Plaats een computer tussen de piloot en zijn vliegtuig, en de ontwerper kan terug naar de tekentafel. Pas na jaren onderzoek lieten de besturingseigenschappen zich vangen in software.
Delen
J.C. Gibson M.Sc. zette vier decennia ontwerpervaring om in een handboek voor gezeglijke fly-by-wire toestellen.
Het is 17 december 1903. Orville Wright levert op het strand van Kitty Hawk (North-Carolina) een buitengewone prestatie: hij legt in twaalf seconden tijd een afstand van veertig meter af. Twaalf seconden die geschiedenis schrijven, want het is de eerste keer dat een mens een vlucht in een motorvliegtuig maakt. Later op die dag haalt de Flyer zelfs 260 meter. Tegen de wind in, dat wel.
Het besturen van het toestel is behoorlijk waaghalzig, want tijdens de korte vliegreis bokt de Flyer als een dolle stier. In de volgende jaren voeren de gebroeders Wright letterlijk duizenden vluchten uit om de stabiliteit en besturing van het ontwerp te verbeteren. Pas in 1911 voorzien ze de Flyer van een staartvlak en is het toestel min of meer af. Het ontwerp is dan al volkomen achterhaald, maar de pioniersrol van de Wrights wordt intussen wereldwijd erkend.
Ontwerpers ontdekken daarna stukje bij beetje hoe de vliegtuigbesturing in elkaar steekt. Vanaf 1914 doet de stuurknuppel zijn intrede in de cockpit, en worden de toestellen voorzien van rol-, richting- en hoogteroeren. Door trial-and-error weet men uiteindelijk een aantal vuistregels vast te stellen om het gewenste vlieggedrag te verkrijgen.
In de beginjaren van de luchtvaart is dat vrij makkelijk, want de piloot oefent dan nog rechtstreeks kracht uit op de stuurvlakken via kabels en stangen. Even een kabeltje aanspannen tot de besturing tevreden stemt is dus zo gebeurd. Snelheid en motorvermogen nemen echter vlug toe, zodat de hydraulisch bekrachtigde stuursystemen ten tonele verschijnen. Omdat de piloot hierdoor de voeling met het toestel kwijt dreigt te raken, wordt de kracht op de stuurvlakken via ingenieuze mechanismen teruggesluisd naar knuppel en pedalen.
Kloek
Maar dan. ,,In de jaren zeventig werd duidelijk dat we eigenlijk niet zo goed wisten wat tot goede besturingseigenschappen van vliegtuigen leidt”, bekent J.C. Gibson M.Sc., die 23 februari bij Lucht- en Ruimtevaart promoveert. ,,De ondervinding van de piloot werd namelijk altijd als uitgangspunt gebruikt. En hoewel dit zeer bruikbaar was voor de verdere ontwikkeling van een vliegtuigontwerp, kon je er maar een beperkt inzicht aan ontlenen.”
Vanaf de jaren vijftig begrijpt men wel steeds beter waarom piloten het ene besturingssysteem aangenaam vinden en het andere niet. Maar het onderzoek op dit gebied is allesbehalve eensluidend over de benodigde feedback voor een prettig handelbaar toestel. Bovendien zijn het meestal parameterstudies, die alleen iets zeggen over variaties binnen een bepaald systeem. Dat biedt weinig houvast voor ontwerpers die iets nieuws moeten verzinnen. Tijd voor een andere aanpak.
,,Wat de zoektocht naar een nieuwe methodologie echt in gang zette, was de ontwikkeling van fly-by-wire toestellen”, weet Gibson. Vooral ontwerpers van militaire vliegtuigen willen meer experimenteren met de plaatsing van de stuurvlakken. De hydromechanische systemen zijn hiervoor niet flexibel genoeg. Bij de ontwikkeling van de F-16 nemen de ontwerpers daarom een kloek besluit: elektrische kabels, servomotoren en computers vervangen de gangbare hydrauliek. In plaats van olie worden signalen rondgepompt. En daar beginnen de problemen.
