Vertikális irányítás és kapcsolódó fogalmak a repülésben

1. Vertikális irányítás (VG)

A vertikális irányítás (VG) magában foglalja mindazon információkat, parancsokat és rendszereket, amelyek lehetővé teszik a repülőgép magassági pályájának pontos vezérlését a repülés minden fázisában. Lényege, hogy a személyzet vagy az automatizált rendszer szabályozza a repülőgép vertikális helyzetét – magasságváltozásokat a földhöz vagy a repülési tervhez képest. Ez magában foglalja az elektronikus jeleket (mint például az ILS siklópályájáról vagy GPS-alapú siklópályáról érkező jeleket), az integrált avionikából származó számított irányítást (pl. Repülésirányítási rendszer – FMS), valamint vizuális segédeszközöket, mint a Precíziós Leszállási Fények (PAPI) és Vizális Leszállási Síkjelzők (VASI).

Hol és hogyan használják a vertikális irányítást?

A vertikális irányítás elengedhetetlen a felszállástól a leszállásig. Induláskor és emelkedéskor a VG rendszerek biztosítják az akadálymentességet és a Standard Instrument Departure (SID) eljárásoknak való megfelelést. Utazás közben a VG gondoskodik a kijelölt magasságon történő repülésről az optimális teljesítmény és a forgalom elválasztása érdekében. Süllyedés és megközelítés során a VG kritikus szerepet játszik – különösen műszeres meteorológiai körülmények között, amikor a vertikális pozíciót a terephez és akadályokhoz képest nem lehet vizuálisan meghatározni. Az automatizált rendszerek VG segítségével követik az összetett süllyedési pályákat, teljesítik az áthaladási korlátozásokat, és illeszkednek a kívánt megközelítési szöghez. Végső megközelítéskor a VG – például az ILS siklópályája vagy a GPS által meghatározott siklópálya – biztosítja, hogy a repülőgép biztonságos, stabil szögben süllyedjen a futópálya küszöbéhez.

Technikai alapok és szabályozási környezet

Az ICAO 10. melléklete (Légi távközlés), 14. melléklete (Repülőterek) és a PANS-OPS (Légi Navigációs Szolgáltatások – Repülési Műveletek, Doc 8168) határozza meg a vertikális irányítási rendszerek követelményeit, pontosságát, integritását és riasztási képességeit. A VG „precíziós” irányításnak minősül, ha megfelel a szigorú pontossági és riasztási követelményeknek (pl. ILS I., II., III. kategória), vagy „vertikális irányítással rendelkező megközelítésnek” (APV), ha stabilizált siklópályát ad, de nem teljesíti minden precíziós megközelítési kritériumot (pl. LPV, LNAV/VNAV). A vizuális rendszerek (PAPI, VASI) a 14. melléklet alapján szabályozottak, és vertikális támpontokat nyújtanak a pilótáknak megközelítés és leszállás közben.

Működési példa

Egy ILS megközelítés során az automata pilóta vagy a repülésirányító csatlakozik a siklópálya jeléhez, és a repülőgépet egy pontos, 3 fokos süllyedési pályán vezeti a futópályához. Egy STAR (Standard Terminal Arrival Route) során az FMS kiszámítja a szükséges süllyedési profilt, és vertikális irányítást ad a közzétett magasságkorlátozások teljesítéséhez, zökkenőmentesen váltva az utazásból a megközelítésbe.

2. Vertikális navigáció (VNAV)

A vertikális navigáció (VNAV) a modern avionikában egy olyan funkció, amely automatizálja a repülőgép magasságának, vertikális sebességének, és esetenként légi sebességének kezelését egy meghatározott laterális útvonal mentén. A VNAV a repülőgép teljesítményadatait, környezeti feltételeket (szél, hőmérséklet) és működési korlátozásokat (waypoint magasságok és sebességek) használja fel egy vertikális profil létrehozásához – vagyis egy tervhez, amely meghatározza, mikor és hogyan emelkedik, utazik, süllyed és szintez a repülőgép. A VNAV logika az FMS-ek szerves része, és elérhető a legtöbb modern utasszállítóban, üzleti repülőgépben, valamint néhány fejlett általános repülőgépben is.

