Aviyonik
Aviyonik (İngilizce Avionics : Aviation Electronics) havacılıkta uçaklar, yapay uydular ve uzay araçlarının elektronik sistemleri için kullanılan terimdir. ⓘ
Aviyonik sistemleri arasında iletişim, navigasyon, birden fazla sistemin görüntü ve yönetimi ve bireysel işlevleri gerçekleştirmek için uçaklara takılan yüzlerce sistem sayılabilir. Bu sistemler bir polis helikopterinin arama spotu gibi basit bir sistemden havadan erken uyarı platformları gibi komplike sistemlere kadar çeşitlidir. ⓘ
Terim İngilizce havacılık anlamına gelen "aviation" ile elektronik anlamına gelen "electronics" kelimelerinden türetilmiştir. ⓘ
Tarihçe
"Aviyonik" terimi 1949 yılında Aviation Week & Space Technology dergisinin kıdemli editörü Philip J. Klass tarafından "havacılık elektroniği "nin kısaltılmışı olarak ortaya atılmıştır. ⓘ
Telsiz iletişimi ilk olarak Birinci Dünya Savaşı'ndan hemen önce uçaklarda kullanılmaya başlandı. Havadaki ilk telsizler zeplinlerdeydi, ancak ordu, havadan keşif yapan çift kanatlı uçakların vurulmaları durumunda gözlemlerini anında rapor edebilmeleri için havadan daha ağır araçlarla taşınabilen hafif telsiz setlerinin geliştirilmesine yol açtı. Bir uçaktan ilk deneysel radyo yayını Ağustos 1910'da ABD Donanması tarafından gerçekleştirilmiştir. İlk uçak telsizleri radyotelegrafi yoluyla iletim yapıyordu, bu nedenle iki kişilik uçaklarda ikinci bir mürettebatın Mors alfabesiyle mesajları hecelemek için bir telgraf tuşuna dokunması gerekiyordu. Birinci Dünya Savaşı sırasında, 1917'de triyot vakum tüpünün geliştirilmesiyle AM sesli çift yönlü radyo setleri mümkün hale geldi ve bu setler tek kişilik bir uçaktaki pilotun uçarken kullanabileceği kadar basitti. ⓘ
Günümüzde uçak navigasyonunda ve hava trafik kontrolünde kullanılan merkezi teknoloji olan radar, 1930'larda İkinci Dünya Savaşı öncesinde hava savunma sistemi olarak çeşitli ülkeler tarafından, çoğunlukla gizli olarak geliştirilmiştir. Birçok modern aviyoniğin kökeni İkinci Dünya Savaşı'ndaki gelişmelere dayanmaktadır. Örneğin, bugün yaygın olarak kullanılan otomatik pilot sistemleri, bombardıman uçaklarının yüksek irtifalardan hassas hedefleri vuracak kadar istikrarlı uçmalarına yardımcı olmak için özel sistemler olarak başladı. İngiltere'nin 1940 yılında radar teknolojisini, özellikle de magnetron vakum tüpünü, ünlü Tizard Görevi kapsamında müttefiki ABD ile paylaşma kararı savaşı önemli ölçüde kısaltmıştır. Modern aviyonikler askeri uçak harcamalarının önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. F-15E ve artık emekliye ayrılmış olan F-14 gibi uçakların bütçelerinin yaklaşık yüzde 20'si aviyoniklere harcanmaktadır. Modern helikopterlerin çoğunda bütçe aviyonikler lehine 60/40 oranında bölünmüş durumda. ⓘ
Sivil pazarda da aviyoniklerin maliyetinde bir artış görülmüştür. Uçuş kontrol sistemleri (fly-by-wire) ve daha dar hava sahalarının getirdiği yeni navigasyon ihtiyaçları, geliştirme maliyetlerini artırmıştır. En büyük değişiklik ise son dönemde tüketici uçuşlarında yaşanan patlama olmuştur. Daha fazla insan uçakları birincil ulaşım yöntemi olarak kullanmaya başladıkça, bu yüksek kısıtlayıcı hava sahalarında uçakları güvenli bir şekilde kontrol etmek için daha ayrıntılı yöntemler icat edilmiştir. ⓘ
Modern aviyonikler
