Fenix testar planets själ

Moderna stridsflygplan är instabila i underljudsfart. Minsta störning och planet vill sticka iväg. Styrsystemet är planets hjärna och själ. I särskilda simulatorer kan planet tala om hur det mår.

Av Jan-Ivar Askelin

Kraschen på Långholmen när ett Gripenplan blev manöverodugligt inför tusentals åskådare visade att tekniken för att styra denna typ av flygplan fortfarande var ett intressant forskningsområde.

- Detta konstaterande kan tyckas cyniskt med tanke på vad som kunde ha hänt, men olyckan handlade ytterst om samspelet mellan människa och teknik på olika nivåer, säger Gunnar Hovmark som arbetar med flygsimulering vid FOI. Det handlar om hur vi hanterar tekniken och hur vi kan överskatta teknikens möjligheter.

- Gripens styrsystem fungerar nu bra, ändå råder enighet om att konstruktions- och provningsmetoder för styrsystem måste utvecklas vidare, säger Gunnar Hovmark. För framtida behov måste de vara snabbare, enklare att använda och mer tillförlitliga.

Moderna stridsflygplan är vad som kallas instabila vid underljudsfart. Man kan säga att de egentligen har tyngdpunkten alltför långt bak, och minsta störning gör att nosen vill sticka iväg uppåt eller nedåt snabbare än någon pilot kan parera. Instabiliteten ger flygplanen lägre luftmotstånd framför allt vid hårda manövrar, exempelvis i luftstrider på nära håll. Vid flygning i överljudsfart ligger tryckcentrum längre bak och flygplanet är stabilt. Även här är det en fördel att ha tyngdpunkten relativt långt bak, eftersom det då går åt mindre roderutslag för att trimma flygplanet.

För att få det instabila planet att kännas som ett vanligt plan måste piloten ha en massa datorer, mjukvara, sensorer och roderservon mellan sin hand på spaken och roderytorna. Flygsäkerheten kräver att flygplanet i alla lägen måste svara snabbt och förutsägbart på varje tänkbart kommando från föraren. Att verifiera att ett nykonstruerat styrsystem till ett instabilt flygplan uppfyller det kravet är ett mycket omfattande arbete. Ett verktyg i detta säkerhetsarbete är flygsimulatorn Fenix som finns hos FOI Systemteknik. Namnet anspelar på att den rest sig ur askan efter den betydligt mer skrymmande simulator som Tekniska högskolan i Stockholm, KTH, och FFA använt från 1964 fram till oktober år 2000.

Fenix är ingen simulator som man lär sig att flyga i eller för att öva taktik. Här testas flygplanets hjärna och själ, styrsystemet och flygegenskaperna.

Till det yttre är simulatorn en förarplats med en styrspak och ett gasreglage som båda är prototyper från Jasprojektet. Framför sig har ”piloten” en filmduk på vilken en CRT-projektor visar en förenklad miljöbild. Det viktiga är den information om flygdata som visas på duken. Bilden är av samma slag som den som en flygare ser framför sig på sin siktlinjesindikator. Bakom en skärm står en brummande dator, inte större än ett mindre kylskåp. Det är i denna låda som skatterna i form av modeller och program finns.

Avancerat modellbygge
Gunnar Hovmark har följt Fenix från FFA och förklarar mosaiken med alla olika datormodeller. Till att börja med finns en modell som Saab och KTH utvecklat, den generiska aerodatamodellen, GAM. Att den är generisk innebär att den inte avbildar något existerande flygplan. Den föreställer ett mindre enmotorigt stridsflygplan med deltavinge och rörlig nosvinge, något större än Gripen. Det fina med en generisk modell är att alla data kan hanteras utan sekretesskrav.

GAM har byggts ut med styrsystem och en motormodell. KTH har lagt till dragkraftsvektorisering, och synpunkter och tillägg har också tagits in från samarbetspartners i Europa. Modellen kallas Admire (aerodata model in research environment) och används bla vid provning av konstruktions- och utvärderingsmetoder, för att testa olika delar av styrsystem med mera.

Både GAM och Admire kan hämtas från nätet. De är dock inte så upphetsande för flygintresserade tolvåringar eftersom omvärldsgrafiken och koppling till spak och pedaler inte ingår. Admire kräver dessutom program som ingen privatperson köper, men som är vanliga i forsknings- och studentvärlden. De för närvarande cirka 40 registrerade användarna av Admire finns också främst i denna krets.

För långsamma roderservon
Fenix och Admire har nyligen använts i en provserie för att studera effekterna av att använda långsamma roderservon. En anledning till flera tillbud och haverier med moderna flygplan har varit att pilotens rörelser inte snabbt nog överförts till rodren, vanligen för att roderservona inte kunnat röra sig så snabbt som krävts. Detta har lett till att flygplanets svar snabbt kommit 180 grader ur fas mot förarens spakrörelser och man har fått en så kallad PIO (Pilot in-the-loop oscillation). I det läget upplevs flygplanet som helt okontrollerbart och risken för haveri är överhängande. Ett välkänt och mycket tydligt exempel är kraschen med USAs YF-22 för några år sedan. För flygrädda kan det vara lugnande att veta att så gott som samtliga incidenter gällt prototyper eller flygplan under utprovning.

Ett botemedel är naturligtvis snabbare servon, men priset för detta är dessa blir större och väger mer och det vill man undvika i ett flygplan.

Man satsar i stället på att konstruera mjukvaran i styrsystemet, de så kallade styrlagarna, på ett sådant sätt att man kan flyga säkert med inte fullt så snabba servon.

En teknik som provas i detta sammanhang är faskompenserande hastighetsbegränsare, bland annat den typ som sitter i Gripen. Om föraren hastigt för spaken framåt och genast ångrar sig och för den bakåt så kan faskompenseringen se till att servot inte följer den framåtriktade rörelsen ända tills det möter spaken på dess väg tillbaka, utan i stället vänder direkt när spaken vänder. Denna faskompensering höjer säkerheten märkbart i fall där servona annars inte skulle räcka till. Nackdelen att planet ibland gör saker som piloten inte bett om när faskontrollen nollställer sig. Med lämpligt intrimning av faskompenseringen är dock det problemet litet.

Vid simulatorproven får piloterna sk styruppgifter, dvs man ska utföra en viss sorts manöver och sedan betygsätta hur stor benägenheten till PIO är vid utförandet av uppgiften med det aktuella styrsystemet.

Verksamheten med Fenix sker till största delen inom ramen för den europeiska flygsamarbetsorganisationen Garteur, (group for aeronautical research and technology in Europe). Provflygare från Sverige, Nederländerna, Frankrike och Tyskland har testat styrsystemet i Fenix. I andra delar av projektet är även spanjorer, italienare och engelsmän engagerade.

Fenix har hittills använts uteslutande för forskning inom flygdynamik och flygegenskaper. Möjliga framtida forskningsprojekt är samspelet mellan människa och system, simuleringar i nätverk samt ren simulatorteknik.

Jan-Ivar Askelin är redaktör för Framsyn

Mer att läsa:
www.foi.se/fenix

www.foi.se/admire

Från Framsyn nr 3-2001 - www.foi.se/framsyn