خلبان اتوماتیک در دستان شما (+عکس)
موبنا، رضا خواجه‌وند – اصطلاح «خلبان اتوماتیک» یا Autopilot این روزها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد و با این وجود از هر ۱۰ کاربر ۸ نفر بر این باورند که Autopilot به یک سیستم رایانه‌ای گفته می شود که می‌تواند رانندگی خودرو را به طور کامل در دست بگیرد. باید توجه داشت که این تعریف کاملا اشتباه است. پیش از آنکه بخواهیم معنی دقیق این عبارت را بررسی کنیم، بهتر است ابتدا بدانیم سیستم Autopilot و هرآنچه که به آن مربوط می‌شود، چگونه کار می‌کند.
سیستم اوتوپایلوت چیست؟
این سیستم به منظور کنترل وسیله نقلیه در مسیر بدون استفاده از هرگونه سیستم کنترلی دستی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در اصل به سیستمی گفته می‌شود که برای کنترل وسیله نقلیه نیازی به اپراتور انسانی ندارد. این سیستم در هواپیماها بسیار کاربرد دارد و خلبان و کادر پرواز اصطلاحا به آن «جرج» می‌گویند.
چه کسی اوتوپایلوت را اختراع کرد؟
در سال ۱۹۱۲ میلادی شرکت Sperry Corporation برای نخستین بار سیستم اوتوپایلوت را اختراع کرد. این سیستم به یک بخش ژیروسکوپی و سیستم شاخص نگرش (برای تشخیص افق مصنوعی) مجهز شده بود تا به صورت هیدرولیکی در آسانسورها و رادارها از آن استفاده شود. «لاورنس اسپری» پس مخترع مشهور «اِلمِر اسپری» نخستین بار در سال ۱۹۱۴ میلادی در «نمایشگاه ایمنی هوانوردی پاریس» مدل مفهومی این سیستم را به نمایش گذاشت.
چرا به اوتوپایلوت نیاز داریم؟
هواپیماهای اولیه برای پرواز در مسافت‌های کوتاه طراحی شده بودند و خلبان برای توجه به اتفاقات پیرامون و پرواز به مدت چند دقیقه یا چند ساعت مشکلی نداشت. ولی با گذشت زمان صنعت هوانوردی توسعه یافت و موتورهای قوی‌تر روی هواپیماها نصب شد تا امکان پرواز آنها برای مسافت‌های طولانی‌تر هم فراهم شود. موتورهای قدرتمندتر باعث شد برد پروازی هواپیما بیشتر شود. این مسئله به آن معنی بود که خلبان موظف بود به تمام سیستم‌های کنترل هواپیما توجه کامل داشته باشد و حتی در پروازهای طولانی هم بتواند کنترل و مدیریت صحیح همه اتفاقات را در دست بگیرد. این پیچیدگی باعث شد نیاز به یک دستیار هوشمند احساس شود تا در استفاده از سیستم‌های داخلی به خلبان کمک کند.
اطلاعات بیشتر در مورد اوتوپایلوت
امروزه سیستم‌های اوتوپایلوت در هواپیماها، موشک‌ها، کشتی‌ها، فضاپیماها و حتی نسل جدید خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور کلی می‌توان سیستم اوتوپایلوت را متعلق به هواپیما دانست، بنابراین در این مطلب سیستم اوتوپایلوتی که در هواپیماها مورد استفاده قرار می‌گیرد تشریح شده است.
سیستم اوتوپایلوت یا «سیستم کنترل اتوماتیک هواپیما» (AFCS) بخشی از سیستم الکترونیک پروازی محسوب می‌شود. سیستم‌های الکترونیک پروازی بخش‌های مختلف از جمله مسیریابی، ارتباطات، نمایش سیستم‌های چندگانه و صدها بخش دیگر را شامل می‌شوند که در هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند. قوانین بین‌المللی هوانوردی این مسئله را اجباری کرده است که اوتوپایلوت روی تمام هواپیماهایی که بیش از ۲۰ مسافر را حمل می‌کنند نصب شده باشد.
این سیستم در اصل کنترل سه بخش اصلی در هواپیما را در دست می‌گیرد: بالابرنده‌ها، بخش متحرک دم و بخش متحرک بال‌ها.
بالابرنده‌ها: همان‌طور که از نام آن مشخص است، به بالا بردن هواپیما از روی باند و پایین آوردن آن کمک می‌کند. بالابرنده‌ها روی دم هواپیما و در نزدیکی سکان اصلی نصب می‌شوند.
بخش متحرک دم: به کنترل و هدایت هواپیما برای تعیین مسیر در هنگام پرواز کمک می‌کند.
بخش متحرک بال‌ها: در لبه پشتی بال‌ها نصب می‌شود و به هواپیما برای کم و زیاد کردن ارتفاع حین پرواز کمک می‌کند.
۳ سطح متفاوت اوتوپایلوت
سیستم‌های اوتوپایلوت تک-محوره کنترل هواپیما که به مدیریت و کنترل مناسب بخش متحرک بال‌ها کمک می‌کند و اصطلاحا با نام «هم‌سطح کننده بال» هم از آن یاد می‌شود.
سیستم‌های اوتوپایلوت دو-محوره که کنترل یک هواپیما را در محور زمین و محور هوایی در دست می‌گیرد و این اتفاق از طریق بخش متحرک بال و بالابرنده‌ها انجام می‌شود.
