Làdowanie bez steru

Sieci neuronowe pomagajà skutecznie pilotowaç powa˝nie uszkodzone samoloty.

MIKE CORDER

Technika i my

TOM TROWNER

NA

S

A

Ames R

esear

ch Center

Gdy 19 lipca 1989 roku DC-10 linii United
Airlines, lot nr 232, krà˝y∏ nad stanem
Iowa, rozpad∏a si´ tarcza wentylatora
jego tylnego silnika i jej fragmenty po-
rozcina∏y wszystkie trzy linie zasilania
hydraulicznego samolotu. Poniewa˝ pi-
lot nie móg∏ uruchomiç ˝adnego z p∏a-
tów sterowania – ani lotek na skrzyd∏ach,
ani sterów wysokoÊci i kie-
runku na ogonie – katastrofa
by∏a nieunikniona. Mimo
to, dzi´ki precyzyjnej regu-
lacji mocy dwóch pozosta-
∏ych silników, za∏odze uda∏o
si´ doprowadziç samolot do
lotniska w Sioux City i choç
si´ przewróci∏, a po uderze-
niu w pas zapali∏, prze˝y∏o
184 spoÊród 296 osób znaj-
dujàcych si´ na pok∏adzie.
Piloci pokazali, ˝e da si´ ste-
rowaç wspó∏czesnym samo-
lotem liniowym wy∏àcznie za
pomocà silników.

Wydarzenie to sk∏oni∏o

pewnych pomys∏owych in˝y-
nierów do sprawdzenia, czy
mo˝liwe jest zaprogramowa-
nie sterujàcych lotem kom-
puterów tak, aby za∏odze
∏atwiej by∏o làdowaç powa˝-
nie uszkodzonym samolo-
tem. Prowadzone przez ostatnie 15 lat
badania zaowocowa∏y opracowaniem
techniki, która ju˝ wkrótce mo˝e zna-
leêç zastosowanie w cywilnych i wojsko-
wych samolotach. Aby oceniç, czy te
komputerowe systemy sterowania lotem
sà rzeczywiÊcie tak dobre, postanowi-
∏em sprawdziç, czy umo˝liwià one nie-
zbyt doÊwiadczonemu pilotowi, jakim
jestem, bezpieczne pilotowanie uszko-
dzonego samolotu odrzutowego.

Ale najpierw krótkie wprowadzenie. W

pierwszych samolotach drà˝ek sterujàcy
i peda∏y orczyka by∏y bezpoÊrednio po∏à-
czone z p∏atami (powierzchniami) steru-
jàcymi za pomocà linek, drà˝ków i kabli.
Jednak w miar´ jak samoloty stawa∏y si´

szybsze i wi´ksze, piloci mieli coraz wi´k-
sze trudnoÊci z poruszaniem drà˝ka ste-
rowego. Wtedy in˝ynierowie wprowadzi-
li „wzmocnienie sterowania”, w∏àczajàc
linki i drà˝ki do hydraulicznych uk∏adów
serwonadà˝nych, zwi´kszajàcych si∏´ wy-
wieranà przez pilota. Póêniej, z nasta-
niem ery komputerów, opracowali syste-

my sterowania, w których ruchy drà˝ka
sterowego sà przetwarzane na dane wej-
Êciowe dla komputera. Systemy te, zwa-
ne fly-by-wire, mogà znacznie poprawiç
osiàgi samolotu. Na przyk∏ad myÊliwiec
odrzutowy, który dobrze lata, gdy jest lek-
ko obcià˝ony, radzi sobie gorzej, gdy pod
skrzyd∏ami ma bomby. Dzi´ki komputero-
wi w uk∏adzie sprz´˝enia zwrotnego za-
sady sterowania mo˝na zmodyfikowaç
tak, aby maszyna zachowywa∏a si´ bar-
dziej konsekwentnie. Fly-by-wire pozwa-
la równie˝ stworzyç zabezpieczenia: je-
Êli pilot próbuje zrobiç coÊ, co mog∏oby
spowodowaç rozpadni´cie si´ samolotu
lub jego niebezpieczne zbli˝enie si´ do
ziemi, komputer mo˝e zignorowaç dys-

pozycje cz∏owieka i poprowadziç maszy-
n´ tylko do granicy obszaru bezpieczne-
go latania.

