Autopilot

Ein Autopilot ist eine automatische Steuerungsanlage in Flugzeugen oder Raketen. Für Flugzeuge wurde er in den 1920er-Jahren entwickelt, unter anderem von Junkers in Deutschland.

Heutige 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.

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 Cockpit-Instrumente. Besonders angenehm ist er bei Turbulenzen oder sonstwie unruhigen Wetterverhältnissen, weil er kleine, unbeabsichtigte Kursänderungen ausgleicht oder für gleichmäßigen Kurvenflug sorgt.

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 Aerodynamiken 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.

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 (heftige 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, oder wenn sich im Bauch des Jumbos einige Gepäckstücke verschieben). Doch auch der ganz normale Treibstoff-Verbrauch ändert die Aerodynamik.

Standard-Tätigkeiten des Autopiloten

Wenn der Flieger nach dem Start in einen gewissen Flight Level gestiegen ist, geht er 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 an sich konstant. Fast konstant, denn schon durch den Verbrauch an Benzin 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 Höhe wieder stimmt. Da durch den Gewichtsverlust 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) "Air Speed" 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.

Zur Geschichte der Autopiloten

Die ersten Versionen von Autopiloten wurden um 1930 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 |Sturzflug|Sturzkampfstellung. In geringer Höhe (oder nach Bombenabwurf) bringt der Autopilot das Heck wieder in die Ursprungslage.

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.

Moderne Autopiloten

Heute werden größere Flugzeuge - vor allem beim Langstreckenflug - über die meiste Zeit vollautomatisch gesteuert. Computerisierte Regel- und Meßsysteme stabilisieren den Flug und wickeln ihn nach digitalen Flugplänen ab. Man gibt 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.

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. Inzwischen aber bestreitet niemand mehr, dass ein menschlicher Pilot die Technik überwachen muss - und zudem flexibler auf Flugplanänderungen reagieren kann als ein Computer. Deshalb sind neue Cockpit-Technologien heute stärker auf den Piloten zugeschnitten, und weniger auf die technischen Möglichkeiten.

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.

Weblinks

• http://wdw.prosieben.de/wdw/AirospaceWorld/Luftfahrt/Flugzeugcockpit_der_Zukunft/2_Ju52/ (Autopilot im Vergleich zur Junkers-52)