VNAV a gyakorlatban

A VNAV-ot általában felszállás után kapcsolják be, ahol kezeli az emelkedési rátákat és gyorsulásokat, biztosítva az indulási eljárásoknak való megfelelést. Utazás közben a VNAV módosíthatja a magasságot az üzemanyag-fogyasztás optimalizálása vagy ATC kérés teljesítése érdekében. A VNAV legkritikusabb alkalmazása süllyedés és megközelítés során történik: a rendszer kiszámítja a süllyedési kezdőpontot (T/D) és megtervezi a süllyedési profilt, hogy minden közzétett vagy ATC által előírt magasság- és sebességkorlátozást teljesítsen. A VNAV több módban működik, például „pálya” (geometriai süllyedési szög követése), „sebesség” (a célsebesség előtérbe helyezése a pálya előtt) és „magasságtartó” (vízszintes repülés).

Technikai és szabályozási alapok

Az ICAO és az FAA szabványai (lásd ICAO Doc 8168, FAA AC 120-108) meghatározzák a VNAV teljesítménykövetelményeit, beleértve a vertikális pálya pontosságát, a korlátozásokra adott reakciót és a riasztási logikát. A VNAV-nak figyelembe kell vennie a barometrikus nyomásbeállításokat, hőmérséklet-eltéréseket (különösen Baro-VNAV esetén), és világos visszajelzést kell adnia az aktív és előkészített módokról. A rendszer tervezése biztosítja, hogy a pilótákat értesítik minden eltérésről a számított pályától vagy a korlátozások nem teljesítéséről.

Működési példa

Miután elérte az utazómagasságot FL350-en, a pilóta bekapcsolja a VNAV-ot. Az FMS kiszámítja a T/D-t 120 tengeri mérfölddel a repülőtértől. Ahogy a repülőgép közeledik a T/D-hez, az automata pilóta sima alapjárati süllyedést hajt végre, a szükséges ütemben igazítva, hogy teljesítse a „10 000 lábon átkelés 30 nm-nél” korlátozást, figyelembe véve az előrejelzett szelet és a légnyomást.

3. Vertikális profil

A vertikális profil a repülőgép tervezett vagy tényleges magasságváltozásainak grafikus vagy táblázatos ábrázolása az útvonal mentén, amelyet magasság-földtávolság vagy magasság-idő szerint ábrázolnak. Tartalmaz minden emelkedést, süllyedést, vízszintes szintet és a konkrét áttérési pontokat, mint például az emelkedés teteje (T/C), süllyedés teteje (T/D) és lépcsős süllyedési pontok. A vertikális profil az oldalsó repülési terv és vertikális korlátozások terméke, amelyet az FMS vagy más repüléstervező eszközök generálnak.

Vertikális profil használata

A pilóták és a személyzet a vertikális profilt használják a közelgő magasságváltozások előrejelzésére, az ATC és eljárás-korlátozások betartásának ellenőrzésére, valamint az energia menedzsment (gázkar és féklap használat) tervezésére. A modern üveg pilótafülkékben a vertikális profilt általában az oldalsó útvonal mellett jelenítik meg a navigációs kijelzőn, magasságkorlátozások és várható szintezések megjelölésével. Az FMS folyamatosan frissíti a vertikális profilt valós időben, újraszámolva a repülőgép pozíciója, a szél vagy ATC engedélyek változása esetén.

Technikai részletek

A vertikális profil létrehozása hátrafelé és előrefelé történő számításokat igényel: az FMS gyakran a végső megközelítési vagy süllyedési ponttól indul visszafelé, beépítve minden közzétett magasság- és sebességkorlátozást, teljesítményadatot (pl. repülőgép tömege, légellenállása) és környezeti tényezőt. A profilnak meg kell felelnie az ICAO és FAA tervezési kritériumainak az akadálymentesség és a stabilizált megközelítés érdekében.

Példa

A pilóta leszállás előtt áttekinti a vertikális profil kijelzőt, észreveszi a 12 000 és 10 000 lábas vízszintes szakaszokat, amelyek a STAR korlátozásoknak felelnek meg. Az FMS folyamatos süllyedési pályát jelenít meg a várható szintezésekkel, lehetővé téve a pilótának a gázkar-módosítások és esetleges féklap használat megtervezését.

4. Vertikális pálya

A vertikális pálya az a tényleges vagy számított pálya, amelyet a repülőgép a vertikális síkban követ, meghatározva egy sor magasságot, sebességet és süllyedési vagy emelkedési szöget waypointek vagy fixek között. Ellentétben a vertikális profillal – amely egy terv vagy ábrázolás – a vertikális pálya a megvalósult vagy éppen repült útvonal, gyakran geometriai szögként (például 3 fokos siklópálya) vagy teljesítmény-optimalizált süllyedésként (pl. alapjárati süllyedés) fejezik ki.

