نظام القيادة الآلية

الطيار الآلي هو نظام يُستخدم للتحكم في مسار الطائرة دون الحاجة إلى تدخل مستمر من مشغل بشري. لا يحل الطيار الآلي محل المشغلين البشريين، ولكنه يساعدهم مما يسمح لهم بالتركيز على جوانب أوسع من العمليات (على سبيل المثال، مراقبة المسار والطقس والأنظمة الموجودة على متن الطائرة). ^{[ 1 ]}

عند وجوده، غالباً ما يتم استخدام الطيار الآلي بالتزامن مع نظام التحكم الآلي في قوة المحرك ، وهو نظام للتحكم في الطاقة التي توفرها المحركات.

في بدايات الطيران، كانت الطائرات تتطلب انتباهًا مستمرًا من الطيار لضمان سلامة الطيران. ومع ازدياد مدى الطائرات، مما أتاح رحلات جوية لساعات طويلة، أدى هذا الانتباه المستمر إلى إرهاق شديد. ولذلك، صُمم نظام الطيار الآلي ليقوم ببعض مهام الطيار.

طوّرت شركة سبيري أول نظام طيار آلي جيروسكوبي للطائرات عام 1912. ^{[ 2 ]} ربط النظام مؤشر اتجاه جيروسكوبي ومؤشر وضعية بمصاعد ودفة تعمل بنظام هيدروليكي . سمح هذا النظام للطائرة بالتحليق بشكل مستقيم ومستوٍ على مسار البوصلة دون تدخل الطيار، مما قلل بشكل كبير من عبء العمل عليه.

قام لورانس سبيري ، نجل المخترع الشهير إلمر سبيري ، بعرض هذا النظام الآلي في عام 1914 في مسابقة سلامة الطيران التي أقيمت في باريس . وأثبت سبيري مصداقية الاختراع من خلال قيادة الطائرة ويداه بعيدتان عن أدوات التحكم، مما جعلها مرئية للمشاهدين. وواصل إلمر سبيري الابن، نجل لورانس سبيري، والكابتن شيراس العمل على نفس نظام الطيار الآلي بعد الحرب، وفي عام 1930، اختبروا نظام طيار آلي أكثر إحكامًا وموثوقية، والذي حافظ على طائرة تابعة لسلاح الجو الأمريكي على مسارها وارتفاعها الصحيحين لمدة ثلاث ساعات. ^{[ 3 ]}

في عام 1930، طورت المؤسسة الملكية للطائرات في المملكة المتحدة نظام طيار آلي يسمى مساعد الطيار ، والذي استخدم جيروسكوبًا يدور بالهواء المضغوط لتحريك أدوات التحكم في الطيران. ^{[ 4 ]}

تم تطوير نظام الطيار الآلي لاحقًا، ليشمل، على سبيل المثال، خوارزميات تحكم محسّنة وآليات هيدروليكية مؤازرة. كما أتاح إضافة المزيد من الأجهزة، مثل أجهزة الملاحة اللاسلكية، إمكانية الطيران ليلًا وفي الأحوال الجوية السيئة. في عام 1947، قامت طائرة نقل عسكرية أمريكية من طراز C-53 برحلة عبر المحيط الأطلسي، بما في ذلك الإقلاع والهبوط، تحت سيطرة نظام الطيار الآلي بالكامل. ^{[ 5 ] [ 6 ]} طوّر بيل لير نظام الطيار الآلي ونظام التحكم الآلي في الاقتراب لطائرته F-5، وحصل على جائزة كولير في عام 1949. ^{[ 7 ]}

في أوائل عشرينيات القرن العشرين، أصبحت ناقلة النفط التابعة لشركة ستاندرد أويل، جيه إيه موفيت، أول سفينة تستخدم نظام القيادة الآلية. ^{[ 8 ]}

كانت طائرة Piasecki HUP-2 Retriever أول طائرة هليكوبتر إنتاجية مزودة بنظام طيار آلي. ^{[ 9 ]}

يُعد نظام الطيار الآلي الرقمي لوحدة الهبوط القمرية في برنامج أبولو مثالاً مبكراً على نظام الطيار الآلي الرقمي بالكامل في المركبات الفضائية. ^{[ 10 ]}

