Aktiv spak ska få modernt flygplan att kunna ”tala” med piloten

Med den senaste generationens flygplan blev spaken ett dött föremål i pilotens hand

Av Gunnar Hovmark

Piloterna i många av dagens modernaste flygplan med elektriska styrsystem har inte mycket mer känsla i spaken än vad man har när man spelar ett vanligt dataspel. Det har visat sig i praktiken att det går utmärkt att flyga på det viset, både civilt och militärt, men det finns också indikationer på att den viktiga kontaktyta mellan föraren och flygplanet som spaken utgör kan utnyttjas bättre.

I flygplan med elektriska styrsystem används vanligen en mini- eller i alla fall relativt liten styrspak som endast har elektrisk förbindelse med det övriga styrsystemet. All mekanik som har med styrspaken att göra byggs samman i en kompakt, lättplacerad enhet, och spaken kopplas in i flygplanet med några kontaktdon. Arrangemanget är mekaniskt enkelt och sparar utrymme och vikt, man slipper fundera över dragning av hydraulledningar, vajrar, stötstänger eller kedjor. Glapp och friktion kan i stort sett elimineras. En nackdel med de moderna spakarna är att den elektriska kopplingen mellan styrspaken och flygplanet oftast bara fungerar i ena riktningen. Två signaler läggs ut, en för spakens läge i tippled och en för rolled - men inga signaler skickas tillbaka till spaken.

Spakkänslan är en fjäder
Spakens uppförande - spakkänslan - bestäms endast av centrerande fjädrar och någon dämpning av rörelsen, och den fungerar därmed som styrspaken till vilket dataspel som helst, eller som spaken till ett radiostyrt modellflygplan. Denna typ av styrspak kallas ofta passiv spak. I det civila finns passiva spakar tex i flera Airbus-modeller. Det mest närliggande exemplet på ett flygplan med passiv spak är JAS 39 Gripen, som ju har omvittnat goda flygegenskaper. Man har dock ända sedan början av projektet övervägt möjligheten att flyga med en sk aktiv spak i avsikt att förbättra flygegenskaperna ytterligare. Med aktiv spak menas här att dess statiska och dynamiska egenskaper kan varieras under pågående flygning. Egenskaperna styrs av analog elektronik eller ett datorprogram som utnyttjar olika insignaler, tex flygplanets fart, accelerationer eller vinkelaccelerationer.

Spaken kan fungera enligt olika principer.

• förarens kommando får vara den kraft han anbringar på spaken, och spakens rörelser styrs av ett reglersystem med hydrauliska eller elektriska servon. Förarens kommando räknas om till ett spakläge som ställs ut av servot, och som blir den signal som går vidare till flygplanets styrsystem. Denna typ av spak får lätt en tendens till självsvängningar, och det är därför viktigt att reglersystemet är extremt snabbt.
• elektriska momentmotorer används för att modifiera spakens fjäderkonstanter och dämpning mm. Momentmotorer genererar ett relativt stort och noga kontrollerbart vridmoment vid stillastående eller långsam rörelse och kan anslutas direkt till spaken utan någon växel som kan ge upphov till glapp. En sådan aktiv spak konstruerades till Jas 39 men har inte använts vid flygning, bl a eftersom man ansåg att vissa komponenter inte uppfyllde flygsäkerhetskraven. Med denna variant är det spakläget som är förarens kommando, och som direkt går in i styrsystemet. Om momentmotorerna inte fungerar kan spaken ändå användas som en normal passiv spak.
• spakens egenskaper ändras genom att mekaniskt sträcka fjädrar flyttar spakens neutralläge eller varierar rörelsens dämpning.