Aviyonikler ABD Sivil Havacılık Kurumu Federal Aviation Administration'in (FAA) Next Generation Air Transportation System projesi ve Avrupa'nın Single European Sky ATM Research (SESAR) çalışması gibi modernizasyon girişimlerinde önemli bir rol oynamaktadır. ABD'de Ortak Planlama ve Geliştirme Dairesi (Joint Planning and Development Office) aviyonik için altı alanda bir yol haritası ortaya koymaktadır:
- Yayınlanmış rotalar ve prosedürler - Geliştirilmiş navigasyon ve yönlendirme
- Anlaşmalı Yörüngeler - Güncel olarak tercih edilen rotalar oluşturmak için veri iletişimi
- Devredilen ayırma – Havadaki ve yerdeki gelişmiş durumsal farkındalık
- Düşük görüş/Bulut tavanı-Yaklaşma/Kalkış – Daha az yer altyapısı ile hava kısıtlamalarına karşın operasyona devam edebilme
- Surface Operasyonları – Yaklaşma ve kalkış segmentlerinde güvenliğin artması
- ATM verimliliği – ATM işleminin geliştirilmesi ⓘ
1957 yılında kurulan "Aircraft Electronics Association (AEA)" (Havaaracı Elektronik Birliği) üyesi 1.300'den fazla firma vardır. Bunlar arasında bakım konusunda uzmanlaşmış hükümet sertifikalı uluslararası tamir istasyonlarından, genel havacılık uçaklarına aviyonik ve elektronik cihazların kurulum ve tamirini yapan firmalara kadar çeşitli kurumlar vardır. ⓘ
Pazar
Uçak Elektroniği Birliği, 2017'nin ilk üç çeyreğinde iş ve genel havacılık sektöründe 1,73 milyar dolarlık aviyonik satışı gerçekleştiğini ve bunun yıllık bazda %4,1'lik bir artış olduğunu bildirdi: Satışların %73,5'i Kuzey Amerika'dan gelirken, %42,3'ünü forward-fit, %57,7'sini ise ABD'nin zorunlu ADS-B out için son tarih olan 1 Ocak 2020 yaklaşırken yapılan retrofitler oluşturdu. ⓘ
Uçak aviyonikleri
Bir uçağın kokpiti, kontrol, izleme, iletişim, navigasyon, hava durumu ve çarpışma önleme sistemleri dahil olmak üzere aviyonik ekipman için tipik bir yerdir. Uçakların büyük çoğunluğu aviyoniklerini 14 veya 28 volt DC elektrik sistemleri kullanarak çalıştırır; ancak daha büyük, daha sofistike uçaklarda (uçaklar veya askeri savaş uçakları gibi) 400 Hz, 115 volt AC ile çalışan AC sistemleri bulunur. Panasonic Avionics Corporation, Honeywell (şimdi Bendix/King'in sahibi), Universal Avionics Systems Corporation, Rockwell Collins (şimdi Collins Aerospace), Thales Group, GE Aviation Systems, Garmin, Raytheon, Parker Hannifin, UTC Aerospace Systems (şimdi Collins Aerospace), Selex ES (şimdi Leonardo S.p.A.), Shadin Avionics ve Avidyne Corporation dahil olmak üzere birkaç büyük uçuş aviyoniği satıcısı vardır. ⓘ
Aviyonik ekipman için uluslararası standartlar Havayolları Elektronik Mühendisliği Komitesi (AEEC) tarafından hazırlanır ve ARINC tarafından yayınlanır. ⓘ
İletişim
Uçaklarda iletişim uçuş ekibinin yer istasyonları ile uçuş ekiplerinin kendi arasında ve yolcular ile iletişimini sağlayan sistemlerdir. Uçak içi iletişim "public address"in kısaltması olan PA sistemleri ve uçuş ekibinin kendi arasında iletişini sağlayan "intercom"lar ile sağlanır. ⓘ
Havacılıkta VHF iletişim sistemleri 118.000 MHz ile 136.975 MHz frekans aralığında çalışır. Her kanal Avrupa'da 8.33 kHz aralıklarla, diğer bölgelerde 25 kHz aralıklarla dağıtılmıştır. VHF uçaktan uçağa iletişim ve uçaktan ATC ünitesine iletişimde kullanılabilir. Uçaklarda iletişimde amplitude modulation (AM) modülasyon türü de kullanılır. Ayrıca (özellikle okyanus ötesi uçuşlarda) yüksek frekans (HF) veya uydu iletişimi de kullanılır. ⓘ