Használat és vezérlés

Automata repülésben az FMS és az automata pilóta a vertikális pályát használja a bólintó és tolóerő parancsok generálásához, biztosítva, hogy a repülőgép a kívánt süllyedési vagy emelkedési szögön maradjon. Megközelítéskor a vertikális pályát általában egy állandó süllyedési szög határozza meg a Végső Megközelítési Ponttól (FAF) a futópálya küszöbéig, biztosítva a repülőgép akadálymentességét és stabilizált leszállását. Kézi repülésnél a pilóták vertikális pálya-jelzőket (például a Primary Flight Display vertikális eltérés mutatóját) használnak a kívánt süllyedési szög megtartásához.

Technikai és szabályozási szempontok

A vertikális pálya számítása szigorú pontossági és integritási követelmények alá esik, különösen a vertikális irányítással rendelkező (APV) és precíziós megközelítéseken. Az FMS-nek folyamatosan figyelembe kell vennie a földi sebesség, szél, hőmérséklet és repülőgép teljesítmény változásait a helyes pálya fenntartása érdekében. Egyes megközelítéseken (pl. Baro-VNAV) a vertikális pálya érzékeny a magasságmérő beállítására és a hőmérsékletre, különös elővigyázatosságot igényelve az előkészítés során.

Működési példa

Egy RNAV (GPS) megközelítés során az FMS egy 3 fokos geometriai süllyedési szöget számít a FAF-tól a futópályáig, folyamatos vertikális pálya irányítást adva az automata pilótának, és vertikális eltérést jelenít meg a pilótának.

5. Repülésirányítási rendszer (FMS)

A repülésirányítási rendszer (FMS) a modern kereskedelmi és üzleti repülőgépek integrált avionikai „agya”, amely automatizálja a navigációt, a vertikális és laterális irányítást, valamint a teljesítménymenedzsmentet. Az FMS kapcsolatban áll a navigációs érzékelőkkel (GPS, DME, IRS), légiadat-számítógépekkel és az automata pilóta/repülésirányító rendszerekkel, hogy átfogó repülési tervet szintetizáljon, beleértve az oldalsó és vertikális profilokat is.

Funkcionális használat

Az FMS-t a repülés előtt programozzák a tervezett útvonallal, utazómagassággal és teljesítményadatokkal (tömeg, üzemanyag, költségindex). Kiszámítja az optimális vertikális pályát, beleértve az emelkedés tetejét (T/C), utazás, süllyedés teteje (T/D), és minden köztes szintezést a közzétett és ATC által előírt korlátozások teljesítéséhez. Repülés közben az FMS dinamikusan frissíti a repülési tervet és a vertikális profilt a szél, hőmérséklet, ATC engedélyek vagy eltérések változása esetén. Bólintó-, tolóerő- és sebességparancsokat generál az automata pilótának és tolóerőnek, biztosítva a tervezett profil betartását.

Technikai részletek és szabványok

Az FMS tervezését az ARINC 702 (FMS szabvány), az ICAO PBN kézikönyv (Doc 9613), valamint az RTCA DO-178/DO-254 szoftver- és hardverintegritási előírásai szabályozzák. A rendszernek világos módjelzést, robusztus riasztást kell biztosítania a korlátozás megszegése esetén, valamint intuitív kezelőfelületet kell kínálnia a pilótai beavatkozásokhoz. Az újabb repülőgépek FMS-ei támogatják a „direct-to” és az útvonal-módosítási képességeket is, lehetővé téve a repülési terv és a hozzá kapcsolódó vertikális irányítás gyors módosítását.

Működési példa

Egy nagy repülőtérre történő süllyedés során az FMS alapjárati süllyedést irányít, a rátát úgy igazítja, hogy teljesítse a STAR „10 000 lábon, 250 csomónál átkelés” korlátozását, figyelembe véve a szembeszelet és a hőmérséklet-eltéréseket. Az automata pilóta és tolóerő követi az FMS parancsait, biztosítva a stabilizált megközelítést.

6. Repülésirányítás

A repülésirányítás magában foglalja azokat a fedélzeti avionikai rendszereket, vezérlési algoritmusokat és ember-gép interfészeket, amelyek a navigációs és repülési profil információkat a repülőgép kormányfelületei és hajtóművei számára végrehajtható parancsokká alakítják. Ide tartozik az automata pilóta (AP), repülésirányító (FD), automata tolóerő (AT) és a kapcsolódó kijelző rendszerek.

