Avionik
Avionik (eine Mischung aus Luftfahrt und Elektronik) sind die in Flugzeugen verwendeten elektronischen Systeme. Zu den Avioniksystemen gehören die Kommunikation, die Navigation, die Anzeige und das Management mehrerer Systeme sowie Hunderte von Systemen, die in Flugzeugen eingebaut sind, um individuelle Funktionen zu erfüllen. Diese können so einfach sein wie ein Suchscheinwerfer für einen Polizeihubschrauber oder so kompliziert wie das taktische System für eine luftgestützte Frühwarnplattform. ⓘ
Die Avionik – ein Kofferwort bestehend aus Aviatik (von lat. avis = Vogel) und Elektronik – ist ein Begriff aus der Luft- und Raumfahrttechnik und bezeichnet die Gesamtheit der elektrischen und elektronischen Geräte an Bord eines Fluggerätes, einschließlich der elektronischen Fluginstrumente. Ausgenommen hiervon sind im Sprachgebrauch allerdings Elektronikanwendungen in Kabinensystemen. Der Ausdruck Avionik (engl. Avionics) wurde in den USA ca. in den 1960er Jahren geprägt. ⓘ
Geschichte
Der Begriff "Avionik" wurde 1949 von Philip J. Klass, dem leitenden Redakteur der Zeitschrift Aviation Week & Space Technology, als Portmanteau von "Aviation Electronics" geprägt. ⓘ
Die ersten Flugfunkgeräte befanden sich in Zeppelinen, aber das Militär gab den Anstoß zur Entwicklung leichter Funkgeräte, die in schwereren Flugzeugen mitgeführt werden konnten, so dass Aufklärungsdoppeldecker ihre Beobachtungen sofort melden konnten, falls sie abgeschossen wurden. Die erste experimentelle Funkübertragung aus einem Flugzeug wurde im August 1910 von der US-Marine durchgeführt. Die ersten Flugfunkgeräte übertrugen per Funktelegrafie, d. h. sie benötigten zweisitzige Flugzeuge mit einem zweiten Besatzungsmitglied, das auf eine Telegrafentaste tippte, um die Nachrichten im Morsecode zu buchstabieren. Während des Ersten Weltkriegs wurden 1917 durch die Entwicklung der Trioden-Vakuumröhre AM-Sprachfunkgeräte möglich, die so einfach waren, dass der Pilot eines einsitzigen Flugzeugs sie während des Flugs benutzen konnte. ⓘ
Radar, die zentrale Technologie, die heute in der Flugzeugnavigation und der Flugverkehrskontrolle eingesetzt wird, wurde in den 1930er Jahren im Vorfeld des Zweiten Weltkriegs von mehreren Nationen, hauptsächlich im Geheimen, als Luftverteidigungssystem entwickelt. Viele moderne Avioniksysteme haben ihren Ursprung in Entwicklungen aus dem Zweiten Weltkrieg. Die heute alltäglichen Autopilotsysteme beispielsweise waren ursprünglich Spezialsysteme, die Bomberflugzeuge dabei unterstützen sollten, stabil genug zu fliegen, um Präzisionsziele aus großer Höhe zu treffen. Die Entscheidung Großbritanniens von 1940, seine Radartechnologie, insbesondere die Magnetron-Vakuumröhre, im Rahmen der berühmten Tizard-Mission mit seinem amerikanischen Verbündeten zu teilen, verkürzte den Krieg erheblich. Moderne Avionik macht einen erheblichen Teil der Ausgaben für Militärflugzeuge aus. Für Flugzeuge wie die F-15E und die inzwischen ausgemusterte F-14 werden etwa 20 Prozent des Budgets für Avionik ausgegeben. Bei den meisten modernen Hubschraubern liegt der Anteil der Avionik am Budget inzwischen bei 60/40. ⓘ
Auch auf dem zivilen Markt sind die Kosten für die Avionik gestiegen. Flugsteuerungssysteme (Fly-by-Wire) und neue Navigationsanforderungen aufgrund engerer Lufträume haben die Entwicklungskosten in die Höhe getrieben. Die größte Veränderung ist der jüngste Boom in der Privatfliegerei. Da immer mehr Menschen das Flugzeug als primäres Fortbewegungsmittel nutzen, wurden ausgefeiltere Methoden zur sicheren Steuerung von Flugzeugen in diesen stark eingeschränkten Lufträumen entwickelt. ⓘ
