Fly-by-Wire

Bei Airbus-Flugzeugen ab dem Modell 320 wird im normalen Betriebsmodus (Normal Law) das C*-Konzept umgesetzt. Mit dem Sidestick wird keine direkte Änderung der Steuerflächenpositionen bewirkt, sondern ein indirektes Kommando erzeugt. Für Bewegungen um die Flugzeuglängsachse wird eine bestimmte Rollrate kommandiert, für Bewegungen um die Flugzeugquerachse (Pitch) wird eine Neigungsrate, oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit jedoch ein Vielfaches der Erdbeschleunigung kommandiert. Diese Vorgaben werden dann durch Ansteuern der Ruderflächen umgesetzt und die Fluglage ändert sich. Wird der Sidestick in der Neutralposition belassen, fliegt das Flugzeug automatisch ausgetrimmt die Trajektorie weiter, das heißt, die Flugbahn wird beibehalten, während die Fluglage und die Geschwindigkeit sich ändern können. Die gewählte Flugbahn wird erst verlassen, wenn die Piloten neue Steuerbefehle geben, oder wenn der Flugkontrollcomputer eine gefährlich Tiefe, beziehungsweise hohe Fluggeschwindigkeit feststellt, worauf die Nase des Flugzeugs automatisch gesenkt beziehungsweise gehoben wird.[9]

Bei moderneren Boeing-Flugzeugen (ab Boeing 777) findet sich ein verwandtes System, C*U. Im Unterschied zu C* bewirken die Flugkontrollcomputer, dass nicht nur die Flugbahn, sondern auch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs annähernd gleich behalten wird. Ist das horizontale Leitwerk des Flugzeuges für eine bestimmte Geschwindigkeit ausgetrimmt, wird der Computer die Nase des Flugzeuges senken oder heben, um diese Referenzgeschwindigkeit einzuhalten. Mit dem Betätigen des trim switch teilen die Piloten dem Flugzeug mit, dass die automatische Trimmung des Leitwerks wieder aktiv ist, und dass eine neue Referenzgeschwindigkeit gilt. Die höchste wählbare Referenzgeschwindigkeit ist 330 Knoten. Wird die Konfiguration des Flugzeugs verändert – durch Landeklappen oder das Fahrwerk – wird die Querachse (pitch) jedoch beibehalten, auch wenn die Geschwindigkeit sich ändern sollte. Beide Konzepte, C* und C*U, reduzieren die Arbeitsbelastung der Piloten.[9]

Auch im Zeppelin NT findet man ein mit C* vergleichbares System.

Generell sind Fly-by-Wire Systeme so ausgelegt, dass sie mit mehreren voneinander unabhängigen Hydrauliksystemen, Elektriksystemen und Computern arbeiten.[10] Sind alle Systeme intakt wird das System im Normal Law betrieben. Kommt es zum Ausfall von einzelnen oder mehreren Computern, Steuerflächen oder Sensoren, so kann auf verschiedene Betriebsweisen mit eingeschränktem Funktionsumfang zurückgegriffen werden, die eine sichere Landung ermöglichen:[11]

Wenn beispielsweise ein Hauptcomputer und ein Hydraulikkreis gleichzeitig ausfallen, wird ins Alternate Law gewechselt.[12] Dieser Betriebsmodus ist in zwei Untermodi aufgeteilt, bei dem entweder die Höhensteuerung oder die Rollsteuerung uneingeschränkt erhalten bleibt. Bei der jeweils eingeschränkten Steuerungsachse werden bestimmte Sicherheitsmechanismen ausgesetzt, so dass zum Beispiel im Alternate Law 1 der Überziehschutz verloren geht. In bestimmten Fällen kann zudem der Autopilot ausfallen.[13]

Im Direct Law ist kein Autopilot mehr verfügbar. Damit dieser Flugzustand eintritt, müssen viele Systeme gleichzeitig ausfallen. Alle Sicherheitslimits sind aufgehoben, die Eingaben des Piloten werden direkt an die Steuerflächen weitergegeben. Zudem muss die Trimmung manuell erfolgen.[14]

Ältere Fly-by-Wire Flugzeuge verfügen über ein mechanisches Backup, welches entweder nur bestimmte oder sogar alle Steuerflächen über Seilzüge bewegen kann.[10]

Der wohl bedeutsamste Vorteil besteht darin, dass gegenüber der mechanischen Signalübertragung Gewicht wie auch Platz eingespart wird. Ebenso bedeuten elektrische Leitungen einen viel geringeren Arbeitsaufwand während der größeren Wartungsarbeiten (C- und D-Checks). Dazu ist es einfacher, die Leitungen zur Signalübertragung redundant auszulegen. Ebenso wird die Installation von hydraulischen Aktoren erleichtert, die unabhängig vom restlichen hydraulischen System arbeiten (z. B. EHA und EBHA bei der Airbus 380[15]) und bei einem Totalausfall der Hydraulik die Manövrierbarkeit gewährleisten.