Hava seyrüseferi, Dünya yüzeyinde veya üzerinde konum ve yönün belirlenmesidir. Aviyonikler uydu navigasyon sistemlerini (GPS ve WAAS gibi), ataletsel navigasyon sistemini (INS), yer tabanlı radyo navigasyon sistemlerini (VOR veya LORAN gibi) veya bunların herhangi bir kombinasyonunu kullanabilir. GPS gibi bazı navigasyon sistemleri konumu otomatik olarak hesaplar ve uçuş ekibine hareketli harita ekranlarında gösterir. VOR veya LORAN gibi eski yer tabanlı Navigasyon sistemleri, bir pilotun veya navigatörün bir uçağın konumunu belirlemek için sinyallerin kesişimini kağıt bir harita üzerinde çizmesini gerektirir; modern sistemler konumu otomatik olarak hesaplar ve uçuş ekibine hareketli harita ekranlarında gösterir. ⓘ
İzleme
Modern uçaklarda kullanılan glass kokpite dönüşün ilk ipuçları 1970'lerde elektromekanik aletler, göstergeler ve enstrümanların uçağa uygun cathode ray tube (CRT) ekranlara dönüşümü ile ortaya çıktı. “Glass” kokpit (Cam kokpit) anlamı analog göstergeler ve aletler yerine bilgisayar monitörlerinin kullanımından gelir. Uçakların bu sisteme geçişiyle pilotların uçuşu daha hakim bir şekilde takip etmesi, aynı bilginin daha kompakt akışı ve daha etkin gösterimi sağlandı. 1970'lerde, ortalama bir uçak 100'den fazla kokpit enstrümanı ve kontrolüne sahipti. ⓘ
Glass kokpitler 1985 yılında Gulfstream G‑IV özel jeti ile ilk kez kullanılmaya başladı. Bu tür kokpit enstrümanlarında en önemli konulardan biri; ne kadar bilginin otomasyona bağlanması ve ne kadarının pilotun manuel kontrolünde olmasının dengelenmesidir. Genel olarak, sistemler geliştikçe uçuş operasyonunu otomasyona bağlarken, pilotu sürekli olarak bilgilendirmeye yönelik şekilde dizayn edilir. ⓘ
Uçak uçuş kontrol sistemi
Uçakların uçuşu otomatik olarak kontrol etme araçları vardır. Otopilot ilk olarak I. Dünya Savaşı sırasında Lawrence Sperry tarafından bombardıman uçaklarını 25.000 fitten isabetli hedefleri vuracak kadar sabit uçurmak için icat edilmiştir. ABD ordusu tarafından ilk kez kullanılmaya başlandığında, bir Honeywell mühendisi acil durumlarda otomatik pilotun bağlantısını kesmek için arka koltukta cıvata kesicilerle oturuyordu. Günümüzde çoğu ticari uçak, iniş veya kalkışta pilot hatasını ve iş yükünü azaltmak amacıyla uçak uçuş kontrol sistemleriyle donatılmıştır. ⓘ
İlk basit ticari otomatik pilotlar yön ve irtifayı kontrol etmek için kullanılıyordu ve itiş gücü ve uçuş kontrol yüzeyleri gibi konularda sınırlı yetkiye sahipti. Helikopterlerde de otomatik stabilizasyon benzer bir şekilde kullanılmıştır. İlk sistemler elektromekanikti. Geleneksel hidrolik yerine fly-by-wire ve elektro-aktüatörlü uçuş yüzeylerinin ortaya çıkması güvenliği artırmıştır. Göstergeler ve aletlerde olduğu gibi, elektromekanik olan kritik cihazların da sınırlı bir ömrü vardı. Güvenlik açısından kritik sistemlerde yazılım çok sıkı bir şekilde test edilir. ⓘ
Yakıt Sistemleri
Yakıt Miktarı Gösterge Sistemi (FQIS) gemideki yakıt miktarını izler. Kapasitans tüpleri, sıcaklık sensörleri, dansitometreler ve seviye sensörleri gibi çeşitli sensörleri kullanan FQIS bilgisayarı gemide kalan yakıtın kütlesini hesaplar. ⓘ
Yakıt Kontrol ve İzleme Sistemi (FCMS) gemide kalan yakıtı benzer şekilde rapor eder, ancak pompaları ve valfleri kontrol ederek çeşitli tanklar arasındaki yakıt transferlerini de yönetir. ⓘ
- Belirli bir toplam yakıt kütlesine yükleme yapmak ve bunu otomatik olarak dağıtmak için yakıt ikmali kontrolü.