Moderne Avionik
Die Avionik spielt eine wichtige Rolle bei Modernisierungsinitiativen wie dem Projekt Next Generation Air Transportation System der Federal Aviation Administration (FAA) in den Vereinigten Staaten und der Initiative Single European Sky ATM Research (SESAR) in Europa. Das Joint Planning and Development Office hat eine Roadmap für die Avionik in sechs Bereichen vorgelegt:
- Veröffentlichte Routen und Verfahren - Verbesserte Navigation und Routenführung
- Negotiated Trajectories - Hinzufügen von Datenkommunikation zur dynamischen Erstellung bevorzugter Routen
- Delegated Separation - Verbessertes Situationsbewusstsein in der Luft und am Boden
- LowVisibility/CeilingApproach/Departure - Ermöglicht Operationen mit Wettereinschränkungen mit weniger Bodeninfrastruktur
- Bodenbetrieb - Erhöhung der Sicherheit bei An- und Abflug
- ATM-Effizienz - Verbesserung des ATM-Prozesses ⓘ
Markt
Die Aircraft Electronics Association meldet für die ersten drei Quartale 2017 einen Avionik-Umsatz von 1,73 Milliarden US-Dollar in der Geschäfts- und allgemeinen Luftfahrt, was einer Steigerung von 4,1 % gegenüber dem Vorjahr entspricht: 73,5 % stammten aus Nordamerika, 42,3 % waren Vorwärtseinbauten und 57,7 % waren Nachrüstungen im Hinblick auf den 1. Januar 2020, dem Stichtag für die Einführung von ADS-B out in den USA. ⓘ
Avionik in Flugzeugen
Das Cockpit eines Flugzeugs ist ein typischer Standort für Avionikgeräte, einschließlich Kontroll-, Überwachungs-, Kommunikations-, Navigations-, Wetter- und Antikollisionssysteme. Die meisten Flugzeuge versorgen ihre Avionik mit 14- oder 28-Volt-Gleichstromsystemen. Größere und anspruchsvollere Flugzeuge (z. B. Verkehrsflugzeuge oder militärische Kampfflugzeuge) haben jedoch Wechselstromsysteme, die mit 400 Hz und 115 Volt Wechselstrom arbeiten. Es gibt mehrere große Anbieter von Flugavionik, darunter Panasonic Avionics Corporation, Honeywell (zu dem jetzt Bendix/King gehört), Universal Avionics Systems Corporation, Rockwell Collins (jetzt Collins Aerospace), Thales Group, GE Aviation Systems, Garmin, Raytheon, Parker Hannifin, UTC Aerospace Systems (jetzt Collins Aerospace), Selex ES (jetzt Leonardo S.p.A.), Shadin Avionics und Avidyne Corporation. ⓘ
Internationale Normen für Avionikausrüstungen werden vom Airlines Electronic Engineering Committee (AEEC) ausgearbeitet und von ARINC veröffentlicht. ⓘ
Kommunikation
Die Kommunikation verbindet das Flugdeck mit dem Boden und das Flugdeck mit den Passagieren. Die bordseitige Kommunikation erfolgt über Lautsprecheranlagen und Flugzeug-Intercoms. ⓘ
Das VHF-Luftfahrtkommunikationssystem arbeitet auf dem Frequenzband von 118,000 MHz bis 136,975 MHz. Die Abstände zwischen den einzelnen Kanälen betragen 8,33 kHz in Europa und 25 kHz in anderen Ländern. VHF wird auch für die Kommunikation auf Sicht verwendet, z. B. von Luftfahrzeug zu Luftfahrzeug und von Luftfahrzeug zu ATC. Dabei wird Amplitudenmodulation (AM) verwendet, und das Gespräch wird im Simplex-Modus geführt. Die Kommunikation zwischen Flugzeugen kann auch über HF (insbesondere bei Transozeanflügen) oder über Satellit erfolgen. ⓘ