Ein weiterer großer Vorteil entsteht, wenn ein Computer in einem sogenannten Flight Envelope Protection-System die Steuersignale überprüft und diese einschränkt, falls sie das Flugzeug in eine gefährliche Situation bringen würden. Diese Überwachung erlaubt es zum Beispiel den Piloten, bei einer drohenden Kollision brüske Steuerbefehle zu geben, ohne dass die Steuerbefehle selbst eine weitere Gefahrenquelle darstellen würden. Darüber hinaus ermöglicht das Fly-by-Wire eine automatische und damit sehr viel schnellere Reaktion auf Flugbahn- und Fluglageänderungen, wie sie beispielsweise durch Turbulenzen hervorgerufen werden.

Als Beispiele, in welchen Fly-by-Wire zusammen mit Flight Envelope Protection Menschenleben gerettet haben, werden der Flugunfall von Habsheim und die Notwasserung auf dem Hudson erwähnt. In beiden Fällen haben die Bordsysteme die Piloten daran gehindert, einen zu großen Anstellwinkel zu wählen; die Folge war jeweils eine relativ sanfte Bruchlandung.

Die mechanische Entkoppelung von Steuerelementen und Rudern macht für den Fall eines Energieabfalls auf der Aktorenseite ein Notfallsystem erforderlich. Bei hydraulisch angetriebener Ruderverstellung kann der Hydraulikdruck beziehungsweise bei elektrisch betriebener Ruderverstellung die Betriebsspannung der Aktoren durch Ausfallen aller Triebwerke (Treibstoffmangel) abfallen. Notfallsysteme können mit einer Ram Air Turbine (ausklappbare Luftschraube) realisiert werden, die aus dem Fahrtwind im Sinkflug die benötigte Energie liefert. Auch ohne Fly-by-Wire kann allerdings bei hydromechanischer Steuerung mit Hydraulikpumpe ein Notfallsystem erforderlich sein.

Fly-by-Wire ist anfällig gegen elektromagnetische Störeinflüsse, daher müssen insbesondere die Datenübertragungskabel aufwändig abgeschirmt werden. Vor allem das Militär drängt auf die Einführung einer sichereren Übertragungstechnik. Diese könnte mit „Fly-by-Light“, also mit der elektromagnetisch unempfindlichen Lichtwellenleiter-Technik, zur Verfügung stehen.

Fly-by-Wire entkoppelt den Piloten von der Flugphysik und den Kräften, die an Rudern und Klappen auftreten. Moderne Entwicklungen liefern ein künstliches Feedback, indem sie mit Aktoren die Kräfte an Steuerknüppeln, -hörnern und Pedalen so nachbilden, als wären die entsprechenden Geräte mit den Rudern und Klappen verbunden. Der Pilot kann so das Verhalten des Flugzeugs wieder „fühlen“. Darüber hinaus können auch Warnungen mit hoher Priorität, etwa bei einem drohenden Strömungsabriss, über mechanisches Rütteln der Steuersäule (sog. Stickshaker) oder als synthetisch erzeugte Gegenkraft im Sidestick, dem Piloten mit hoher Salienz mitgeteilt werden.

Ein möglicher Nachteil besteht nach Ansicht des Flugunfallexperten Chesley Sullenberger[16] darin, dass es für die Piloten nicht auf Anhieb erkennbar ist, welche Steuerbefehle der jeweils andere Pilot über den Sidestick an das Flugzeug schickt, da keine mechanische Kopplung zwischen den Sidesticks der beiden Piloten besteht und die Auslenkung der Sticks sehr gering und daher optisch schwer zu erkennen ist. Diese Tatsache könnte beim Absturz des Flugs Air France 447 eine Rolle gespielt haben, da hier einer der Piloten die Nase des Flugzeugs fälschlicherweise stark nach oben zog, dies jedoch von den anderen Piloten nicht erkannt wurde und eine Korrektur unterblieb. Jedoch herrscht unter Piloten der Konsens, dass die Fluglage aufgrund der Instrumente beurteilt werden soll, nicht jedoch über die Lage von Steuerknüppeln und Sidesticks. Ebenso müssen die Piloten ihre Absichten ohnehin gegenüber einander kommunizieren (siehe CRM).