لا تمتلك جميع طائرات الركاب التي تحلق اليوم نظام طيار آلي. فالطائرات القديمة والصغيرة، وخاصة طائرات الطيران العام، لا تزال تُقاد يدويًا، وحتى الطائرات الصغيرة التي تقل سعتها عن عشرين مقعدًا قد لا تحتوي على نظام طيار آلي نظرًا لاستخدامها في رحلات قصيرة المدى يقودها طياران. أما تركيب أنظمة الطيار الآلي في الطائرات التي تزيد سعتها عن عشرين مقعدًا فهو إلزامي عمومًا بموجب لوائح الطيران الدولية .

توجد ثلاثة مستويات للتحكم في أجهزة الطيار الآلي للطائرات الصغيرة.

• يتحكم الطيار الآلي أحادي المحور في الطائرة في محور الدوران فقط؛ وتُعرف هذه الطيار الآلي أيضًا بالعامية باسم "موازنات الأجنحة"، مما يعكس قدرتها الوحيدة.
• يتحكم الطيار الآلي ثنائي المحور في الطائرة في محور الميل وكذلك الدوران، وقد يكون مجرد مُعدِّل للجناح مع قدرة محدودة على تصحيح تذبذب الميل؛ أو قد يتلقى مدخلات من أنظمة الملاحة الراديوية الموجودة على متن الطائرة لتوفير توجيه طيران آلي حقيقي بمجرد إقلاع الطائرة وحتى وقت قصير قبل الهبوط؛ أو قد تقع قدراته في مكان ما بين هذين النقيضين.
• يضيف نظام الطيار الآلي ثلاثي المحاور تحكمًا في محور الانعراج ، وهو غير مطلوب في العديد من الطائرات الصغيرة.

تتكون أنظمة الطيار الآلي في الطائرات الحديثة المعقدة من ثلاثة محاور، وتقسم الرحلة عادةً إلى مراحل: السير على المدرج ، والإقلاع، والصعود، والتحليق الأفقي، والهبوط، والاقتراب، والهبوط. تُؤتمت معظم أنظمة الطيار الآلي المخصصة للنقل مراحل الصعود والتحليق الأفقي والهبوط والاقتراب والهبوط والتحرك على المدرج، بينما يبقى السير على المدرج والإقلاع تحت سيطرة الطيار. يُعرف الاقتراب والهبوط والتحرك على المدرج تحت سيطرة الطيار الآلي بالهبوط الآلي. خلال الهبوط الآلي، يستخدم الطيار الآلي عادةً نظام الهبوط الآلي (ILS) وهو معتمد للعمليات في ظروف الرؤية المنخفضة من الفئة الثالثة، وأكثرها شيوعًا CAT IIIa وCAT IIIb. على الرغم من أن منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) تُعرّف فئة CAT IIIc بدون حد أدنى لارتفاع القرار أو مدى الرؤية على المدرج، إلا أن هذه الفئة لا تُستخدم عمليًا لأن الطائرة يجب أن تظل قادرة على السير على المدرج بأمان بعد الهبوط. تدعم العديد من المطارات الرئيسية عمليات الهبوط الآلي من الفئة الثالثة في ظروف الرؤية المنخفضة. بعد التحرك على المدرج، يُفصل الطيارون عادةً نظام الطيار الآلي قبل الخروج من المدرج. غالبًا ما يكون نظام الطيار الآلي مُدمجًا مع نظام إدارة الطيران (FMS) الخاص بالطائرة.

تستخدم أنظمة الطيار الآلي الحديثة برامج حاسوبية للتحكم بالطائرة. يقرأ البرنامج موقع الطائرة الحالي، ثم يتحكم بنظام التحكم في الطيران لتوجيهها. في هذا النظام، بالإضافة إلى أدوات التحكم التقليدية في الطيران، تتضمن العديد من أنظمة الطيار الآلي قدرات للتحكم في قوة الدفع، والتي يمكنها التحكم في دواسة الوقود لتحسين سرعة الطائرة.