Wkrótce po wypadku w Iowa Frank

W. (Bill) Burcham junior, wtedy g∏ówny
specjalista od nap´dów w Dryden Flight
Research Center nale˝àcym do NASA i
znajdujàcym si´ w bazie Edwards w Ka-

lifornii, rozpoczà∏ prace rozwojowe nad
oprogramowaniem umo˝liwiajàcym sil-
nikom odrzutowym kompensowanie
uszkodzeƒ powierzchni sterujàcych sa-
molotu. Poczàtkowo badania te uzna-
wano za zbyt nowatorskie i nie przy-
znano na nie funduszy, jednak kilku
in˝ynierów w Dryden poÊwi´ci∏o na nie
wolny czas. Projekt, nazwany póêniej
Propulsion Controlled Aircraft (PCA
– samolot sterowany nap´dem), ostatecz-
nie uzyska∏ niewielki zastrzyk finanso-
wy i zosta∏ zatwierdzony do prób na sa-
molocie odrzutowym MD-11. 29 sierpnia
1995 roku w bazie lotnictwa wojskowe-
go w Edwards zespó∏ PCA ∏agodnie wylà-
dowa∏, u˝ywajàc do manewrowania tyl-

24

ÂWIAT NAUKI PAèDZIERNIK 2004

INTELIGENTNE STEROWANIE

lotem

sprawdza si´ w kokpicie (z lewej)
symulatora (powy˝ej) w NASA Ames
Research Center w Kalifornii.

JIM ROSS

NA

S

A

Dr

yden Flight R

esear

ch Center

ko sterowanych kom-
puterem silników. We-
d∏ug in˝ynierów NASA
uda∏o si´ wykazaç, ˝e
bezpieczeƒstwo samo-
lotu mo˝na znacznie
zwi´kszyç przez zmia-
ny oprogramowania sa-
molotu. Niestety, ˝aden
z producentów samolo-
tów nie zdecydowa∏ si´
na wykorzystanie tej
techniki.

Kilka lat póêniej ba-

dacze z grupy Intel-
ligent Flight Control
(IFC) w oÊrodku NASA,
Ames Research Center w Mountain View
w Kalifornii, kontynuowali prac´ zespo-
∏u PCA, opracowujàc system pozwalajà-
cy sterowanym komputerem silnikom
uszkodzonego samolotu wspó∏pracowaç
z powierzchniami sterujàcymi, które
jeszcze funkcjonujà. Jego dzia∏anie opie-
ra si´ na sieciach neuronowych, które
naÊladujà ludzki mózg i uczà si´ na
podstawie doÊwiadczeƒ – u˝ywane po-
∏àczenia sieciowe sà wzmacniane, nie-
u˝ywane s∏abnà. Sieci neuronowe syste-
mu IFC sprawdzajà, czy samolot leci tak,
jak powinien. Ró˝nice mi´dzy rzeczywi-
stym lotem a wytyczonym mogà byç spo-
wodowane niedok∏adnoÊciami modelu
odniesienia, zwyk∏ym zu˝yciem maszy-
ny lub uszkodzeniem konstrukcji. Sie-
ci neuronowe monitorujà rozbie˝noÊci i
starajà si´ je zmniejszaç.

JeÊli na przyk∏ad chcemy, aby nieusz-

kodzony samolot si´ wznosi∏, przesuwa-
my drà˝ek sterowy do ty∏u, co odpowied-
nio ustawia ster wysokoÊci. Ale jeÊli ten
ster nie dzia∏a, system IFC, aby podnieÊç
nos samolotu, unosi obie lotki. (Nor-
malnie lotki poruszajà si´ asymetrycz-
nie – gdy jedna si´ podnosi, druga opa-
da). JeÊli ten manewr nie skoryguje b∏´du
lub zostanie osiàgni´ta granica bezpie-
czeƒstwa, po której przekroczeniu sa-
molotowi grozi obrót, to aby uzyskaç po-
˝àdany kàt wznoszenia, system IFC
zmieni ciàg silników.

Badacze z Ames sprawdzali swój sys-

tem, zapraszajàc pilotów linii lotniczych
oraz pilotów doÊwiadczalnych NASA do
laboratoryjnego symulatora. Najpierw
testujàcy kierowali symulowanym samo-
lotem w normalnych warunkach. Na-
st´pnie badacze aran˝owali ró˝ne uster-
ki i obserwowali, jak piloci reagujà,

u˝ywajàc ró˝nych typów systemów ste-
rujàcych. W ka˝dym prawie przypadku
system IFC sprawdza∏ si´ lepiej ni˝
konwencjonalny fly-by-wire. Kiedy in-
˝ynierowie symulowali uszkodzenie
wszystkich urzàdzeƒ sterujàcych w ogo-
nie samolotu, tylko po∏owie pilotów
korzystujàcych z systemu fly-by-wire
uda∏o si´ bezpiecznie wylàdowaç, z u˝y-
ciem IFC wylàdowali wszyscy. Jak si´
lata samolotem wyposa˝onym w sieci
neuronowe? Na zaproszenie Karen Gun-
dy-Burlet, kierownika grupy IFC, sp´-
dzi∏em kilka godzin w jej laboratorium,
poznajàc dzia∏anie systemu. Nie jestem
zawodowym pilotem i nie mam doÊwiad-
czenia w lataniu du˝ymi maszynami.
Symulator IFC ustawiono tak, aby imi-
towa∏ bardzo du˝y samolot – czterosil-
nikowy odrzutowiec transportowy C-17
si∏ powietrznych USA. Symulator ma du-
˝y panoramiczny ekran, na którym jest
wyÊwietlany zmieniajàcy si´ krajobraz,
oraz szklany kokpit z kolorowymi wy-
Êwietlaczami zamiast tradycyjnych
wskaêników.

