Was ist die maximal akzeptable Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Betätigung der Flugsteuerfläche?

Während ich mir ein Cockpit-Video einer A330-Landung ansah, in der der Pilot hektisch seinen Sidestick bewegte, frage ich mich, wie die Reaktionszeit dieses Flight-by-Wire-Systems war. In der Tat, die Zeit für die Übertragung des Signals vom Sidestick zum Flugcomputer, die Zeit für den Computer, um alle seine Eingaben (Piloteneingaben, Sonden, ...) zu interpretieren und zu entscheiden, auf Flugsteuerflächen einzuwirken, die Reaktion des Flugzeugs ist nicht augenblicklich .

Dann stelle ich fest, dass unabhängig vom Übertragungssystem eine Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Bewegung der Luftsteuerflächen besteht (Elastizität des Materials, Zeit für die Hydraulikflüssigkeit, um Druck zu übertragen, andere Mechanismen, die ich mir nicht vorstellen kann).

Meine Frage lautet daher: Gibt es eine maximale Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Auslenkung der Flugsteuerfläche, um ein Flugzeug zu zertifizieren?

Bei Bedarf kann für das FBW-System ein direktes Gesetz berücksichtigt werden (keine komplexe Berechnung, da die Bewegung der Flugsteuerfläche proportional zur Eingabe ist).

Bei Bedarf kann die Frage auf Flugzeuge beschränkt werden, die unter FAA- und EASA-Gerichtsbarkeiten fliegen.

BEARBEITEN : Angesichts des ersten Feedbacks (Kommentare, Bearbeitungen, Antworten) möchte ich hervorheben, dass diese Frage nicht auf Fly-by-Wire beschränkt ist (das Übertragen von Piloteneingaben über mechanische Verbindungen kann ebenfalls zu Verzögerungen führen).

BEARBEITEN : Ich glaube, ich habe nicht genug betont, dass es bei dieser Frage nur um die Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Reaktion der Steuerfläche geht. Ich verstehe, dass diese Verzögerung im Vergleich zu allen anderen Verzögerungen vernachlässigbar ist, aber darauf konzentriert sich die Frage.

Mir schien immer, dass die von @Jimmy erwähnte Starrkörperdynamik dazu neigt, alle anderen Systemverzögerungen in den Schatten zu stellen, insbesondere bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten. Mit anderen Worten, die Steuerverbindungen könnten augenblicklich sein, aber Sie würden immer noch Verzögerungen von bis zu Hunderten von Millisekunden zwischen der Steuerknüppelbewegung und der Reaktion des Flugzeugs sehen, insbesondere bei den niedrigen Fluggeschwindigkeiten, die im kurzen Finale und während des Aufflackerns erreicht werden. Das ist einer der Gründe, warum die Landung so ein Tanz sein kann.
Peripherie: Nicht genau das, was Sie fragen, aber relevant zu beachten, dass die Hochlaufzeit des Motors mehr als 6 Sekunden betragen kann, wenn die Drosseln "an die Wand gedrückt" werden. Eine viel längere Verzögerung, als sie in vielen Notfallsituationen mit "Go Around Power" nützlich wäre.
Denken Sie daran, dass beim Airbus die Controller-Eingabe keine Flugflächen steuert. Es gibt dem Flugcomputer lediglich einen sehr starken Hinweis darauf, was der Pilot will, aber der Flugcomputer entscheidet, ob der Befehl an die Steuerflächen gehen soll oder nicht.