يقرأ نظام الطيار الآلي في الطائرات الكبيرة الحديثة عادةً موقع الطائرة واتجاهها من نظام التوجيه بالقصور الذاتي . تتراكم الأخطاء في أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي مع مرور الوقت، ولذلك فهي تتضمن أنظمة للحد من هذه الأخطاء، مثل نظام الدوران الدائري الذي يدور مرة واحدة في الدقيقة، مما يؤدي إلى تبديد أي أخطاء في اتجاهات مختلفة، وبالتالي إلغاء تأثيرها الكلي. يُعرف الخطأ في الجيروسكوبات بالانحراف، وهو ناتج عن خصائص فيزيائية داخل النظام، سواء كان ميكانيكيًا أو موجهًا بالليزر، والتي تُشوه بيانات الموقع. تُحل الاختلافات بين القراءتين باستخدام معالجة الإشارات الرقمية ، وغالبًا ما يكون ذلك باستخدام مرشح كالمان سداسي الأبعاد . الأبعاد الستة هي عادةً: الميل، والارتفاع، والانعراج، والارتفاع ، وخط العرض ، وخط الطول . قد تسلك الطائرات مسارات تتطلب عامل أداء محدد، لذا يجب مراقبة مقدار الخطأ أو عامل الأداء الفعلي لضمان دقة هذه المسارات. كلما طالت مدة الرحلة، زاد تراكم الأخطاء داخل النظام. يمكن استخدام وسائل مساعدة لاسلكية، مثل جهاز قياس المسافة (DME) وتحديثاته ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، لتصحيح موقع الطائرة.

عجلة قيادة

يُعدّ نظام توجيه عجلة التحكم ( CWS ) خيارًا وسطًا بين الطيران الآلي الكامل والطيران اليدوي . ورغم تراجع استخدامه كخيار مستقل في الطائرات الحديثة، إلا أنه لا يزال موجودًا في العديد من الطائرات اليوم. عادةً، يحتوي نظام الطيار الآلي المزود بنظام CWS على ثلاثة أوضاع: إيقاف التشغيل، وCWS، وCMD. في وضع CMD (الأمر)، يتحكم الطيار الآلي بشكل كامل في الطائرة، ويتلقى مدخلاته إما من إعدادات الاتجاه/الارتفاع، أو الراديو وأجهزة الملاحة، أو نظام إدارة الطيران (FMS). أما في وضع CWS، فيتحكم الطيار الآلي من خلال إدخالات على عصا التحكم أو المقود. تُترجم هذه المدخلات إلى اتجاه ووضع محددين، يحافظ عليهما الطيار الآلي حتى يتلقى تعليمات بخلاف ذلك. يوفر هذا استقرارًا في الميل والدوران. تستخدم بعض الطائرات شكلاً من أشكال CWS حتى في الوضع اليدوي، مثل طائرة MD-11 التي تستخدم CWS ثابتًا في الدوران. في كثير من النواحي، تكون طائرات إيرباص الحديثة ذات نظام التحكم الإلكتروني (fly-by-wire) في الوضع الطبيعي دائمًا في وضع CWS. يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن قيود الطائرة في هذا النظام محمية بواسطة حاسوب التحكم في الطيران ، ولا يستطيع الطيار توجيه الطائرة بما يتجاوز هذه الحدود. ^{[ 11 ]}

نظام تعزيز الاستقرار (SAS) هو نوع آخر من أنظمة التحكم الآلي في الطيران؛ إلا أنه بدلاً من الحفاظ على الارتفاع أو مسار الطيران المطلوب للطائرة، يقوم هذا النظام بتحريك أسطح التحكم لتخفيف الحركات غير المقبولة. يعمل نظام تعزيز الاستقرار على تثبيت الطائرة تلقائيًا على محور واحد أو أكثر. النوع الأكثر شيوعًا من أنظمة تعزيز الاستقرار هو مخمد الانعراج ، والذي يُستخدم للحد من ميل الطائرات ذات الأجنحة المائلة للانقلاب. بعض مخمدات الانعراج جزء من نظام الطيار الآلي، بينما البعض الآخر أنظمة مستقلة. ^{[ 13 ]}