Flugnavigation ist die Bestimmung von Position und Richtung auf oder über der Erdoberfläche. Die Avionik kann Satellitennavigationssysteme (wie GPS und WAAS), Trägheitsnavigationssysteme (INS), bodengestützte Funknavigationssysteme (wie VOR oder LORAN) oder eine beliebige Kombination davon verwenden. Einige Navigationssysteme wie GPS berechnen die Position automatisch und zeigen sie der Flugbesatzung auf beweglichen Kartenanzeigen an. Bei älteren bodengestützten Navigationssystemen wie VOR oder LORAN muss der Pilot oder Navigator den Schnittpunkt von Signalen auf einer Papierkarte einzeichnen, um die Position des Flugzeugs zu bestimmen; moderne Systeme berechnen die Position automatisch und zeigen sie der Flugbesatzung auf beweglichen Karten an. ⓘ
Überwachung
Die ersten Hinweise auf Glascockpits tauchten in den 1970er Jahren auf, als flugtaugliche Kathodenstrahlröhren-Bildschirme (CRT) elektromechanische Anzeigen, Messgeräte und Instrumente zu ersetzen begannen. Als "gläsernes" Cockpit bezeichnet man die Verwendung von Computermonitoren anstelle von Messgeräten und anderen analogen Anzeigen. Die Flugzeuge erhielten immer mehr Anzeigen, Zifferblätter und Informationsanzeigen, die schließlich um den Platz und die Aufmerksamkeit der Piloten konkurrierten. In den 1970er Jahren verfügte ein durchschnittliches Flugzeug über mehr als 100 Cockpitinstrumente und Bedienelemente. Die ersten Glascockpits wurden 1985 mit dem Privatjet Gulfstream G-IV eingeführt. Eine der größten Herausforderungen bei Glascockpits besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen automatischer Steuerung und manueller Bedienung durch den Piloten zu finden. Im Allgemeinen wird versucht, den Flugbetrieb zu automatisieren und gleichzeitig den Piloten ständig auf dem Laufenden zu halten. ⓘ
Flugkontrollsystem für Flugzeuge
Flugzeuge verfügen über Mittel zur automatischen Steuerung des Fluges. Der Autopilot wurde erstmals von Lawrence Sperry während des Ersten Weltkriegs erfunden, um Bombenflugzeuge so ruhig zu fliegen, dass sie aus einer Höhe von 25.000 Fuß präzise Ziele treffen konnten. Als er erstmals vom US-Militär eingesetzt wurde, saß ein Honeywell-Ingenieur mit einem Bolzenschneider auf dem Rücksitz, um den Autopiloten im Notfall abzuschalten. Heutzutage sind die meisten Verkehrsflugzeuge mit Flugsteuerungssystemen ausgestattet, um Pilotenfehler und die Arbeitsbelastung bei Start und Landung zu verringern. ⓘ
Die ersten einfachen Autopiloten für Verkehrsflugzeuge dienten zur Steuerung des Kurses und der Flughöhe und hatten nur begrenzte Befugnisse, z. B. in Bezug auf den Schub und die Flugsteuerflächen. Bei Hubschraubern wurde die Autostabilisierung in ähnlicher Weise eingesetzt. Die ersten Systeme waren elektromechanisch. Das Aufkommen von Fly-by-Wire und elektrobetätigten Flugflächen (anstelle der traditionellen hydraulischen) hat die Sicherheit erhöht. Wie bei den Anzeigen und Instrumenten hatten auch die kritischen elektromechanischen Geräte eine begrenzte Lebensdauer. Bei sicherheitskritischen Systemen wird die Software sehr streng getestet. ⓘ
Kraftstoffsysteme
Das Fuel Quantity Indication System (FQIS) überwacht die Treibstoffmenge an Bord. Mit Hilfe verschiedener Sensoren wie Kapazitätsröhren, Temperatursensoren, Densitometern und Füllstandssensoren berechnet der FQIS-Computer die an Bord verbleibende Treibstoffmenge. ⓘ
Das Kraftstoffkontroll- und -überwachungssystem (FCMS) meldet den an Bord verbleibenden Kraftstoff auf ähnliche Weise, steuert aber durch die Steuerung von Pumpen und Ventilen auch den Kraftstofftransfer zwischen den verschiedenen Tanks. ⓘ
- Betankungssteuerung, um eine bestimmte Gesamtmenge an Treibstoff zu laden und automatisch zu verteilen.