De gecomputeriseerde fly-by-wire systemen ontberen de min of meer natuurlijke terugkoppeling van de oude besturing. Lastig voor de piloot, want tastzin is een onmisbaar zintuig tijdens de vlucht. De feedback moet daarom worden geprogrammeerd, maar dat blijkt geen sinecure. De kennis schiet namelijk flink tekort. De systeemontwerpers voelen zich waarschijnlijk net zo onthand als de gebroeders Wright: ze moeten het vliegtuig opnieuw uitvinden.
Gibson: ,,Vroeger werd nooit erg diepgravend naar de besturingseigenschappen gekeken. Kennelijk kwam het gedrag van conventionele vliegtuigen meer overeen met de verwachting van de piloot. Bovendien hadden aanpassingen in de stuursystemen niet zo’n grote invloed op het vlieggedrag als geheel. Door fly-by-wire moesten we die relatie herontdekken.”
De nieuwe besturing bood tenslotte meer mogelijkheden. ,,Dus ook meer mogelijkheden om de mist in te gaan”, benadrukt Gibson. ,,Fly-by-wire systemen hebben daarbij de neiging het vlieggedrag sterk te overheersen. Maar wat je moest doen om hiermee goede besturingseigenschappen te krijgen was niet echt bekend.”
Bijeenschrapen
Het antwoord lag in het verleden. De systeemontwerpers keken de nog eens grondig naar de oude vliegtuigen en ontdekten via reverse engineering hoe de vork in de steel zat. Gibson, die veertig jaar in de luchtvaartindustrie werkte, schraapte al deze brokken kennis bij elkaar. Hij ontwikkelde een methode om regelwetten voor fly-by-wire toestellen te ontwerpen. Dat dit een proefschrift moest worden was overigens niet zijn idee.
,,Ik heb hier als gastdocent colleges over dit onderwerp gegeven. Op een gegeven moment kwam de vraag of ik mijn aantekeningen tot een proefschrift zou willen omwerken. Vervolgens is er zware druk op mij uitgeoefend om daarmee akkoord te gaan”, glimlacht de 69-jarige Gibson. ,,Maar ik zag hierin ook een kans om eindelijk een boek te maken van al mijn vergaarde kennis.”
In zijn proefschrift legt Gibson ontwerpcriteria voor besturingseigenschappen vast in grafieken. Met deze methode kunnen ontwerpers volgens hem direct aan de slag. Hij besteedde vooral veel aandacht aan het voorkomen van de zogenaamde pilot induced oscillations. Slingeringen van het vliegtuig die juist erger worden als de piloot ingrijpt. Onbedoeld verandert de vlucht hierdoor in een ritje in een wild deinende achtbaan.
Zelf is Gibson overigens vrij bescheiden over zijn werk. ,,Ik heb er geen nieuw onderzoek voor uitgevoerd, hoewel je evengoed kunt zeggen dat ik al veertig jaar onderzoek achter de rug heb. En het is eigenlijk heel simpel: de piloot beweegt de stuurknuppel, en dangebeurt er iets. Met mijn methode kan een ontwerper ervoor zorgen dat wat er gebeurt, bij de piloot in de smaak valt.”
Valse bescheidenheid, want toegevoegd promotor Van der Vaart denkt dat het boek een bestseller wordt. Betrekkelijk, gezien de kleine wereld van de systeemontwerpers. ,,Maar van het proefschrift verschijnt straks een handelseditie en dat wordt een standaardwerk”, bezweert Van der Vaart. ,,Verplicht leesvoer.”
Het schrijven van het proefschrift leverde Gibson niet al te veel hoofdbrekens op. Hij moest bepaalde onderwerpen wel aanvullen, en het boek bevat ook informatie die niet in zijn collegereeks voorkomt. Gibson: ,,Het moeilijkste was om de juiste woorden te vinden, en om de cruciale beetjes uit die grote berg informatie te plukken. Maar al met al ben ik erg blij dat ik deze kans nog gekregen, zo vlak voor mijn zeventigste levensjaar.”
Gibson vertrekt na zijn promotie weer naar Engeland, waar hij onder meer adviseur voor British Aerospace is. In de Eurofighter 2000 worden de door hem opgestelde criteria bijvoorbeeld ook gebruikt. Maar standaardwerk of niet, Gibson ziet wel waar de grenzen van zijn methode liggen. Want: ,,Eigenlijk zou je in hoofd van piloot moeten kunnen kijken.”
