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Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität CERTT-FBW23

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CERTT-FBW23 - Certification Technologies for Fly-by-Wire of EASA CS23 Aircraft

STEMME S15 Flugversuchsträger aus den Projekten LAPAZ und LAPAZ II
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CERTT-FBW23 ist ein für 39 Monate (01.01.2014 – 31.03.2017) angelegtes Verbundprojekt zur Erarbeitung der methodischen und technologischen Grundlagen für die Zertifizierung eines Fly-by-Wire-Systems eines CS23-Flugzeuges. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des nationalen Luftfahrtforschungsprogramms (LUFO V) gefördert.

Einleitung

Die Leistungsfähigkeit kleiner Flugzeuge zur Luftarbeit oder für den Individualverkehr, die nach Zulassungsvorschrift EASA CS 23 zertifiziert werden, kann durch intelligente Flugführungssysteme erheblich gesteigert werden. Mit solchen Systemen lassen sich Flugbahnen bei allen Sichtbedingungen viel präziser und wirtschaftlicher abfliegen als manuell. Gleichzeitig erhöhen sie die Sicherheit, indem sie beispielsweise das Verlassen des sicheren Bereichs der Fluggeschwindigkeit oder Kollisionen mit Hindernissen und anderen Luftfahrzeugen verhindern. Vorstellbar sind auch fernpilotierte Versionen, um extrem lange Arbeitsflüge zu ermöglichen.

Kern der Flugführungssysteme ist das Flugsteuerungssystem, das heute noch mechanisch ausgeführt ist, aber durch ein elektronisches System ergänzt oder ersetzt werden muss, damit die leistungssteigernden Funktionen realisiert werden können – wie es bereits bei Verkehrsflugzeugen (CS25) geschehen ist. Der Trend des Preis-Leistungsverhältnisses für die erforderlichen Avionik-Komponenten zeigt, dass sie dank technologischer Weiterentwicklung getrieben vom kommerziellen Markt in einen attraktiven Bereich kommen. Hauptsächliches Hindernis für die Einführung elektronischer Flugsteuerungen für CS 23-Flugzeuge ist der Aufwand für die Qualifikation der Hard- und Software und für die Zulassung des Flugzeugs. Der Aufwand ist so hoch, weil diese Systeme sicherheitskritisch sind und deshalb sehr strengen Entwicklungs-, Nachweis- und Qualitätssicherungsprozessen unterliegen.

Ziele

Ziel des Verbundvorhabens CERTT-FBW23 ist es, die komplexe und sicherheitskritische Technologie der elektronischen Flugsteuerungen (Fly-by-Wire, FbW), die heute fast ausschließlich Flugzeugen des oberen CS25-Segments vorbehalten ist, durch neue technologische und methodische Ansätze kostenmäßig so attraktiv zu gestalten, dass sie auch für CS23-Flugzeuge und dort speziell im Bereich Class I/II/III einsetzbar wird. So können erweiterte und grundlegend neue Einsatzfelder für Flugzeuge der CS23-Kategorie eröffnet werden, wie z.B. für effiziente, intelligente Arbeitsflugzeuge, die spezielle Missionen höchster Anforderung (Dauer, Präzision, Komplexität etc.) weitgehend automatisch durchführen. Damit derartige Flugzeuge ein weites Anwendungsspektrum abdecken können, müssen sie mit umfangreicher Avionik und elektronischen Flugsteuerungssystemen ausgerüstet sein, deren Software mindestens entsprechend RTCA DO-178C Design Assurance Level C (DAL C) entwickelt worden ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden die in verschiedenen EU- und LuFo-Projekten laufenden Aktivitäten verschiedener Partner gebündelt:

  1. die LuFo4-Projekte LAPAZ und LAPAZ2,
  2. EU-Projekt SAFAR und
  3. LuFo4-Projekt FLYSMART-FBW23.

Das wissenschaftliche und technologische Ziel von CERTT-FBW23 ist es zum einen, die methodischen und technologischen Grundlagen für die Zertifizierung eines derartigen Systems bereitzustellen. Zum anderen sollen bezüglich des Aufwandes für die Zulassung zentrale und für dieses Vorhaben entscheidende Kostentreiber identifiziert werden und die Grundlagen für einen schnellen und effizienten Zertifizierungsprozess geschaffen werden.