Antworten (7)

Eine übermäßige Phasenverzögerung ist ein direkter Beitrag zur pilotinduzierten Oszillation (PIO) vom Typ I. Phasenverzögerung kommt von:

  • Starrkörperdynamik des Flugzeugs (z. B. Verzögerung zwischen Höhenruderoberfläche und Nickratenreaktion)
  • Aktuatoren (endliche Beschleunigungszeit zwischen Eingabe und gewünschtem Oberflächenwinkel)
  • Strukturelle Nachgiebigkeit (z. B. Kabelreibung)
  • Transportverzögerung in Signalen
  • Endliche Rechenbandbreite (z. B. Schleifenschlussbandbreite)

Aus dem NASA-Bericht 4683 kann die PIO-Empfindlichkeit unter der Annahme ausgedrückt werden, dass der Pilot kompensiert ; das heißt, die Eingabe des Piloten und die Antwort des Flugzeugs wären genau in Phase, mit Ausnahme einer konstanten Zeitverzögerung (über Frequenzen). Dieses Modell wird ausgedrückt als:

G ( S ) = K S e − τ e S

Wo τ e ist die effektive Zeitverzögerung oder äquivalent die Phasenrate als Funktion der Frequenz

Aus seiner Forschung ergab sich, dass eine effektive Zeitverzögerung von mehr als 0,3 Sekunden zu PIO-Problemen führt. Bei einer typischen Zeitverzögerung des Piloten von 0,2 s würde dies eine effektive Zeitverzögerung des Obergrenzenflugzeugs von 0,1 s bei höherer Frequenz (etwa 5 rad/s) von Ende zu Ende implizieren.

Die genaue Zeit hängt von der Fluggeschwindigkeit ab. Langsamflug toleriert eine größere Verzögerung, da die aerodynamischen Eigenfrequenzen mit der Geschwindigkeit ansteigen. Bei einer höheren Frequenz bedeutet die gleiche Verzögerung mehr Phasenverzögerung.
@PeterKämpf MIL-F-8785C gibt die gewünschten Eigenfrequenzen für die Starrkörpermoden an. Mit Ausnahme von SP sind sie geschwindigkeitsunabhängig (aber flugphasenabhängig). Das NASA-Papier ging sowohl Kampfflugzeuge als auch Transportflugzeuge durch; es ist ziemlich breit gefächert.
Das muss schlechte Recherche gewesen sein. Die menschliche Reaktionsverzögerung ist gut untersucht und liegt in der Größenordnung von einer Viertelsekunde. Mit Training und guter Gesundheit darf es weniger sein, aber nie unter 0,1 Sekunden.
@PeterKämpf Wir können die effektive Fahrzeugzeitverzögerung weiter eingrenzen, indem wir die Verzögerung des Piloten einbeziehen. Habe meine Antwort geändert.

Dies ist ein klassisches Problem der Regelsystemtheorie . Um jeden Preis zu vermeiden ist der Zustand, in dem die Steuerbewegungen des Piloten mit den Bewegungen des Flugzeugs außer Phase geraten, sodass die Sidestick-Aktion die Schwingungen verschlimmert, anstatt sie zu dämpfen.

Dies kann auf zweierlei Weise geschehen: 1) bei erheblichen Verarbeitungszeitverzögerungen im Steuersystem, das mit dem Sidestick verbunden ist, und 2) bei erheblichen Verzögerungen in den Reaktionen des Piloten.

Wie oben erwähnt, sind die Zeitverzögerungen des Steuerungssystems winzig im Vergleich zu den Zeitkonstanten der Reaktionen des Flugzeugs auf die Querruderbewegung usw. und die erhebliche Zeitverzögerung im Gesamtsystem, bestehend aus Flugzeug + Pilot + Computersteuerungssystem, liegt im PILOT, nicht das Kontrollsystem.

Dies führt zu etwas, das als PIO oder vom Piloten induzierte Oszillation bezeichnet wird, bei der die Reaktionszeitverzögerung des Piloten das gesamte System in divergente Schwingungen versetzt – wie zum Beispiel im Fall eines Piloten, der ein Flugzeug die Landebahn hinunterfährt, nachdem er von der Landebahn abprallt seinen ersten Touchdown.

Ich weiß nicht, ob computergestützte Flugsteuerungssysteme Subroutinen enthalten, die PIO verhindern, aber vielleicht weiß es Peter Kaempf!