Plaats een computer tussen de piloot en zijn vliegtuig, en de ontwerper kan terug naar de tekentafel. Pas na jaren onderzoek lieten de besturingseigenschappen zich vangen in software. J.C. Gibson M.Sc. zette vier decennia ontwerpervaring om in een handboek voor gezeglijke fly-by-wire toestellen.
Het is 17 december 1903. Orville Wright levert op het strand van Kitty Hawk (North-Carolina) een buitengewone prestatie: hij legt in twaalf seconden tijd een afstand van veertig meter af. Twaalf seconden die geschiedenis schrijven, want het is de eerste keer dat een mens een vlucht in een motorvliegtuig maakt. Later op die dag haalt de Flyer zelfs 260 meter. Tegen de wind in, dat wel.
Het besturen van het toestel is behoorlijk waaghalzig, want tijdens de korte vliegreis bokt de Flyer als een dolle stier. In de volgende jaren voeren de gebroeders Wright letterlijk duizenden vluchten uit om de stabiliteit en besturing van het ontwerp te verbeteren. Pas in 1911 voorzien ze de Flyer van een staartvlak en is het toestel min of meer af. Het ontwerp is dan al volkomen achterhaald, maar de pioniersrol van de Wrights wordt intussen wereldwijd erkend.
Ontwerpers ontdekken daarna stukje bij beetje hoe de vliegtuigbesturing in elkaar steekt. Vanaf 1914 doet de stuurknuppel zijn intrede in de cockpit, en worden de toestellen voorzien van rol-, richting- en hoogteroeren. Door trial-and-error weet men uiteindelijk een aantal vuistregels vast te stellen om het gewenste vlieggedrag te verkrijgen.
In de beginjaren van de luchtvaart is dat vrij makkelijk, want de piloot oefent dan nog rechtstreeks kracht uit op de stuurvlakken via kabels en stangen. Even een kabeltje aanspannen tot de besturing tevreden stemt is dus zo gebeurd. Snelheid en motorvermogen nemen echter vlug toe, zodat de hydraulisch bekrachtigde stuursystemen ten tonele verschijnen. Omdat de piloot hierdoor de voeling met het toestel kwijt dreigt te raken, wordt de kracht op de stuurvlakken via ingenieuze mechanismen teruggesluisd naar knuppel en pedalen.
Kloek
Maar dan. ,,In de jaren zeventig werd duidelijk dat we eigenlijk niet zo goed wisten wat tot goede besturingseigenschappen van vliegtuigen leidt”, bekent J.C. Gibson M.Sc., die 23 februari bij Lucht- en Ruimtevaart promoveert. ,,De ondervinding van de piloot werd namelijk altijd als uitgangspunt gebruikt. En hoewel dit zeer bruikbaar was voor de verdere ontwikkeling van een vliegtuigontwerp, kon je er maar een beperkt inzicht aan ontlenen.”
Vanaf de jaren vijftig begrijpt men wel steeds beter waarom piloten het ene besturingssysteem aangenaam vinden en het andere niet. Maar het onderzoek op dit gebied is allesbehalve eensluidend over de benodigde feedback voor een prettig handelbaar toestel. Bovendien zijn het meestal parameterstudies, die alleen iets zeggen over variaties binnen een bepaald systeem. Dat biedt weinig houvast voor ontwerpers die iets nieuws moeten verzinnen. Tijd voor een andere aanpak.
,,Wat de zoektocht naar een nieuwe methodologie echt in gang zette, was de ontwikkeling van fly-by-wire toestellen”, weet Gibson. Vooral ontwerpers van militaire vliegtuigen willen meer experimenteren met de plaatsing van de stuurvlakken. De hydromechanische systemen zijn hiervoor niet flexibel genoeg. Bij de ontwikkeling van de F-16 nemen de ontwerpers daarom een kloek besluit: elektrische kabels, servomotoren en computers vervangen de gangbare hydrauliek. In plaats van olie worden signalen rondgepompt. En daar beginnen de problemen.