Gundy-Burlet ustawi∏a symulator na

20 kilometrze od lotniska w San Fran-
cisco i pozwoli∏a na prób´ làdowania
sprawnym samolotem. Don Bryant, eme-
rytowany pilot myÊliwca amerykaƒskie-
go lotnictwa morskiego, by∏ na tyle
uprzejmy, ˝e nie Êmia∏ si´ otwarcie z mo-
ich niezdarnych prób pilota˝u. Najwi´k-
szy problem sprawia∏a mi szklana tabli-
ca przyrzàdów pok∏adowych – tablice
takie dopiero od niedawna instaluje si´
w samolotach prywatnych. Wi´cej czasu
zaj´∏o mi szukanie na wyÊwietlaczu tak
oczywistych parametrów lotu, jak pr´d-
koÊç i wysokoÊç, ni˝ efektywne piloto-
wanie. Mimo to nabra∏em pewnego po-

j´cia, jak lata nieuszko-
dzony samolot.

Wtedy Gundy-Burlet

przestawi∏a symulator do
punktu wyjÊcia i powie-
dzia∏a: „Przykro mi, ka-
pitanie, ale straci∏ pan
wszystkie powierzchnie
sterujàce na ogonie”. Nie
dzia∏a∏y obydwa stery wy-
sokoÊci i kierunku, co
prawdopodobnie dla pi-
lota amatora oznacza-

∏oby w realnym Êwiecie
wyrok Êmierci. Tymcza-
sem ku mojemu zaskocze-
niu symulowany samolot

okaza∏ si´ ca∏kiem sterowalny. Wyko-
na∏em kilka ∏agodnych zakr´tów, aby
„poczuç” maszyn´, stara∏em si´ jednak
nie zboczyç zanadto z kursu. Uszkodzony
samolot wolno reagowa∏, ale gdy spowol-
ni∏em sterowanie, zaczà∏ si´ zachowy-
waç bardziej naturalnie. Zmian´ na
korzyÊç niewàtpliwie u∏atwi∏y sieci neu-
ronowe, które uczy∏y si´ kompensowaç
uszkodzenie samolotu. W miar´ jak przy-
stosowywa∏y si´ do nowych warun-
ków, samolot stawa∏ si´ coraz ∏atwiejszy
w sterowaniu. I chocia˝ odchyla∏ si´ od
pasa startowego, w ciàgu kilku minut
uda∏o mi si´ bezpiecznie wylàdowaç.

Nie mia∏em przy tym wra˝enia, ˝e do-

konuj´ czegoÊ niemo˝liwego. Dopiero
póêniej dotar∏a do mnie waga tego udo-
godnienia. Pilot amator, który nigdy nie
siedzia∏ za sterami du˝ego samolotu,
zdo∏a∏ posadziç na pasie, nikogo przy
tym nie zabijajàc (przynajmniej podczas
symulacji), czterosilnikowy, powa˝nie
uszkodzony odrzutowiec.

Jak szybko ta technika ma szans´ zo-

staç wdro˝ona? Badacze NASA planu-
jà sprawdzaç system IFC w locie na od-
rzutowych myÊliwcach F-15 oraz na
transportowcach C-17 w ciàgu najbli˝-
szych dwóch lat. Najprawdopodobniej
pierwszymi, którzy zaadaptujà system,
b´dà producenci samolotów wojsko-
wych. Sterowanie lotem z kompensacjà
uszkodzeƒ powinno byç szczególnie u˝y-
teczne dla pilotów latajàcych samolota-
mi, do których od czasu do czasu ktoÊ
strzela.

n

Mike Corder jest niezale˝nym dziennika-
rzem w Santa Cruz w Kalifornii, a w wol-
nym czasie buduje samolot Van’s Aircraft
RV-7A.

PIERWSZE PRÓBY

systemu inteligentnego sterowania lotem sà prowadzone na

zmodyfikowanym myÊliwcu odrzutowym F-15 w Bazie Si∏ Lotniczych w Edwards.

PAèDZIERNIK ÂWIAT NAUKI

25