Antwort wurde korrigiert - NN
Der beste Weg, PIO zu verhindern, besteht darin, die Reaktionszeit des Piloten aus der Schleife herauszunehmen. Das zweitbeste ist, den Piloten nüchtern und nicht müde zu halten, um diese Verzögerung zu verkürzen. Ich habe keinen Zugriff auf den FCS-Quellcode, kann mir aber nur schwer vorstellen, wie ich die Verzögerung durch die menschliche Reaktionszeit sonst kompensieren könnte.
Gute Antwort, aber anstatt "Wie oben erwähnt ..." ist es am besten, auf die spezifische Antwort zu verweisen, noch besser darauf zu verlinken. Da das Abstimmungssystem bedeuten kann, dass die Antwort, auf die Sie sich beziehen, nicht immer über Ihrer liegt.
@PeterKämpf: Eine Möglichkeit, wie ein erfahrener Pilot PIO verhindern kann, besteht darin, zu bemerken, wann es auftritt, und Maßnahmen zu ergreifen, um es zu entregen – beispielsweise (scheinbar paradoxerweise), indem er seine Steuerreaktionen absichtlich verlangsamt und / oder seine Amplitude verringert, um sich zu bewegen sie nicht synchron mit der Oszillationsfrequenz und um die Schleifenverstärkung unter Eins zu reduzieren. Oder in menschlicher Sprache: "Bleib ruhig, bleib ruhig, geh es langsam und locker an." Im Prinzip könnte ein FCS auch PIO aktiv erkennen und die Steuerreaktion anpassen, um es zu entregen – obwohl in der Praxis die beste Option darin bestehen könnte, einfach den Piloten zu warnen.
@IlmariKaronen: Richtig – in vielen Fällen wäre es am besten gewesen, den Stick einfach in der Mitte zu halten. Aber versuchen Sie zu erkennen, was los ist, und haben Sie den Mut, in einer Stresssituation entsprechend zu reagieren – ich kann Piloten, die in einem PIO gefangen waren, keinen Vorwurf machen. Ihr Wunsch ist es, daraus herauszukommen, also wenden Sie an, was Sie gelernt haben. Auch wenn es die Sache noch schlimmer macht. Die Einsicht kommt viel später.
Das normale Fluggesetz von Airbus versucht, den Piloten so weit wie möglich aus der Schleife zu bringen und gleichzeitig unter seiner Kontrolle zu bleiben. Die Steuerknüppelposition entspricht den gewünschten Neigungs- und Rollraten, so dass das System aktiv die Bewegung stoppt, wenn der Pilot den Steuerknüppel loslässt, wodurch vermieden wird, dass der Pilot eine entgegengesetzte Auslenkung befehlen und möglicherweise die Oszillation starten muss.

In Simulatoren der Stufe D, die computergenerierte Antworten haben, die innerhalb enger Toleranzen mit denen des Originalflugzeugs übereinstimmen müssen, gibt es diesbezüglich einige Erfahrungen.

Vor ein paar Jahrzehnten war der Goldstandard für Unix-Echtzeit-Hostcomputer 30 Hz. Also wurde 30 Mal pro Sekunde alles Folgende berechnet:

  • Oberflächendurchbiegung durch Stickeingabe, einschließlich Kabeldehnung, Ölströmungssimulation usw.
  • Aerodynamische Scharniermomente an der Oberfläche.
  • Hydraulische Scharniermomente, die von den Aktuatoren ausgeübt werden.
  • Aerodynamische Kräfte und Momente am Flugzeug.
  • Trägheitsverhalten des Flugzeugs.
  • Visuelle Systemreaktion.
  • Reaktion des Bewegungssystems.
  • Alle anderen Systemzustände und Reaktionen.