Att stänga ute informationsfloden
Flygförare har en arbetsmiljö där stora mängder information ska tas in och behandlas, medvetet eller omedvetet. Vid utformningen av förarmiljön i flygplan strävar man därför efter att dels sammanställa och förbehandla informationen, dels att utnyttja de tillgängliga informationsvägarna så effektivt som möjligt. I praktiken är det inte så enkelt. Inom militär flygning finns ofta önskemålet att slippa få informationen filtrerad, eftersom man själv vill ha hela underlaget och göra en egen bedömning. Inom civil flygning finns bland annat krav på att varningssignaler för olika fel ska finnas, och certifieringskrav gör att dessa inte får undertryckas hur som helst. Det finns heller ingen fulländad teknik för att göra den förbehandling av informationen som man skulle önska. Följden blir att det uppstått många fall där föraren i kritiska situationer översköljs av ett helt ohanterligt informationsflöde, och det enda sättet att klara situationen har varit att mentalt ”stänga av” så mycket som möjligt och koncentrera sig på det verkligt grundläggande, att manövrera flygplanet med spak och pedaler och ett minimum av instrument.

I ett sådant läge är det extra viktigt att flygplanets grundläggande flygegenskaper är goda, och att det kan flygas ”på känsla”.

Ett tänkbart användningsområde för spaken är att information om flygtillståndet ges till föraren i en form som kan utnyttjas reflexmässigt. Framför allt i låg fart kan det vara till nytta. Med ett mekaniskt styrsystem blir spakkrafterna lägre och spakrörelserna större ju långsammare man flyger, och då man närmar sig stallgränsen, dvs den farliga gräns där man inte längre kan åstadkomma så mycket lyftkraft som behövs, uppstår ofta tydliga vibrationer i rodren och därmed i styrspaken. I trafikflygplan är det vanligt att dessa varnande vibrationer dessutom förstärks med en sk stick shaker.

Det elektriska styrsystemet är säkert programmerat för att hindra föraren från att överskrida stallgränsen, men en aktiv spak kan förbättra situationsuppfattningen genom att ge besked om att man är nära gränsen för flygplanets prestanda.

På olika håll, bl .a. vid universitetet i Delft och på KTH, har det också gjorts försök med att återkoppla exempelvis tipp- och rollvinkelhastighet eller rollvinkel till spaken. Föraren har t ex getts en styruppgift i rolled, och spak och styrsystem har programmerats så att en viss spakvinkel hela tiden har motsvarat en viss rollvinkel. God styrprecision har uppnåtts, men det är ändå tveksamt hur arbetsbelastningen upplevs av föraren vid denna typ av manövrering. Det ”onormala” svaret i styrspaken kan också vara ett irritationsmoment i sig. Området bedöms dock vara värt fortsatt uppmärksamhet, och FFA arbetar med det.

I en miljö med kraftiga accelerationer kan styrprecisionen förbättras genom att spaken aktivt får kompensera för dessa.

Vid abrupt manövrering eller flygning i orolig luft påverkas förarens hand och arm av accelerationer som ger upphov till ofrivilliga spakutslag. Försök har gjorts i USA med att kompensera för dessa ofrivilliga utslag genom att låta spaken ”hålla emot”. I simulator har man fått fram lovande resultat.

En spin-off är algoritmer som kan hjälpa handikappade personer med spasmer att manövrera sina elektriska rullstolar bättre.

Aktivering av föraren
Spaken kan utnyttjas för att hålla föraren alert under automatiska moment i flygningen.

I Tyskland gjordes på 70-talet en del experiment med en något udda koppling mellan spak och autopilot. Tanken var bl a att föraren hela tiden skulle vara med i manövreringen, för att hållas aktiv och omedelbart kunna ta över om det skulle behövas.

Spakens neutralläge försköts i motsatt riktning mot den styrsignal som autopiloten genererade, och den kraft som uppstod på spakhandtaget togs som signal till höjdrodret. Föraren kunde då åstadkomma en helt automatisk flygning genom att med ett stadigt tag hålla spaken stilla, eller också kunde han släppa efter eller ta i lite extra för att förbättra styrprecisionen.

Sammankoppling av spakar
I flygplan med två aktiva spakar kan dessa röra sig tillsammans på samma sätt som i mekaniska system. Användbart vid grundläggande flygutbildning med lärare och elev, och för att undvika missförstånd i cockpit på trafikflygplan.