- Uçuş sırasında motorları besleyen tanklara transferler. Örneğin gövdeden kanat tanklarına
- Ağırlık merkezi kontrolü, yakıt harcandıkça kuyruk (trim) tanklarından kanatlara doğru aktarılır
- Yakıtın kanat uçlarında tutulması (uçuş sırasında kaldırma nedeniyle kanatların bükülmesini önlemeye yardımcı olmak için) ve inişten sonra ana tanklara aktarılması
- Acil bir durumda uçağın ağırlığını azaltmak için yakıt boşaltımının kontrol edilmesi. ⓘ
Çarpışma önleme sistemleri
Hava trafik kontrolünü desteklemek amacıyla, büyük nakliye uçaklarının çoğu ve daha küçük uçakların çoğu, yakındaki uçakların konumunu tespit edebilen ve havada çarpışmadan kaçınmak için talimatlar sağlayan bir trafik uyarı ve çarpışma önleme sistemi (TCAS) kullanmaktadır. Daha küçük uçaklar, pasif olan (diğer uçakların transponderlerini aktif olarak sorgulamazlar) ve çatışmanın çözümü için tavsiyeler sağlamayan TPAS gibi daha basit trafik uyarı sistemleri kullanabilir. ⓘ
Araziye kontrollü uçuştan (CFIT) kaçınmaya yardımcı olmak için uçaklar, radar altimetrelerini temel bir unsur olarak kullanan yere yakınlık uyarı sistemleri (GPWS) gibi sistemler kullanmaktadır. GPWS'nin en büyük zayıflıklarından biri "ileriye bakış" bilgisinin eksikliğidir, çünkü yalnızca araziden "aşağıya bakış" irtifası sağlar. Bu zayıflığın üstesinden gelmek için modern uçaklar bir arazi farkındalık uyarı sistemi (TAWS) kullanmaktadır. ⓘ
Uçuş kayıt cihazları
Genellikle "kara kutular" olarak bilinen ticari uçak kokpit veri kayıt cihazları, kokpitten gelen uçuş bilgilerini ve sesleri depolar. Bunlar genellikle bir kazadan sonra olay sırasındaki kontrol ayarlarını ve diğer parametreleri belirlemek için bir uçaktan kurtarılır. ⓘ
Hava durumu sistemleri
Meteoroloji radarı (tipik olarak ticari uçaklarda Arinc 708) ve yıldırım dedektörleri gibi hava durumu sistemleri, pilotların önlerindeki hava durumunu görmelerinin mümkün olmadığı gece veya aletli meteorolojik koşullarda uçan uçaklar için önemlidir. Şiddetli yağış (radar tarafından algılanan) veya şiddetli türbülans (yıldırım aktivitesi tarafından algılanan) hem güçlü konvektif aktivitenin hem de şiddetli türbülansın göstergeleridir ve hava sistemleri pilotların bu alanların etrafından sapmasına izin verir. ⓘ
Stormscope veya Strikefinder gibi yıldırım dedektörleri hafif uçaklar için pratik olacak kadar ucuz hale gelmiştir. Radar ve yıldırım tespitine ek olarak, gözlemler ve genişletilmiş radar görüntüleri (NEXRAD gibi) artık uydu veri bağlantıları aracılığıyla elde edilebilmekte ve pilotların kendi uçuş sistemlerinin menzilinin çok ötesindeki hava koşullarını görmelerine olanak sağlamaktadır. Modern ekranlar hava durumu bilgilerinin hareketli haritalar, arazi ve trafikle tek bir ekrana entegre edilmesini sağlayarak seyrüseferi büyük ölçüde kolaylaştırmaktadır. ⓘ
Modern hava durumu sistemleri aynı zamanda rüzgar kesmesi ve türbülans tespiti ile arazi ve trafik uyarı sistemlerini de içerir. Uçak içi hava durumu aviyonikleri özellikle Afrika, Hindistan ve hava yolculuğunun büyüyen bir pazar olduğu, ancak yer desteğinin o kadar iyi gelişmediği diğer ülkelerde popülerdir. ⓘ
Uçak yönetim sistemleri
Motor izleme ve yönetimi de dahil olmak üzere uçaklara takılan çok sayıda karmaşık sistemin merkezi kontrolüne doğru bir ilerleme kaydedilmiştir. Sağlık ve kullanım izleme sistemleri (HUMS), bakımcılara değiştirilmesi gereken parçalar konusunda erken uyarılar vermek üzere hava aracı yönetim bilgisayarlarıyla entegre edilmiştir. ⓘ
Entegre modüler aviyonik konsepti, ortak donanım modüllerinden oluşan bir grupta taşınabilir uygulama yazılımına sahip entegre bir mimari önermektedir. Dördüncü nesil jet avcı uçaklarında ve en yeni nesil uçaklarda kullanılmıştır. ⓘ
