nxControl: A contribution to controller-assisted manual flying

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3111-2 (ISSN 2512-5141) In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung des Vorgabereglers nxControl für das longitudinale Lastvielfache nx zur effektiven Unterstützung des manuellen Fliegens von Verkehrsflugzeugen beschrieben. Das Lastvielfache nx ist äquivalent zum Gesamtenergiewinkel und damit zur spezifischen zeitlichen Änderung der Gesamtenergie des Flugzeugs. Das Lastvielfache ist direkt proportional zur Differenz zwischen Schub- und Widerstandskraft und steuerbar über Triebwerksschub, Bremsklappen und Radbremsen. Der Vorgaberegler ersetzt die konventionelle manuelle Steuerung dieser Stellgrößen. Bislang werden Vorgaberegler nur zur Unterstützung der manuellen Steuerung der Fluglage mit den aerodynamischen Stellflächen eingesetzt. Der nx-Vorgaberegler vervollständigt die elektronischen Flugsteuerungsfunktionen im Cockpit. Zusammen mit einer angepassten Mensch-Maschine-Schnittstelle wird direktes Kommando und präzises Einstellen der physikalischen Flugzeugreaktion möglich, ohne dass Piloten die Wirkung der Stellgröße berücksichtigen müssen. So können Piloten präziser und gleichzeitig mit weniger Arbeitsaufwand manuell fliegen. Die Entwicklung des nx-Vorgabereglers teilt sich in die drei Phasen Analyse, Auslegung und Evaluation. Da das System menschliche Operateure unterstützt, wurden Verkehrspiloten als potentielle Nutzer in alle Entwicklungsschritte eingebunden. Die Analyse konzentriert sich sowohl auf die flugmechanischen und operationellen Aspekte als auch auf die menschlichen Aspekte bei der manuellen Steuerung des Energiehaushalts. Ausgehend von den ermittelten Handlungsmodellen der Piloten als auch den flugdynamischen Zusammenhängen werden Anforderungen an das Regelungssystem für die Auslegung aufgestellt. In umfangreichen Flugsimulatorstudien mit Verkehrspiloten wird in unterschiedlichen, repräsentativen Szenarien der Einfluss des nx-Vorgabereglers auf Flugpräzision, Arbeitsbeanspruchung, Situationsbewusstsein, Handhabung, Akzeptanz und Sicherheit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Regelungssystem für die Piloten eine intuitiv nutzbare Unterstützung des manuellen Fliegens darstellt, welche es ermöglicht anspruchsvolle Trajektorien präziser und mit weniger Arbeitslast als konventionell zu fliegen. Es ist in allen Flugphasen einsetzbar und unterstützt den Piloten auch in kritischen Fällen wie zum Beispiel Triebwerksausfällen. Durch die erhöhte Präzision bei komplexen Trajektorien im manuellen Flug ist es möglich, Staffelungsverfahren und Flugroutenplanungen zu optimieren und zu verengen. Damit wird der Luftraum besser ausgenutzt und die Kapazität steigt. Gleichzeitig kann häufiger im täglichen Betrieb manuell geflogen werden, da der Arbeitsaufwand geringer ist. Bei einem Rückfall auf konventionelle Steuerung bleiben durch das häufigere Training und die ähnlichen Handlungsabläufe die grundlegenden Flugfertigkeiten abrufbar. Dies erhöht die Sicherheit im zukünftigen Luftverkehr. This dissertation describes the development of the command controller nxControl for the longitudinal load factor nx for the effective support of manual flying. The load factor nx is equivalent to the total energy angle and thus to the specific temporal change of the total energy of the aircraft. The load factor is directly proportional to the difference between thrust and drag and can be controlled by engine thrust, airbrakes and wheel brakes. The command controller replaces the conventional manual control of these effectors. Up to now, command controllers have only been used to support the manual control of the flight attitude with the aerodynamic control surfaces. The nx command controller completes the electronic flight control functions in the cockpit. Together with an adapted human-machine interface, it enables direct command and precise adjustment of the physical aircraft response without the pilots having to consider the effect of the effectors. This allows pilots to fly more precisely and at the same time with less manual effort. The development is divided into three phases: analysis, design and evaluation of the control system. Since the system provides support for human operators, airline pilots are involved in all development steps as potential users. The analysis focuses on the flight mechanical and operational aspects as well as on the human aspects of the manual energy management. Based on the determined action models of the pilots as well as the flight dynamic relationships, requirements for the control system will be established and incorporated into the design. In extensive flight simulator studies with commercial pilots, the influence of the nx command controller on flight precision, workload, situation awareness, handling, acceptance and safety is investigated in various representative scenarios. The results show that the developed control system provides pilots with intuitive support for manual flying, which enables them to fly demanding trajectories more precisely and with less workload than conventional. It can be used in all flight phases and supports the pilots even in critical cases such as engine failures. Due to the increased precision at complex trajectories in manual flight, it is possible to optimize and narrow separation procedures and flight route planning. This allows more efficient use of airspace and increases capacity. At the same time, it is possible to fly manually more frequently in daily operations, as the workload is lower. In the event of a switch back to conventional control, the more frequent training and similar procedures mean that the basic flight skills can still be called up.This increases safety in future air traffic.