- Umfüllungen während des Fluges zu den Tanks, die die Triebwerke versorgen. Z.B. vom Rumpf zu den Flügeltanks
- Steuerung der Schwerpunktverlagerung von den Hecktanks (Trimmtanks) nach vorne zu den Flügeln, wenn der Kraftstoff verbraucht ist
- Aufrechterhaltung des Kraftstoffs in den Flügelspitzen (um zu verhindern, dass sich die Flügel aufgrund des Auftriebs im Flug verbiegen) und Umfüllen in die Haupttanks nach der Landung
- Steuerung des Ablassens von Treibstoff in Notfällen, um das Gewicht des Flugzeugs zu verringern. ⓘ
Systeme zur Kollisionsvermeidung
Als Ergänzung zur Flugsicherung verwenden die meisten großen Transportflugzeuge und viele kleinere Flugzeuge ein Verkehrswarn- und Kollisionsvermeidungssystem (Traffic Alert and Collision Avoidance System, TCAS), das die Position von Flugzeugen in der Nähe erkennen und Anweisungen zur Vermeidung eines Zusammenstoßes in der Luft geben kann. Kleinere Flugzeuge können einfachere Verkehrswarnsysteme wie TPAS verwenden, die passiv sind (sie fragen die Transponder anderer Flugzeuge nicht aktiv ab) und keine Hinweise zur Konfliktlösung geben. ⓘ
Um den kontrollierten Flug ins Gelände (CFIT) zu vermeiden, verwenden Flugzeuge Systeme wie Bodennäherungswarnsysteme (GPWS), die als Schlüsselelement Radarhöhenmesser einsetzen. Einer der größten Schwachpunkte von GPWS ist das Fehlen von "Look-ahead"-Informationen, da es nur die Höhe über dem Gelände "Look-down" liefert. Um diese Schwäche zu überwinden, verwenden moderne Flugzeuge ein Terrain Awareness Warning System (TAWS). ⓘ
Flugschreiber
Die Cockpit-Datenschreiber von Verkehrsflugzeugen, die gemeinhin als "Black Boxes" bezeichnet werden, speichern Fluginformationen und Tonaufnahmen aus dem Cockpit. Sie werden häufig nach einem Absturz aus einem Flugzeug geborgen, um die Steuerungseinstellungen und andere Parameter während des Unfalls zu ermitteln. ⓘ
Wettersysteme
Wettersysteme wie Wetterradar (typischerweise Arinc 708 in Verkehrsflugzeugen) und Blitzdetektoren sind wichtig für Flugzeuge, die nachts oder unter Instrumentenwetterbedingungen fliegen, bei denen die Piloten das Wetter nicht voraussehen können. Starke Niederschläge (wie sie vom Radar erfasst werden) oder schwere Turbulenzen (wie sie von Blitzen erfasst werden) sind beides Anzeichen für starke konvektive Aktivität und schwere Turbulenzen, und die Wettersysteme ermöglichen es den Piloten, diese Gebiete zu umfliegen. ⓘ
Blitzdetektoren wie das Stormscope oder der Strikefinder sind inzwischen so preiswert, dass sie auch für Leichtflugzeuge geeignet sind. Zusätzlich zur Radar- und Blitzortung sind Beobachtungen und erweiterte Radarbilder (z. B. NEXRAD) jetzt über Satellitendatenverbindungen verfügbar, so dass die Piloten die Wetterbedingungen weit über die Reichweite ihrer eigenen Bordsysteme hinaus sehen können. Moderne Bildschirme ermöglichen die Integration von Wetterinformationen mit Moving Maps, Terrain und Verkehr auf einem einzigen Bildschirm, was die Navigation erheblich vereinfacht. ⓘ
