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Untersuchung von PIO-Tendenzen bei plötzlichen Umschaltungen in der Flugdynamik
Schönfeld, Andrej
Institute of Aeronautics and Astronautics: Scientific Series
Bisher wurden Kopplungsphänomene des Gesamtsystems Pilot-Flugzeug (Piloteninduzierte Schwingungen, PIO) nach einer Umschaltung im Flugregelungssystem nur unzureichend systematisch untersucht. In den letzten Jahren traten jedoch einige Vorfälle in der zivilen Luftfahrt auf, die zeigten, dass schwere Vorfälle entstehen können, wenn Umschaltungen der Flugregelungsgesetze involviert sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Versuchsmethodik zur gezielten Untersuchung von PIO-Tendenzen bei plötzlichen Umschaltungen in der Flugdynamik (PIO-Kategorie III). Außerdem wird untersucht, ob Umschaltungen von Flugregelgesetzen, die die Flugdynamik und die Flugeigenschaften ändern, Ursache für PIO-Tendenzen sein können. Hierzu wurde eine Datenbank mit Flugdynamiken eines Transportflugzeuges während des Landeanflugs erzeugt. Diese Dynamiken wurden sowohl mit existierenden Kriterien als auch durch Piloten in einem Festsitzsimulator bezüglich ihrer PIO-Tendenzen und Flugeigenschaften beurteilt.
Aus der Datenbank wurden verschiedene Umschaltkonstellationen generiert, deren dynamisches Verhalten vor und nach der Umschaltung in einem definierten Zusammenhang standen. Während einer Versuchskampagne in einem Festsitzsimulator mit mehreren Linien- und Testpiloten wurden diese Konstellationen bewertet. Dabei kam neben den üblichen Bewertungsskalen auch eine eigens für diese Arbeit modifizierte Variante der Transient Failure Rating Scale zum Einsatz.
Die Versuche zeigten, dass die entwickelte Methodik in der Lage war, PIO-Tendenzen aufzuzeigen. Es ließ sich zeigen, dass Umschaltkonstellationen existieren, bei denen PIO-Tendenzen auftreten, obwohl die Flugdynamiken nach der Umschaltung als PIO-frei galten. Nähere Untersuchungen zeigten, dass eine Destabilisierung des geschlossenen Regelkreises Pilot-Flugzeug dafür verantwortlich war, deren Ursache in der Adaptionsfähigkeit eines Piloten an eine neue modifizierte Flugdynamik liegt. Es werden Empfehlungen zur Vorhersage von PIO-Tendenzen bei Umschaltungen formuliert, die in weiterführenden Untersuchungen validiert werden sollten.
The interaction between pilot and aircraft (pilot-induced oscillation, PIO) after a mode transition in the flight control system has not been sufficiently and systematically investigated until now.
Some recent severe incidents of transport aircraft highlighted that severe accidents can occur, if transitions inside the flight control system are involved. This thesis deals with the development of an experimental method to specifically investigate PIO tendencies of sudden changes in the aircraft dynamics (PIO category III). In addition, this thesis investigates, whether mode transitions in flight control laws, which modify flight dynamics and handling qualties, cannot only be a trigger for PIO tendencies but also their cause.
For this purpose a database with different aircraft dynamics of a transport aircraft during the landing approach phase has been created. Its dynamics have been rated by existing handling qualities criteria and by human pilots in a fixed-base simulator. From this database several switching constellations have been generated with a defined relationship between the dynamic behaviour before and after the transition. During a test campaign in a fixed-base simulator with airline and test pilots the different constellations have been evaluated. Besides the usual rating scales a modified transient failure rating scale has been used for the evaluation of the transitions.
The simulator campaign demonstrated that the proposed method is able to expose hidden PIO tendencies. Furthermore, it has been demonstrated that switching constellations exist that show PIO tendencies, although the aircraft dynamics after the mode transition was supposed to be PIO resistent. Closer investigations attributed this to the destabilization of the closed-loop pilot-vehicle system, which is caused by pilot’s capabilities to adapt to a new and modified flight dynamics. Different recommendations have been given to predict PIO tendencies of mode transitions. They should be validated in future studies.
Published by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3057-3 ISSN 2512-515X
- Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3056-6 (ISSN 2512-5141).