Mit einer Aktualisierungsrate von 30 Hz wurde der Standard als akzeptabel für Nullflugzeittraining der Stufe D erachtet, was eine Zeitverzögerung von 1 Frame = 0,0333 Sekunden impliziert. Wir wissen also, dass dies schnell genug ist: Frequenzrate 30 Hz, Zeitverzögerung 0,0333 Sekunden.

Abgesehen davon ist diese Iterationsrate für heutige Computer etwas zum Schmunzeln, der Code, der auf einer hochmodernen Echtzeit-Unix-Maschine mit 30 Hz lief, läuft jetzt mit 3000 Hz auf einem Macbook Pro.

Die Rechenzeit ist nicht die einzige Zeitverzögerung. Zu ausgeprägteren Zeitverzögerungen gehören Transportverzögerungen in Signalen und Bestätigungsverzögerungen (sofern vorhanden).
@Jimmy Tatsächlich. 30 Hz im Simulatorcomputer waren jedoch schnell genug, um alle Signal- und anderen Verzögerungen, die im Flugzeug auftreten, einzubeziehen.
@Jimmy Wie Niels betont, ist die größte Verzögerung die Reaktion des Piloten.

Gibt es eine maximale Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Auslenkung der Flugsteuerfläche, um ein Flugzeug zu zertifizieren?

Wörtlich, nein. Die einzigen Verlautbarungen der FAA zur Latenz beziehen sich auf ADS-B .

Um zu messen, wonach Sie fragen, ist eine zeitliche Verzögerung zu einfach. Sie benötigen so etwas wie die bandbegrenzte Impulsantwort des Systems oder ihr zeitliches Äquivalent einer Modulationsübertragungsfunktion. Und das nicht nur von der Durchbiegung des Steuerknüppels zur Durchbiegung der Oberfläche, sondern bis hin zur Änderungsrate der (sagen wir) Rollrate. Die FAA versucht nicht einmal, Zahlen für das Ergebnis dieses Prozesses durchzusetzen, ganz zu schweigen von den Feinheiten, die dazu führen.

Wenn die Kontrolllatenz eines Flugzeugs in irgendeiner Hinsicht gefährlich groß war, würden die Testpiloten (oder die Flugsimulatoren!) dies bemerken, lange bevor die Zertifizierungsformulare an die FAA gesendet wurden.

In den frühen 1980er Jahren untersuchte die Flugforschungsabteilung von Arvin/Calspan ATC die Probleme im Zusammenhang mit den digitalen Flugsteuerungssystemen, die allgemein als Fly-By-Wire (FBW) bekannt sind und in Flugzeugen wie der F-16 immer häufiger vorkamen , F-18 und Tornado. Damals war die Rechenleistung von Computern nur ein Bruchteil dessen, was heute verfügbar ist, und das Problem wurde durch komplexe Steuersysteme verschlimmert. Die Forscher waren in der Lage, zusätzlich zur inhärenten Latenz des Testflugzeugs eine Latenz in das Flugsteuerungssystem zu bringen und Testpiloten Steuerbarkeitsprobleme bei Manövern mit hoher Belastung wie Landung und Zielverfolgung bewerten zu lassen. Ihre Ergebnisse wurden in einem Artikel mit dem Titel „ Effect of Control System Delays on Fighter Flying Qualities“, Papiere, die beim Flight Mechanics Panel Symposium on Criteria for Handling Qualities of Military Aircraft in Fort Worth, USA, vom 19. bis 22. April 1982 präsentiert wurden, AGARD-CP-333 (Advisory Group for Aerospace Research and Development) AD A118596

Kurz gesagt, sie fanden heraus, dass bei einer Verzögerung von mehr als 130 ms bei der Längssteuerung und 120 ms bei der Quersteuerung die Wahrnehmung der Steuerbarkeit durch den Piloten verringert war. Für jede weitere 25 ms erhöht sich die Punktzahl der Cooper-Harper-Pilotenbewertung (1-10) um 1.