تستخدم مخمدات الانعراج مستشعرًا لرصد سرعة دوران الطائرة (إما جيروسكوب أو زوج من مقاييس التسارع)، ^{[ 14 ]} وجهاز كمبيوتر/مضخم إشارة، بالإضافة إلى مشغل. يكتشف المستشعر بداية انعراج الطائرة في حركة الالتفاف الهولندي. يقوم الكمبيوتر بمعالجة الإشارة الواردة من المستشعر لتحديد مقدار انحراف الدفة اللازم لتخميد الحركة. يُصدر الكمبيوتر إشارة للمشغل لتحريك الدفة في الاتجاه المعاكس للحركة، حيث يجب على الدفة مقاومة الحركة لتقليلها. وبذلك، يتم تخميد الالتفاف الهولندي، وتصبح الطائرة مستقرة حول محور الانعراج. ولأن الالتفاف الهولندي حالة عدم استقرار متأصلة في جميع الطائرات ذات الأجنحة المائلة، فإن معظم هذه الطائرات تحتاج إلى نوع من مخمدات الانعراج.

يوجد نوعان من مخمدات الانحراف: مخمد الانحراف التسلسلي ومخمد الانحراف المتوازي. ^{[ 15 ]} يقوم مشغل مخمد الانحراف المتوازي بتحريك الدفة بشكل مستقل عن دواسات الدفة الخاصة بالطيار، بينما يرتبط مشغل مخمد الانحراف التسلسلي بوحدة التحكم في الدفة، مما يؤدي إلى حركة الدواسات عند تحرك الدفة.

تحتوي بعض الطائرات على أنظمة تعزيز الاستقرار التي تعمل على تثبيت الطائرة في أكثر من محور. فعلى سبيل المثال، تتطلب طائرة بوينغ بي-52 نظامي تعزيز استقرار (SAS) في كل من الميلان والانعطاف ^{[ 16 ]} لتوفير منصة قصف مستقرة. كما تحتوي العديد من المروحيات على أنظمة تعزيز استقرار (SAS) في الميلان والدوران والانعطاف. تعمل أنظمة تعزيز استقرار الميلان والدوران بطريقة مشابهة لمخمد الانعطاف المذكور سابقًا؛ إلا أنها، بدلًا من تخميد الدوران الجانبي، تخمد تذبذبات الميلان والدوران لتحسين الاستقرار العام للطائرة.

تُصنّف عمليات الهبوط بمساعدة الأجهزة ضمن فئات من قبل منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO). وتعتمد هذه الفئات على مستوى الرؤية المطلوب ومدى إمكانية إجراء الهبوط تلقائيًا دون تدخل من الطيار.

• الفئة الأولى (CAT I ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع 200 قدم (61 مترًا) ومدى رؤية أمامي أو مدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 550 مترًا (1800 قدم) . ولا يُشترط وجود نظام طيار آلي. ^{[ 17 ]}  
• الفئة الثانية (CAT II ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع قرار يتراوح بين 61 مترًا (200 قدم) و 30 مترًا (100 قدم) ، وبمدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 300 متر (980 قدمًا) . وتخضع أنظمة الطيار الآلي لمتطلبات نظام الإنذار التلقائي في حالة الأعطال.   
• الفئة الثالثة أ (CAT IIIa ) - تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط على ارتفاع قرار منخفض يصل إلى 15 مترًا (50 قدمًا) ومدى رؤية على المدرج (RVR) يبلغ 200 متر (660 قدمًا) . وتتطلب هذه الفئة نظام طيار آلي سلبي في حالة الأعطال. ويجب ألا تتجاوز احتمالية الهبوط خارج المنطقة المحددة ^{10⁻⁶ .}  
• الفئة الثالثة ب - كما في الفئة الثالثة أ، ولكن مع إضافة ميزة الهبوط التلقائي بعد ملامسة الأرض، حيث يتولى الطيار التحكم على مسافة معينة من المدرج. تسمح هذه الفئة للطيارين بالهبوط بارتفاع قرار أقل من 15 مترًا (50 قدمًا) أو بدون ارتفاع قرار، مع رؤية أمامية تبلغ 76 مترًا (250 قدمًا) في أوروبا (76 مترًا، قارن هذا بحجم الطائرات، حيث يتجاوز طول بعضها الآن 70 مترًا (230 قدمًا) ) أو 91 مترًا (300 قدم) في الولايات المتحدة. للهبوط بدون مساعدة في اتخاذ القرار، يلزم وجود نظام طيار آلي يعمل في حالة الأعطال. تتطلب هذه الفئة نوعًا من أنظمة توجيه المدرج: على الأقل نظامًا سلبيًا في حالة الأعطال، ولكن يجب أن يكون نظامًا فعالًا في حالة الأعطال للهبوط بدون ارتفاع قرار أو لرؤية أمامية على المدرج أقل من 100 متر (330 قدمًا) .    
• الفئة CAT IIIc – مشابهة للفئة IIIb ولكن بدون حد أدنى لارتفاع القرار أو الرؤية، وتُعرف أيضاً باسم "الرؤية الصفرية". لم يتم تطبيقها بعد لأنها تتطلب من الطيارين السير على المدرج في حالة انعدام الرؤية. الطائرة القادرة على الهبوط في الفئة CAT IIIb والمجهزة بنظام الكبح التلقائي ستكون قادرة على التوقف تماماً على المدرج ولكنها لن تتمكن من السير على المدرج.