De gecomputeriseerde fly-by-wire systemen ontberen de min of meer natuurlijke terugkoppeling van de oude besturing. Lastig voor de piloot, want tastzin is een onmisbaar zintuig tijdens de vlucht. De feedback moet daarom worden geprogrammeerd, maar dat blijkt geen sinecure. De kennis schiet namelijk flink tekort. De systeemontwerpers voelen zich waarschijnlijk net zo onthand als de gebroeders Wright: ze moeten het vliegtuig opnieuw uitvinden.
Gibson: ,,Vroeger werd nooit erg diepgravend naar de besturingseigenschappen gekeken. Kennelijk kwam het gedrag van conventionele vliegtuigen meer overeen met de verwachting van de piloot. Bovendien hadden aanpassingen in de stuursystemen niet zo’n grote invloed op het vlieggedrag als geheel. Door fly-by-wire moesten we die relatie herontdekken.”
De nieuwe besturing bood tenslotte meer mogelijkheden. ,,Dus ook meer mogelijkheden om de mist in te gaan”, benadrukt Gibson. ,,Fly-by-wire systemen hebben daarbij de neiging het vlieggedrag sterk te overheersen. Maar wat je moest doen om hiermee goede besturingseigenschappen te krijgen was niet echt bekend.”
Bijeenschrapen
Het antwoord lag in het verleden. De systeemontwerpers keken de nog eens grondig naar de oude vliegtuigen en ontdekten via reverse engineering hoe de vork in de steel zat. Gibson, die veertig jaar in de luchtvaartindustrie werkte, schraapte al deze brokken kennis bij elkaar. Hij ontwikkelde een methode om regelwetten voor fly-by-wire toestellen te ontwerpen. Dat dit een proefschrift moest worden was overigens niet zijn idee.
,,Ik heb hier als gastdocent colleges over dit onderwerp gegeven. Op een gegeven moment kwam de vraag of ik mijn aantekeningen tot een proefschrift zou willen omwerken. Vervolgens is er zware druk op mij uitgeoefend om daarmee akkoord te gaan”, glimlacht de 69-jarige Gibson. ,,Maar ik zag hierin ook een kans om eindelijk een boek te maken van al mijn vergaarde kennis.”
In zijn proefschrift legt Gibson ontwerpcriteria voor besturingseigenschappen vast in grafieken. Met deze methode kunnen ontwerpers volgens hem direct aan de slag. Hij besteedde vooral veel aandacht aan het voorkomen van de zogenaamde pilot induced oscillations. Slingeringen van het vliegtuig die juist erger worden als de piloot ingrijpt. Onbedoeld verandert de vlucht hierdoor in een ritje in een wild deinende achtbaan.
Zelf is Gibson overigens vrij bescheiden over zijn werk. ,,Ik heb er geen nieuw onderzoek voor uitgevoerd, hoewel je evengoed kunt zeggen dat ik al veertig jaar onderzoek achter de rug heb. En het is eigenlijk heel simpel: de piloot beweegt de stuurknuppel, en dangebeurt er iets. Met mijn methode kan een ontwerper ervoor zorgen dat wat er gebeurt, bij de piloot in de smaak valt.”
Valse bescheidenheid, want toegevoegd promotor Van der Vaart denkt dat het boek een bestseller wordt. Betrekkelijk, gezien de kleine wereld van de systeemontwerpers. ,,Maar van het proefschrift verschijnt straks een handelseditie en dat wordt een standaardwerk”, bezweert Van der Vaart. ,,Verplicht leesvoer.”
Het schrijven van het proefschrift leverde Gibson niet al te veel hoofdbrekens op. Hij moest bepaalde onderwerpen wel aanvullen, en het boek bevat ook informatie die niet in zijn collegereeks voorkomt. Gibson: ,,Het moeilijkste was om de juiste woorden te vinden, en om de cruciale beetjes uit die grote berg informatie te plukken. Maar al met al ben ik erg blij dat ik deze kans nog gekregen, zo vlak voor mijn zeventigste levensjaar.”
Gibson vertrekt na zijn promotie weer naar Engeland, waar hij onder meer adviseur voor British Aerospace is. In de Eurofighter 2000 worden de door hem opgestelde criteria bijvoorbeeld ook gebruikt. Maar standaardwerk of niet, Gibson ziet wel waar de grenzen van zijn methode liggen. Want: ,,Eigenlijk zou je in hoofd van piloot moeten kunnen kijken.”
Comments are closed.