Moderne Wettersysteme umfassen auch die Erkennung von Windscherungen und Turbulenzen sowie Gelände- und Verkehrswarnsysteme. Wetteravionik in Flugzeugen ist besonders in Afrika, Indien und anderen Ländern beliebt, in denen der Flugverkehr ein wachsender Markt ist, die Bodenunterstützung aber noch nicht so gut entwickelt ist. ⓘ
Luftfahrzeug-Management-Systeme
Die zahlreichen komplexen Systeme in Flugzeugen, einschließlich der Triebwerksüberwachung und -steuerung, werden zunehmend zentral gesteuert. Zustands- und Nutzungsüberwachungssysteme (HUMS) werden in die Flugzeugmanagementcomputer integriert, um die Wartungsmitarbeiter frühzeitig auf Teile hinzuweisen, die ausgetauscht werden müssen. ⓘ
Das Konzept der integrierten modularen Avionik sieht eine integrierte Architektur vor, bei der die Anwendungssoftware auf eine Reihe gemeinsamer Hardwaremodule übertragen werden kann. Es wurde in Kampfflugzeugen der vierten Generation und in der neuesten Generation von Verkehrsflugzeugen eingesetzt. ⓘ
Einsatz- oder taktische Avionik
Militärflugzeuge sind entweder für den Einsatz von Waffen oder als Augen und Ohren für andere Waffensysteme konzipiert. Die breite Palette an Sensoren, die dem Militär zur Verfügung steht, wird für die jeweils erforderlichen taktischen Mittel eingesetzt. Wie beim Flugzeugmanagement verfügen die größeren Sensorplattformen (wie die E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) über Missionsmanagement-Computer. ⓘ
Auch Polizei- und Rettungsflugzeuge sind mit hochentwickelten taktischen Sensoren ausgestattet. ⓘ
Militärische Kommunikation
Während die Flugzeugkommunikation das Rückgrat für einen sicheren Flug bildet, sind die taktischen Systeme so konzipiert, dass sie den harten Bedingungen des Gefechtsfeldes standhalten. UHF, VHF Tactical (30-88 MHz) und SatCom-Systeme in Kombination mit ECCM-Methoden und Kryptographie sichern die Kommunikation. Datenverbindungen wie Link 11, 16, 22 und BOWMAN, JTRS und sogar TETRA ermöglichen die Übermittlung von Daten (wie Bilder, Zielinformationen usw.). ⓘ
Radar
Luftgestütztes Radar war einer der ersten taktischen Sensoren. Der Vorteil, dass die Höhe eine größere Reichweite ermöglicht, hat dazu geführt, dass sich der Schwerpunkt auf luftgestützte Radartechnologien verlagert hat. Zu den Radargeräten gehören die luftgestützte Frühwarnung (AEW), die U-Boot-Bekämpfung (ASW) und sogar das Wetterradar (Arinc 708) sowie das Bodenverfolgungs- und Annäherungsradar. ⓘ
Das Militär setzt Radar in schnellen Jets ein, um den Piloten zu helfen, in niedriger Höhe zu fliegen. Auf dem zivilen Markt gibt es zwar schon seit einiger Zeit Wetterradar, aber es gelten strenge Vorschriften für die Verwendung zur Navigation von Flugzeugen. ⓘ
Sonar
Eine Reihe von Militärhubschraubern ist mit einem Tauchsonar ausgestattet, das es dem Hubschrauber ermöglicht, Schiffe vor U-Booten oder Oberflächenbedrohungen zu schützen. Maritime Unterstützungsflugzeuge können aktive und passive Sonargeräte (Sonobuoys) abwerfen, die auch zur Bestimmung der Position feindlicher U-Boote eingesetzt werden. ⓘ
Elektro-Optik
Zu den elektrooptischen Systemen gehören Geräte wie das Head-up-Display (HUD), vorwärtsgerichtete Infrarotgeräte (FLIR), Infrarotsuch- und -verfolgungsgeräte und andere passive Infrarotgeräte (Passiv-Infrarotsensor). Sie alle dienen der Bereitstellung von Bildmaterial und Informationen für die Flugbesatzung. Diese Bilder werden von der Suche und Rettung bis hin zu Navigationshilfen und Zielerfassung verwendet. ⓘ