Görev veya taktik aviyonikleri
Askeri uçaklar ya bir silah taşımak ya da diğer silah sistemlerinin gözü ve kulağı olmak üzere tasarlanmıştır. Ordunun elindeki geniş sensör yelpazesi, gerekli olan taktiksel araçlar için kullanılmaktadır. Uçak yönetiminde olduğu gibi, daha büyük sensör platformları (E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1 gibi) görev yönetim bilgisayarlarına sahiptir. ⓘ
Polis ve EMS uçakları da sofistike taktik sensörler taşımaktadır. ⓘ
Askeri iletişim
Hava aracı haberleşmesi güvenli uçuş için omurga sağlarken, taktik sistemler savaş alanının zorluklarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. UHF, VHF Taktik (30-88 MHz) ve SatCom sistemleri ECCM yöntemleri ve kriptografi ile birlikte haberleşmeyi güvence altına alır. Link 11, 16, 22 ve BOWMAN, JTRS ve hatta TETRA gibi veri bağlantıları veri (görüntüler, hedefleme bilgileri vb.) iletimi için araçlar sağlar. ⓘ
Radar
Hava radarı ilk taktik sensörlerden biriydi. Yüksekliğin menzil sağlama avantajı, havadan radar teknolojilerine önemli ölçüde odaklanılması anlamına gelmiştir. Radarlar arasında havadan erken uyarı (AEW), denizaltı savunma harbi (ASW) ve hatta meteoroloji radarı (Arinc 708) ve yer izleme/yakınlık radarı bulunmaktadır. ⓘ
Ordu, pilotların alçak seviyelerde uçmalarına yardımcı olmak için hızlı jetlerde radar kullanmaktadır. Sivil pazarda bir süredir hava durumu radarı olsa da, uçağı yönlendirmek için kullanılması konusunda katı kurallar vardır. ⓘ
Sonar
Bir dizi askeri helikoptere takılan daldırma sonarı, helikopterin nakliye varlıklarını denizaltılardan veya yüzey tehditlerinden korumasını sağlar. Deniz destek uçakları aktif ve pasif sonar cihazları (sonobuoylar) atabilir ve bunlar düşman denizaltılarının yerini belirlemek için de kullanılır. ⓘ
Elektro-optik
Elektro-optik sistemler baş üstü göstergesi (HUD), ileriye bakan kızılötesi (FLIR), kızılötesi arama ve izleme ve diğer pasif kızılötesi cihazlar (Pasif kızılötesi sensör) gibi cihazları içerir. Bunların hepsi uçuş ekibine görüntü ve bilgi sağlamak için kullanılır. Bu görüntüler arama ve kurtarmadan seyrüsefer yardımcılarına ve hedef tespitine kadar her şey için kullanılır. ⓘ
ESM/DAS
Elektronik destek tedbirleri ve savunma yardım sistemleri, tehditler veya olası tehditler hakkında bilgi toplamak için yaygın olarak kullanılır. Uçağa yönelik doğrudan tehditlere karşı koymak için cihazları (bazı durumlarda otomatik olarak) fırlatmak için kullanılabilirler. Ayrıca bir tehdidin durumunu belirlemek ve onu tanımlamak için de kullanılırlar. ⓘ
Hava aracı ağları
Askeri, ticari ve gelişmiş sivil uçak modellerindeki aviyonik sistemler bir aviyonik veri tabanı kullanılarak birbirine bağlanır. Yaygın aviyonik databus protokolleri, birincil uygulamaları ile birlikte şunları içerir:
- Uçak Veri Ağı (ADN): Ticari Uçaklar için Ethernet türevi
- Aviyonik Tam Çift Yönlü Anahtarlamalı Ethernet (AFDX): Ticari Uçaklar için ARINC 664'ün (ADN) özel uygulaması
- ARINC 429: Özel ve Ticari Uçaklar için Genel Orta Hızlı Veri Paylaşımı
- ARINC 664: Yukarıdaki ADN'ye bakınız
- ARINC 629: Ticari Uçaklar (Boeing 777)
- ARINC 708: Ticari Uçaklar için Hava Radarı
- ARINC 717: Ticari Uçaklar için Uçuş Veri Kaydedici
- ARINC 825: Ticari uçaklar için CAN veri yolu (örneğin Boeing 787 ve Airbus A350)
- Ticari Standart Dijital Veri Yolu
- IEEE 1394b: Askeri Uçaklar
- MIL-STD-1553: Askeri Uçaklar
- MIL-STD-1760: Askeri Uçaklar
- TTP - Zaman Tetiklemeli Protokol: Boeing 787, Airbus A380, Parker Aerospace'ten Fly-By-Wire Aktüasyon Platformları ⓘ