a informace digitální aerometrické ústředny. Řídící funkce je možné shrnout takto: zvýšení stability, automatické vyvažování letadla, plná koordinace zatáček až do náklonu 33°, pozitivní spirální stabilita při náklonu nad 33°, kompenzace při vysazení motoru, snížení zatížení draku při poryvech, ochrana proti extrémním polohám v prostoru, proti překročení přípustné rychlosti, proti pádu v důsledku ztráty rychlosti a proti účinkům střihu větru. To znamená, že při funkci tohoto systému ani piloti nemohou provádět s letadlem A320 potencionálně nebezpečné letové manévry a uplatňovat nepřijatelné letové postupy. Při vzletu nebo přistání za podmínek střihu větru mají piloti činnost velmi usnadněnou – stačí, když pilot plně přitáhne řídící páku a počítače upraví podélný sklon letadla tak, aby křídlo mělo maximální vztlak a současně nastaví ovládání motorů na plný výkon. Rovněž při nebezpečí srážky s jiným letadlem je postup pilotů velmi jednoduchý – vychýlí plně řídící páku ve směru potřebného úhybného manévru a počítače zajistí, že letadlo rychle reaguje, ovšem tak, aby nedošlo k poškození letadla v důsledku přetížení ani k pádu v důsledku ztráty rychlosti. Z toho vyplývá, že EFCS automaticky nabízí pilotům svoji pomoc v situacích, kdy to nejvíce potřebují a tím jim umožňuje, aby mohli řešit abnormální a nouzové situace s větším přehledem a jistotou. Ovšem, jak ukázala první nehoda A320, ani sebedokonalejší technika nemůže vyloučit chybné zásahy lidského činitele.

Systém pro snížení působení poryvů

Elektronický systém řízení též umožnil vestavění automatické funkce snížení zatížení poryvů, což jednak činí let příjemnější, jednak snižuje maximální hodnoty ohybového momentu u kořene křídla až o 15 %. Jestliže letadlo vletí do poryvu, signály z akcelerometrů, umístěných v přední části trupu, přijdou do počítačů ELAC a SEC, které je zpracují a vyšlou povelové signály na křidélka a spoilery. Vnější křidélka, vychylující se rychlostí 100°/s a spojlery s rychlostí 200°/s kompenzují účinky poryvu a značně omezí náhlé pohyby letadla, které by jinak následovaly. Pro dosažení tak vysoké rychlosti vychýlení spojlerů jsou hydraulické akumulátory umístěny těsně vedle hydraulických válců.

Elektronika systému řízení

V systému řízení pracuje pět hlavních počítačů, přičemž kterýkoliv ze čtyř z nich je schopen sám zajistit bezpečný průběh letu; pátý poskytuje pouze řízení náklonu. Tyto počítače jsou rozděleny do dvou skupin: tři pracují v obvodu ovládání spojlerů a výškového kormidla (SEC) a dva v obvodu ovládání výškového kormidla a křidélek (ELAC). V každém počítači jsou současně v činnosti dva procesory: procesor, který pracuje v obvodu řízení, je nepřetržitě monitorován druhým procesorem , který pracuje na odlišné časové základně. Toto zajišťuje splnění požadavků na nepravděpodobnost toho, že by se některá řídící plocha samovolně přestavila. Aby vzájemné zálohování a vzájemná kontrola byly provozně co nejspolehlivější, každou skupinu počítačů vyrábí a programuje jiný dodavatel a v každé se používá jiných mikroprocesorů. V osmdesátých letech, kdy se A320 začaly vyrábět, to byly procesory v počítačích SEC Intel 80186 a v ELAC Motorola 68000. Je samozřejmé, že s typy počítačů použitých v systému řízení provedl výrobce letadla rozsáhlé zkoušky v extrémních podmínkách a to z hlediska teplot, výkyvů napětí i dlouhodobého zatížení. Programové vybavení prodělalo všestranné zkoušky v simulátorových ověřovacích programech. Kromě toho bylo celé elektronické vybavení systému řízení podrobeno rozsáhlým zkouškám na maketě systému řízení. Do programu letových zkoušek bylo zařazeno i ověření odolnosti systému vůči bleskům a proti působení elektromagnetické energie v širokém spektru kmitočtů a výkonů. Aby nebezpečí výpadku EFCS bylo minimální, provedli konstruktéři mezi jiným tato opatření:
- páry vodičů k hlavním počítačům jsou uloženy odděleně
- vodiče jsou v nejvyšší možné míře chráněny proti účinkům blesků a proti elektromagnetickému rušení
- napájení je vícenásobné z oddělených zdrojů
- pro vychylování hlavních řídicích ploch se používá minimálně dvou elektricky ovládaných hydraulických válců
Vzájemné zálohování počítačů v systému řízení je na takové úrovni, že ani vícenásobná závada počítačů by neměla ohrozit účinné a bezpečné řízení letadla až do jeho přistání. Proto se předpokládá, že bude možné povolit vlet na normální traťový let i v případě, že bude jeden počítač mimo provoz.
Další dva počítače (FAC) jsou na A320 pro ovládání směrového kormidla a zvýšení stability. Digitální automatický systém řízení letu (AFS) letadla A320 je integrován do počítačů FAC a do dvou počítačů systému pro optimalizaci letu a vedení letadla (FMGC). AFS je již připraven na vedení letadla podle údajů družicového navigačního systému GPS. Pravděpodobnost úplného vysazení všech počítačů EFCS je velmi malá, avšak i v tomto případě zůstává A320 plně ovladatelné, i když bez ochran, které mu poskytují. Pro takový případ má A320 mechanické ovládání směrového kormidla (pedály) a manuálně ovládané vyvažování horizontálních ocasních ploch. Během letových zkoušek se prokázalo, že piloti mohou bezpečně přivést letadlo z cestovní hladiny na přiblížení a bez obtíží přistát s použitím jen těchto mechanických prvků řízení.