Koppling mellan spak och autopilot ingår också i detta område, spaken utför de rörelser som autopiloten beordrar, vilket ger information till besättningen.

Begränsningar i spakrörelsen kan läggas in för att hindra föraren från att överskrida begränsningar i flygplanets eller styrsystemets prestanda.

Till denna kategori hör de försök som bedrivs av FFA i samarbete med Saab och Tekniska högskolan i Stockholm inom det nationella flygtekniska forskningsprogrammet, NFFP, efter en ursprunglig idé från Saab och med projektledning från Saab. Man vill utröna effekten på flygegenskaperna och framför allt risken för förarinducerade svängningar, PIO.

Piloten orättvist behandlad
PIO utlästes tidigare pilot induced oscillations, förarinducerade svängningar, en företeelse som har varit starkt bidragande vid de båda JAS-haverierna. På engelska används numera begreppet pilot involved oscillations eller pilot-in-the-loop oscillations, eftersom man anser att det ursprungliga uttrycket orättvist antyder att PIO skulle vara pilotens fel. Visserligen spelar förarens beteende en viss roll för om PIO ska uppstå eller inte, men huvudskälet är brister i flygegenskaperna, framför allt att flygplanets svar kommer för mycket ur fas med förarens kommandon. Extra illa blir det om faseftersläpningen ökar hastigt vartefter föraren gör snabbare rörelser med spaken.

Farliga dödtider
Något som starkt ökar PIO-benägenheten är om det finns tidsfördröjningar inbyggda i manövreringen, t ex genom att installera ett digitalt styrsystem där beräkningarna tar för lång tid eller görs alltför sällan. En annan orsak till faseftersläpning är hastighetsbegränsning i styrsystemet, dvs att rodren inte kan röra sig hur fort som helst. Det är denna effekt som har behandlats i NFFP-försöken. I Jas 39 har Saab framgångsrikt hanterat problemet genom sin patenterade faskompenserande hastighetsbegränsare som har fått en hel del publicitet, men i de aktuella simulatorförsöken används i stället den aktiva spaken.

För att förenkla försöksuppställningen har man antagit att lägessignalen från spaken vidarebefordras raka vägen till rodret, förutom att en hastighetsbegränsare läggs till, så att rodret inte kan röra sig fortare än ett givet antal grader per sekund.

Den aktiva spaken är av typ 1 ovan, dvs med hydrauliska servon. Regleringen av spaken är programmerad av institutionen för mekatronik på KTH, och tillåter att spaken ges en hastighetsbegränsning motsvarande den i styrsystemet. När denna begränsning är aktiverad är det omöjligt för föraren att röra spaken fortare än programmet tillåter, och det kan därför inte bli någon faseftersläpning mellan spak och roder på grund av hastighetsbegränsning.

Den aktiva spaken är monterad i FFAs simulator Fosim. Provflygare får göra ett antal flygningar där begränsningen i spakens rörelsehastighet omväxlande är in- eller urkopplad. Flygegenskaper och PIO-benägenhet betygsätts av provflygarna, och resultaten jämförs.

Liknande försök har utförts av Nasa tillsammans med företaget Calspan. Man är där försiktigt positiv till resultaten, men har förordat ytterligare undersökningar.

Utvärderingen av NFFP-försöken är när detta skrivs inte färdig.

I både de amerikanska och de svenska försöken har styrsystemet varit mycket förenklat. I flygplan där styrsystemet har en stabiliserande roll, som i Jas 39, blir det mycket mer komplicerat att bestämma lämpliga begränsningar för spakens rörelser, men det är också av betydligt större vikt att problemet med hastighetsbegränsning hanteras. Inom Garteur (FOA-tidningen 3/98,) diskuteras f .n. sådana aktiviteter.

Gemensamt för nästan allt som finns publicerat i ämnet är att man hävdar att användning av aktiv spak är en lovande teknik, och att fortsatta studier bör göras.

Någon slutgiltig lösning har dock inte presenterats såvitt jag känner till.

Från FOA-tidningen nr 4-1998 - www.foi.se/framsyn