سیستم‌های اوتوپایفوت سه-محوره که می‌تواند کنترل یک هواپیما را در سه محور جداگانه در دست بگیرد: چرخش، حرکت روی زمین، حرکت به سمت بالا، که این اتفاق به کمک سه بخش متحرک دم، بخش متحرک بال و بخش بالابرنده انجام می‌شود.
سیستم‌های اوتوپایلوت چگونه کار می‌کنند؟
سیستم‌های اولیه به صورت تک-محوری ساخته می‌شدند و از یک ژیروسکوپ برای کنترل هواپیما استفاده می‌کردند. سیستم‌های اوتوپایلوت امروزی به ده‌ها حسگر هوشمند مجهز شده‌اند که در بخش‌های مختلف بدنه هواپیما از جمله شتاب‌سج، حسگر فشار، حسگرهای اندازه‌گیری و … نصب می‌شوند.
همان طور که یخچال، سیستم تهویه هوا یا بخاری دمای فضای داخلی را ثابت نگه می‌دارد، اوتوپایلوت هواپیما یا همان AFCS نگهداری و کنترل بال‌ها، بالابرنده ها و دم را در دست می‌گیرد.
برای آنکه متوجه شویم سیستم تهویه هوا چگونه دمای محیط را ثابت نگه می‌دارد، مراحل زیر را بررسی می‌کنیم:
- شخص با توجه به نظر خود دمای سیستم تهویه هوا را مشخص می‌کند تا دمای اتاق مطابق با آن تغییر کند
- ترموسات سیستم تهویه هوا دمای محیط پیرامون را با دمایی که برای آن در نظر گرفته شده است مقایسه می‌کند و تفاوت آن را می‌سنجد
- دستگاه تهویه هوا اتاق را خنک می‌کند تا دمای محیط با دمایی که برای آن در نظر گرفته شده است برابری کند.
- به محض آنکه دمای محیط پیرامون با دمای تعیین شده برابر شد، ترموستات یک سیگنال به دستگاه میکروکنترلر می‌فرستد و سیستم تهویه هوا خاموش می‌شود.
- زمانی که دمای محیط از دمای تعیین شده برای دستگاه بیشتر شود، ترموستات مجددا سیگنال می‌فرستد تا دستگاه تهویه هوا روشن شود.
سیستم اوتوپایلوت AFCS به صورت کاملا مشابه عمل می‌کند و فقط به جای آنکه یک حسگر داشته باشد، ده‌ها حسگری که روی بدنه هواپیما نصب شده است را در اختیار می‌گیرد و از طریق آنها به صورت مستقیم به بخش‌های مختلف متصل می‌شود. در اینجا می‌توانیم شرایطی را در نظر بگیریم که خلبان تصمیم می‌گیرد در یک ارتفاع ثابت و در مسیر مستقیم، با سرعت ثابت حرکت کند. این مراحل به قرار زیر تشریح می‌شوند:
- خلبان نحوه قرار گرفتن بال‌ها را مشخص می‌کند تا موقعیت هواپیما در هنگام پرواز ثابت شود.
- اگر شدت وزش باد تغییر کند یا هرگونه تغییرات آب و هوایی ایجاد شود، یکی از بال‌ها به سمت پایین تغییر زاویه می‌دهد.
- حسگرهای موقعیت‌یاب یا ژیروسکوپ‌ها هرگونه تغییر را ثبت می‌کنند و اطلاعات مربوط به آن را به سیستم رایانه‌ای می‌فرستند.
- رایانه اطلاعات اصلی در نظر گرفته شده توسط خلبان را با اطلاعات جدید دریافتی از حسگرها مقایسه می‌کند.
- رایانه یک سیگنال ویژه می‌فرستد تا موتورهای فرمان‌یار یا سروو روشن شوند.
- موتورهای سروو موقعیت بخش متحرک بال‌ها را با اطلاعات جدید دریافتی متناسب می‌کنند تا موقعیت مناسب جدید در نظر گرفته شود و هواپیما بتواند در ارتفاعی که از قبل برای آن در نظر گرفته شده بود خود را حفظ کند.
- به محض آنکه اطلاعات دریافتی جدید با موقعیت هواپیما برابر شد، یک سیگنال ویژه ارسال می‌شود تا موتورهای سروو خاموش شوند.
به عبارت ساده می‌توان گفت اگر برحسب شرایط جوی هواپیما ۵ متر ارتفاع کم کند، بخش متحرک بال‌ها شرایط را می‌سنجند و به کمک حسگرهای خود کمک می‌کنند تا هواپیما مجدد ۵ متر ارتفاع بگیرد. بنابراین ارتفاع هواپیما به صورت خودکار ثابت می‌ماند.
برخی از انواع سیستم‌های اوتوپایلوت AFCS به صورت متفاوت طراحی شده‌اند. در این سیستم‌ها پردازش نرم‌افزاری فقط در چند رایانه مجزا انجام نمی‌شود و در عوض معماری‌های مختلف با سیستم‌های پردازش گوناگون به کار گرفته می‌شوند. این سیستم‌ها نه تنها از طریق زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف برنامه‌ریزی می‌شوند، بلکه هر رایانه نرم‌افزاری که توسط گروه‌های مهندسی مجزا به صورت متفاوت ساخته شده است را در اختیار می‌گیرد تا احتمال خطا کاهش یابد.