Gyakorlati funkció

Automata repülés esetén az FMS generálja a vertikális és laterális irányítási parancsokat, amelyeket az automata pilóta és automata tolóerő hajt végre. Az automata pilóta a kívánt pályához igazítja a bólintó- és dőlésszöget, míg az automata tolóerő a hajtómű teljesítményét szabályozza a célsebesség fenntartásához. A repülésirányító, amelyet rendszerint a Primary Flight Display parancssávjai vagy jelzései jelenítenek meg, vizuális bólintó- és dőlésszög irányítást ad kézi repüléshez – lehetővé téve a pilótának, hogy pontosan kövesse a számított pályát.

Technikai és szabályozási részletek

A repülésirányítási rendszereknek szigorú tanúsítási követelményeknek kell megfelelniük az integritás, redundancia és hibakezelés terén (lásd EASA CS-25, FAA Part 25, DO-178C). A rendszernek egyértelmű módjelzést, világos hibajelzést kell biztosítania, és támogatnia kell a teljes automatizációt és a kézi felülbírálatot is. A fejlett repülésirányítási logika képes kezelni az emelkedés, utazás, süllyedés és megközelítés közötti átmeneteket, valamint lehetővé teszi a csatlakoztatott megközelítéseket egészen az ILS CAT III minimáig.

Példa

Egy kezelt süllyedés során az automata pilóta és az automata tolóerő követi az FMS által generált vertikális pályát, a bólintó- és tolóerő módosításával teljesítve minden magasság- és sebességkorlátozást. Amennyiben a pilóta lekapcsolja az automata pilótát, a repülésirányító aktív marad, lehetővé téve, hogy a pilóta vizuális vezérlőjelek alapján kézi repüléssel kövesse a számított pályát.

7. Magasságkorlátozás

A magasságkorlátozás egy közzétett vagy ATC által előírt követelmény, miszerint egy adott waypointnál, fixnél vagy eljárás-szakaszon egy meghatározott magasságon, fölötte, alatta vagy egy adott magasságtartományon belül kell áthaladni. A magasságkorlátozások biztosítják az akadálymentességet, forgalomelválasztást és az érkezések, indulások rendezett áramlását.

A magasságkorlátozások típusai

• Pontosan (kemény korlátozás): A repülőgépnek a fixnél a meghatározott magasságon kell áthaladnia (pl. „XYZ keresztezése 10 000 lábon”).
• Legalább (alatta nem lehet): Nem lehet a fix előtt a megadott magasság alá süllyedni (pl. „legalább 5 000 lábon”).
• Legfeljebb (fölé nem lehet): Nem lehet a fix előtt a megadott magasság fölé emelkedni (pl. „legfeljebb 7 000 lábon”).
• Ablak (kettő között): Egy adott magasságtartományban kell tartózkodni (pl. „legalább 6 000, legfeljebb 8 000 lábon”).

Integráció és betartás

Az FMS minden magasságkorlátozást beépít a vertikális profilba, biztosítva, hogy a számított pálya megfeleljen minden követelménynek az akadálymentesség és az ATC áramlás érdekében. A rendszer szükség esetén vízszintes szintezéseket tervez a kemény vagy ablak korlátozások betartásához, és ennek megfelelően igazítja az emelkedési/süllyedési rátát. A pilótafülkében a korlátozások az FMS láb oldalán, a navigációs kijelzőn és gyakran a vertikális profil nézetben is megjelennek.

Működési példa

Egy forgalmas repülőtérre való érkezés során a STAR előírja, hogy a „WATER” pontot legalább 7 000 lábon kell keresztezni. Az FMS biztosítja, hogy a repülőgép 7 000 láb alá ne süllyedjen a fix áthaladásáig, szükség esetén szintezve, mielőtt tovább süllyed.

8. Sebességkorlátozás

A sebességkorlátozás egy közzétett vagy ATC által előírt követelmény, miszerint egy adott fixnél vagy waypointernél egy meghatározott (alatti, feletti vagy adott tartományon belüli) jelzett légi sebességen kell áthaladni. A sebességkorlátozások kulcsfontosságúak az érkezések szekvenálásában, a zajcsökkentésben és a terminál légtér biztonságos működésében.

Betartás és használat a repülés során

A sebességkorlátozásokat az FMS-be programozzák a repülési terv részeként. Az FMS kiszámítja a lassítási pontokat, és megtervezi a gázkarcsökkentéseket vagy féklap használatot, hogy a repülőgép az előírt sebességgel keresztezze a korlátozási fixet. Az automata pilóta és automata tolóerő együttműködve szabályozzák a sebességet, az FMS pedig célsebesség-jelzéseket és előzetes figyelmeztetéseket biztosít.

Működési példa