Projektplan

AP100
Prozessgrundlagen EASA CS23 / FBW  Flugzeugebene
Definition des zulassungsbedingten Rahmens des Entwicklungsprozesses für CS23 Class 1,2 und 3 Flugzeuge; Ermitteln der zulassungsrelevanten Anforderungen auf Flugzeug und Systemebene, Definition des Zulassungsprogramm und des dazugehörenden Entwicklungsprozess.
AP200
Grundlagen Qualifikation /  Hardware-Technologie
Bewertung der Architektur und der Hardware (HW) des Flugsteuerungssystems (Fly-by-Wire Hardware einschließlich des Kommunikations-Netzwerks) im Hinblick auf eine Zulassung in CS23-Flugzeugen und Realisieren eines Hardware/Software-Validators.
AP300
Grundlagen Qualifikation /  Plattformtechnologie
Konzeption, Umsetzung und Validation eines Verfahrens zur automatischen Testcase-Generierung per Tool-Suite für eine Plattforminstanz.
AP400
Grundlagen Qualifikation  Flugregelungsfunktionen
Erarbeitung eines Prozesses einschließlich der dazugehörenden Verfahren und Werkzeuge zur Nachweisführung
  1. zur effizienten Qualifikation von Flugregelungsgesetzen (Flight Control Laws) nach CS23 sowie
  2. der dazugehörigen Flugregelungssoftware nach RTCA DO-178
Dieses geschieht am Beispiel der Flugregelungsfunktionen, die im LAPAZ/LAPAZ2-Projekt für die STEMME S15 entwickelt worden sind.

Projektpartner

  • Cassidian Airborne Solutions GmbH
  • STEMME AG
  • Smart Embedded Technologies (SET) GmbH
  • Institut für Luftfahrtsysteme (ILS) der Universität Stuttgart
  • Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (FMRA) der Technischen Universität Berlin

Aufgaben der TU Berlin

Das Fachgebiet Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität ist für das Arbeitspaket AP400 verantwortlich. In AP 410 sind Verfahren und Werkzeuge zur Nachweisführung für automatische Flugregelungssysteme nach CS23 und RTCA DO-178 zu definieren und am Beispiel der Flugregelfunktionen, die im LAPAZ/LAPAZ2-Projekt für die STEMME S15 entwickelt worden sind, zu entwickeln. Augenmerk liegt darauf, dass diese Methoden kosteneffizient sind, damit sie für CS23-Flugzeuge einsetzbar sind. Im Einzelnen ist dieses:

  1. Entwicklung einer Methode und Tools zur effizienten, automatisierten funktionalen Nachweisführung von Flugregelungsgesetzen nach der EASA Zulassungsvorschrift CS23, die auf die speziellen Zulassungsanforderungen nach CS23 zugeschnitten sind aber allgemeingültig, d.h. unabhängig vom spezifischen Flugzeugmuster sind (Ausnahme z.B. einmotorige und zweimotorige Flugzeugen);
  2. Entwicklung einer automatisierten und modellbasierten Methode und dazugehöriger Tools zur Qualifikation der Flugregelungssoftware nach RTCA DO-178, die die korrekte Umsetzung der Software-Requirements vom regelungstechnischen Blockschaltbild bis hin zum verifizierten Code unterstützen.

Zum Nachweis der Flugregelungsfunktionen und zur Definition der durchzuführenden Tests sind die Anforderungen von zentraler Bedeutung. Diese müssen in elektronischer auswertbarer Form aufgeschrieben und verwaltet werden. Beim Anforderungsmanagement sind die Leitlinien der SAE ARP4754A, der RTCA DO-178C und des Supplements zum Model Based Design (RTCA DO-331) zu berücksichtigen. Zur Beherrschung der Komplexität sowie zur Sicherstellung der Konsistenz der Ergebnisse ist eine vollständige Traceability erforderlich.

Für eine effiziente Testauswertung ist es erforderlich, aus den textuellen Anforderungen mathematisch formulierte Kriterien abzuleiten, so dass ein Algorithmus eindeutig entscheiden kann, ob sie erfüllt wurden. Die in LAPAZ entwickelte Testumgebung für die Reglerentwicklung erlaubt bereits automatisierte Nachweistests mit einer hochwertigen Simulationen des Flugzeugs und seines Flugregelungssystem. Sie soll um zusätzliche Tests erweitert und um weitere Kriterien ergänzt werden.

Förderung

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