Im Flugsimulator müssen wir sicherstellen, dass die INDUZIERTE Verzögerung in der Simulation nicht mehr als die Spezifikation beträgt. Für Militärflugzeuge sind das im Allgemeinen 100 ms für Kampfflugzeuge und Hubschrauber und 150 ms für Transportflugzeuge. Die FAA hat lockerere Standards, 1550 bis 300 ms, je nach Level des Simulators.

Für die zivile Zertifizierung gibt es keine spezifischen Zertifizierungsanforderungen im FAA Part 23/25 oder im EASA CS 23/25. Aber offensichtlich verlangen sie, dass Flugzeuge nicht anfällig für PIOs sind, obwohl es keinen speziellen Abschnitt gibt, der sich mit dem Problem befasst. Wie @Jimmy oben erwähnt hat, sind Zeitverzögerungen im Steuerungssystem der Hauptgrund für Typ-I-PIOs. Daher sollte das Ziel der Designer sein, diese Zeitverzögerungen so weit wie möglich zu minimieren.

Auf der anderen Seite gehen die militärischen Anforderungen in Bezug auf die Zertifizierungsanforderungen etwas detaillierter. Flugzeuge werden basierend auf den Zeitverzögerungen von 0,1, 0,2 und 0,25 Sekunden im Steuersystem als Stufe 1, 2 und 3 eingestuft. Offensichtlich ist Level 1 das Beste.

Im selben Handbuch (Flying Qualities of Piloted Aircrafts) gibt es auch eine Anforderung, die Zeitverzögerung in Bezug auf die Phasenverzögerung zu definieren. Und es klassifiziert es nach Flugphasen wie Start und Landung, Reiseflug usw. Es beginnt bei 15 Grad und geht bis zu 60 Grad Phasenverzögerung für die Anforderungen der Stufen 1, 2 und 3.

Der verwendete Fachbegriff ist Latenz, dh die Ausbreitungs-(oder Transport-)Verzögerung zwischen dem Eingang (Pilotsteuerung) und dem Ausgang (Ruderbewegung). Der Flugzeugkonstrukteur (oder Erstausrüster) bestimmt die akzeptable Latenz.

Die akzeptable Latenzzeit hängt vom Flugzeugtyp ab, z. B. Fluggesellschaften, allgemeine Luftfahrt oder Hobbyflugzeuge, der Flugsteuerungsdynamik des jeweiligen Flugzeugs und den Systemen, durch die das resultierende Signal erzeugt wird (Pilot Control Sensors -> Flight Control Computer/Mechanical Linkages -> Betätigungseinheit -> Oberflächenbewegung) und die kritischen Signale (z. B.: Betätigung der Steuerfläche).

Bei Fluggesellschaften wie Airbus (A330) oder Boeing (B787) liegt die Latenz zwischen den Steuereingaben des Piloten und der Betätigung der Flugsteuerfläche normalerweise im Bereich zwischen 50 und 100 ms.

Haben Sie Dokumente für weitere Lesungen (ich bin neugierig, wie Sie eine Latenz präsentieren, die sich von Fall zu Fall verdoppeln kann, und wie sie zwischen den verschiedenen von Ihnen beschriebenen Schritten zerlegt wird)?
Das Konstruktionsanforderungsdokument des jeweiligen Flugzeugs enthält die Latenzanforderungen und dieses Dokument kann nicht offengelegt werden. Wie in der Antwort angegeben, hängt die akzeptable Latenz von den verschiedenen Aspekten ab und ist für verschiedene Flugzeuge unterschiedlich. Daher wird es in einem Bereich erwähnt, und es ist aus Sicht der vollständigen Ausbreitungsverzögerung nicht sehr groß, obwohl es doppelt so groß ist.
Was ist die maximal akzeptable Verzögerung zwischen der Eingabe des Piloten und der Betätigung der Flugsteuerfläche?
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