Postranní řídící páky

EFCS s postranní řídící pákou byl již v roce 1983 experimentálně instalován na letadle A300 a prodělal dva programy letových zkoušek, kterých se zúčastnili i piloti od leteckých dopravců. Jejich poznatky a připomínky tehdy značně přispěly k dalšímu vývoji pilotní kabiny A320. Tím, že byly odstraněny mechanické části pro přenos povelů řízení (lana, kladky, táhla), bylo možné přemístit řídící páky na levý a pravý boční panel a tím jednak zlepšit odečítání údajů displejů na palubní desce, jednak poskytnout pilotům vysouvací stolek pro práci s různými pomůckami a doklady, nebo pro jídlo. Ovládání postraní řídící páky (side stick) vyžaduje minimální námahu, protože je konstruována tak, aby co nejlépe odpovídala přirozené mechanice ruky, podepřené nastavitelnou opěrou. Protože počítače v obvodu řízení zajišťují nepřekročení povoleného namáhání letadla (2,5g v čisté konfiguraci), nemusí ruka pilota přemáhat přirozené nebo umělé síly v řízení, jako je tomu u letadel s konvenčním systémem řízení.

Jediné spojení mezi levou a pravou řídící pákou je elektrické  - není zde žádné mechanické propojení. Za normálního provozu pohyby postranních řídících pák vedou k takové reakci letadla, která odpovídá aritmetickému součtu vychýlení obou pák, ovšem maximálně jen do úrovně odpovídající plné výchylce jedné řídící páky. To znamená, jestliže velitel letadla vychýlí řídící páku o 5° dopředu a druhý pilot udělá totéž, A320 se bude chovat stejně, jako kdyby jedna páka byla vychýlena dopředu o 10°. Pokud jsou stejné výchylky v opačných směrech, pak se navzájem ruší. Pro případ, že by jeden z pilotů ztratil vědomí a udržoval řídící páku ve vychýlené poloze, je na postranní řídící páce prioritní tlačítko, které slouží zdvojení tlačítka pro odpojení automatického řízení. Jestliže pilot přebírající řízení drží toto tlačítko stisknuté po dobu více než 30 s, jeho řídící páka získá prioritu a ponechá si ji tak dlouho, dokud se druhá řídící páka nevrátí do střední polohy. Když některá řídící páka získala prioritu, rozsvítí se  signalizační světla a piloti uslyší digitalizované hlasové upozornění. Pokud jsou obě postranní řídící páky uvolněny, tj. žádný z pilotů neřídí, letadlo automaticky udržuje trajektorii letu, kterou sledovalo až do té doby a let probíhá v normálním provozním rozmezí. Vyvažování letadla je automatické. Jestliže by však pilot chtěl letět na mezích letové obálky, musí udržovat řídící páku ve vychýlené poloze. V případě vysazení motoru však letadlo udržuje bezpečnou dráhu letu zcela automaticky (bez jakéhokoliv zásahu pilota).