ESM/DAS
Elektronische Unterstützungsmaßnahmen und Verteidigungshilfesysteme werden in großem Umfang eingesetzt, um Informationen über Bedrohungen oder mögliche Bedrohungen zu sammeln. Sie können dazu verwendet werden, Geräte (in einigen Fällen automatisch) zu starten, um direkte Bedrohungen gegen das Flugzeug abzuwehren. Sie werden auch eingesetzt, um den Zustand einer Bedrohung festzustellen und sie zu identifizieren. ⓘ
Netzwerke in Flugzeugen
- Flugkontroll- und Managementsysteme
- Zu den Flugkontroll- und Managementsystemen gehören unter anderem der Autopilot, das Flight Management System (FMS) und die Elektronik für Fly-by-wire-Flugsteuerungssysteme (FBW) sowie Flugüberwachungsgeräte, wie z. B. Kollisionswarnsysteme (TCAS). Die Flugzeugsysteme, wie z. B. die Triebwerke, werden von den folgenden Systemen überwacht: EFIS, ECAM oder EICAS, FADEC.
- Kommunikation
- Man unterscheidet Kommunikationssysteme zur Verständigung im Flugzeug (Interkommunikationssysteme) und Flugfunksysteme für Sprache und Text (Future Air Navigation System (FANS)).
- Navigation
- Die Navigationsgeräte teilen sich auf in Funknavigation wie Drehfunkfeuer (VOR), Instrumentenlandesystem (ILS), ungerichtetes Funkfeuer (NDB), Entfernungsmessgerät (DME) und Radiokompass (ADF/RDF), globales Navigationssatellitensystem (GPS) sowie Trägheitsnavigation (INS).
- Anzeigen
- Sensoren
- Radarsysteme teilen sich in Wetterradare sowie die in der Regel dem militärischen Bereich vorbehaltenen Luft- und Bodenradarsysteme auf.
- Infrarotzielsysteme und Forward Looking Infrared bei Militärflugzeugen.
- Missionssysteme
- Bussysteme
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- AFDX (auch ARINC 664)
- ein auf Ethernet basierender Standard zur Vernetzung von Avionik-Komponenten in einem Flugzeug.
- ARINC 429
- Klassischer Datenbus für Verkehrsflugzeuge
- ARINC 629
- Datenbus für Zivilflugzeuge (Boeing 777)
- ARINC 717
- Datenbus zum Flugdatenaufzeichnungsgerät
- CAN
- Datenbus für Subsysteme, beispielsweise nach ARINC 825 (Airbus A380, A350)
- MIL-STD-1553 (kurz
- MIL-Bus)
- Datenbus für Militärflugzeuge
- STANAG 3910 (MIL-Bus + optische Datenübertragung)
- Datenbus für Militärflugzeuge
- TTP
- Datenbus für zeitgesteuerte Kommunikation im Bereich sicherheitskritischer Anwendungen der Luft- und Raumfahrt; TTTechs zeitgesteuertes Protokoll TTP ist der erste Hochgeschwindigkeitsdatenbus, der sowohl in kommerziellen als auch in militärischen Flugzeugen verbaut wird (Bsp.: Boeing 787, Airbus A380, F-16 von Lockheed Martin, M-346 von Aermacchi) ⓘ
Sonstiges
In modernen Flugzeugen sind noch viele weitere Computer und Geräte im Einsatz. Meist sind die Geräte in einem bestimmten Bereich unterhalb des Kabinenbodens oder in der Nähe des Cockpits zusammengefasst, dem Avionics Compartment (auch Avionics Bay). Um die zunehmende Anzahl notwendiger Computer und Steuergeräte zu reduzieren, wurde Anfang 2000 das Prinzip der „Integrierten Modularen Avionik“ (IMA) entwickelt. ⓘ