نظام الطيار الآلي السلبي في حالة الأعطال: في حالة حدوث عطل، تبقى الطائرة في وضع يمكن التحكم فيه، ويمكن للطيار تولي زمام الأمور للتحليق حول المدرج أو إتمام عملية الهبوط. وهو عادةً نظام ثنائي القنوات.

نظام الطيار الآلي في حالة التعطل: في حال حدوث عطل أسفل ارتفاع التنبيه، يمكن إكمال الاقتراب والتهدئة والهبوط تلقائيًا. وهو عادةً نظام ثلاثي القنوات أو نظام ثنائي القنوات.

في مجال النمذجة التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، وخاصة الطائرات والمروحيات التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، عادة ما يكون الطيار الآلي عبارة عن مجموعة من الأجهزة والبرامج الإضافية التي تتعامل مع برمجة طيران النموذج مسبقًا. ^{[ 18 ]}

جهاز توجيه الطيران هو أداة طيران تُعرض فوق مؤشر الوضعية ، وتُظهر لقائد الطائرة الوضعية المطلوبة لتنفيذ مسار الرحلة المرغوب. ورغم أن جهاز توجيه الطيران منفصل عن نظام الطيار الآلي، إلا أنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. فمع وجود خطة طيران مُبرمجة في حاسوب الطيران ، يُصدر جهاز توجيه الطيران أوامر الدوران عند الحاجة.

بدون جهاز توجيه الطيران، يقتصر الطيار الآلي على أوضاع أكثر أساسية، مثل الحفاظ على الارتفاع أو الاتجاه، أو الانعطاف إلى اتجاه جديد عند إصدار الأوامر من قبل الطيار.

عند استخدام الطيار الآلي وموجه الطيران معًا، يصبح من الممكن تطبيق أنماط طيران آلي أكثر تعقيدًا. يستطيع الطيار الآلي اتباع أوامر موجه الطيران، وبالتالي اتباع مسار خطة الطيران دون تدخل الطيار.

يُشار أحيانًا إلى نظام الطيار الآلي بشكل عامي باسم "جورج" ^{[ 19 ]} (مثلاً: "سندع جورج يقود الطائرة لبعض الوقت"؛ "جورج يقود الطائرة الآن" ). أصل هذا اللقب غير واضح: يزعم البعض أنه إشارة إلى المخترع الأمريكي جورج دي بيسون (1897-1965)، الذي حصل على براءة اختراع للطيار الآلي في ثلاثينيات القرن العشرين، بينما يزعم آخرون أن طياري سلاح الجو الملكي البريطاني هم من صاغوا هذا المصطلح خلال الحرب العالمية الثانية ليرمزوا إلى أن طائراتهم كانت ملكًا للملك جورج السادس من الناحية الفنية . ^{[ 20 ]}

• الاختصارات والمصطلحات في إلكترونيات الطيران
• الطائرات ذاتية القيادة
• نظام الطيار الآلي غير المنقطع

• "ما هي أقصى سرعة يمكنك الطيران بها بأمان؟"، يونيو 1933، مجلة Popular Mechanics، صفحة 858، صورة لجهاز الطيار الآلي من Sperry ورسم توضيحي لوظائفه الأساسية أثناء الطيران عند ضبطه.