Ovládání motorů

Počínaje oběma typy motorů, s kterými se na začátku uvažovalo pro A320, jsou motory vybaveny digitálním plně automatickým systémem ovládání (FADEC). Podobně jako na řídící plochy, tak i na motory se povely přenášejí elektrickými signály, to znamená, že není žádné mechanické spojení mezi motory a ovládacími pákami. Pro zajištění plné bezpečnosti je systém FADEC na každém motoru zdvojený. Jak systémy FADEC, tak zařízení řídící činnost palivového systému jsou propojeny s počítači FMGC. Hlavními úkoly systému FADEC je ochrana motoru před překročením provozních omezení, ovládání výkonu motoru, automatické spouštění motoru, indikace údajů motoru v pilotní kabině a ovládání zpětného tahu. Zajišťuje rovněž sběr údajů pro sledování stavu motoru a jeho údržbu. Činnost FADEC je upravena tak, aby motory poskytovaly optimální výkon pro každou fázi letu. Piloti jednoduše zvolí volnoběh, stoupací výkon, maximální trvalý výkon, vzletový/průletový výkon nebo zpětný tah a FADEC přivede motory na optimální výkon pro dané podmínky. Tím, že FADEC nejen nepřipouští překročení povolených mezních hodnot motorů, ale i ovládá motory optimálním způsobem, prodlužuje životnost motorů a snižuje nároky na údržbu.

Výhody elektronického systému řízení

Největším přínosem je přirozeně zvýšení bezpečnosti provozu a snížení zatížení posádky, zvláště v mimořádných situacích. Ovšem EFCS má další přednosti, z nichž je třeba připomenout především:
- snížení hmotnosti letadla – u A320 se snížila hmotnost použitím  EFCS celkem o 350 kg
- snížení nároků na údržbu – dlouhá lana a všechny mechanismy klasického řízení je nutné pravidelně ošetřovat; výměna elektronického dílu je podstatně jednodušší než seřizování mechanického řízení
- celý systém je podstatně jednodušší  - je možné vypustit mechanismy umělých sil v řízení, které jsou u mechanického systému řízení nezbytné
- A320 má zvýšenou stabilitu a manévrovatelnost, ačkoliv tyto dvě vlastnosti jsou u klasického letadla v protikladu a výsledné řešení je vždy kompromisem mezi oběma; EFCS umožňuje takové řešení, že A320 je velmi citlivé na každý dotek řídící páky, ale současně je dostatečně stabilní, když pilot do řízení nezasahuje

Údržba palubního vybavení

Na některých nových typech letadel je údržba palubního elektronického vybavení značně obtížná v důsledku řady příčin, mezi nimi však především v důsledku rozdílného řešení vnitřních přezkušovacích obvodů (BITE) různých počítačů, použití různých druhů displejů na různých místech a různě zakódovaných hlášení závad. Letadlo A320 je proto vybaveno centrálním palubním systémem pro údržbu, který zajišťuje standardizaci záznamu závad na úrovni výměny bloků. Na displejích se používá otevřené řeči (angličtina) a je možné připojit palubní tiskárnu a linku pro automatický přenos údajů BITE na zem. Centrální palubní systém pro indikaci závad (CFDS) využívá dvou víceúčelových ovládacích jednotek (MCDU), umístěných na středním pultu v pilotní kabině;zařízení propojující avioniku s CFDS je dvoukanálové. Oba systémy zjišťují závady, získané informace zpracují pro účely údržby a převedou do formy pro zobrazení na displeji. CFDS je součástí souhrnného systému pro záznam údajů , k němuž patří další digitální systém pro záznam letových údajů, požadovaný leteckými předpisy, a integrovaný monitorovací systém letadla včetně zařízení pro vysílání údajů na zem. Při údržbě na letadle v provozu má mechanik přístup ke všem elektronickým systémům pomocí MCDU v pilotní kabině. Zde získá určení druhu závady, písemný záznam o ní a výsledky přezkoušení. Pro opravy v hangáru je k dispozici více informací: údaje o činnosti zařízení za posledních 63 letěných úseků, návod pro opravu každého druhu závady a údaje o nevýznamných závadách, jejichž odstranění bylo ponecháno až na příhodnou dobu. Veškeré potřebné informace získá mechanik opět v pilotní kabině. Celkově je možné konstatovat, že CFDS zjednodušuje mechanikovi práci a zkracuje čas na ošetření letadla.

Převzato z časopisu Letecký obzor č.1, ročník 1989, autor Ing. Marin Lněnička. Pro www.planes.cz připravil Daniel Štuksa. Foto Daniel Štuksa, František Holub, Alan Lebeda a Petra Bednářová.

Související kategorie