Systeme von Turbofan-Triebwerken: Funktionen der Triebwerkssysteme von Verkehrsflugzeugen

Von Andreas Linke-Diesinger

Um das Funktionsprinzip von Turbinentriebwerken zu verstehen, reicht es nicht aus, das grundsätzliche Funktionsprinzip einer Gasturbine zu kennen. Es ist ebenfalls erforderlich, die Funktionen und den Aufbau der Triebwerkssysteme zu verstehen. Dieses Buch bietet eine Einführung in die Systemfunktionen von modernen Turbofan-Triebwerken. Es ist für Leser geschrieben, die mit dem Funktionsprinzip des Turbinentriebwerks vertraut sind und sich grundlegend mit den Funktionen der Triebwerkssysteme befassen wollen. Mit Hilfe dieses Buches erhält der Leser auch eine Orientierung in dem scheinbaren Gewirr von Rohrleitungen, Schläuchen, Kabeln und Systembauteilen an einem Turbofan-Triebwerk.

In diesem Buch findet der Leser Informationen über den Betrieb der Triebwerkssysteme, die Aufgaben ihrer Komponenten und die in der Luftfahrtindustrie übliche Terminologie. Die englischen Begriffe werden ebenfalls genannt oder auch im Text verwendet, wenn dies sinnvoll ist. Die Triebwerkssysteme werden anhand von Beispielen erklärt, die von heute in Verwendung befindlichen Triebwerkstypen verschiedener Hersteller stammen. Dieses Buch ist eine nützliche Informationsquelle für Mechaniker und Ingenieurs-Studenten. Auch Flugschüler in der Berufspilotenausbildung finden hier Informationen, die das in ihrer Ausbildung vermittelte Wissen erweitern. Selbst für Leser ohne Ingenieursausbildung und für solche, die sich nicht beruflich mit der Materie befassen, bietet das Buch umfassende und leicht verständliche Informationen. Es hilft ihnen, die Funktionsprinzipien der Systeme von Turbofan-Triebwerken zu verstehen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 13. Okt. 2014
• ISBN: 9783662445709

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

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1. Einleitung

Andreas Linke-Diesinger¹  

(1)

Hamburg, Deutschland

Andreas Linke-Diesinger

Email: [e-mail]

1.1 Allgemeines zu Triebwerkssystemen

1.2 Digitaltechnik in Flugzeugsystemen

1.3 Die Verbindung Flugzeug-Triebwerk (Aircraft-Engine Interface)

1.4 Wärmemanagement (Thermal Management)

1.5 Beispiel-Triebwerke

1.6 Definitionen und Begriffe

Literatur

Es gibt diverse Bücher, in denen beschrieben ist, wie Turbinentriebwerke grundsätzlich funktionieren. Dort wird die Thermodynamik, die Aerodynamik und das mechanische Design der Hauptbaugruppen erklärt. Die dort beschriebenen Design-Philosophien werden mit leichten Veränderungen (z. B. Geared Turbofan) auch in Zukunft Anwendung finden. In diesem Buch sollen diese Informationen nicht ein wiederholtes Mal dargestellt werden. Es wird vorausgesetzt, dass der Leser ein Grundverständnis von den Funktionen der Hauptbaugruppen eines Turbinentriebwerks hat.

Die wichtigsten Bücher über Strahltriebwerke behandeln die Systeme des Triebwerks nur sehr am Rande. Dieser Themenbereich wird darin nur unzureichend oder gar nicht beschrieben. Um zu verstehen, wie ein Flugzeugtriebwerk funktioniert, reicht es nicht aus zu verstehen, wie die Hauptbaugruppen funktionieren. Es ist außerdem wichtig zu wissen, wie die Triebwerkssysteme arbeiten. Dieses Buch soll den Leser mit dem Aufbau und der Funktion der Systeme, die an üblichen Turbofan-Triebwerken verwendet werden, grundsätzlich vertraut machen. Im Design der Systeme und den Funktionen, welche die Systeme wahrnehmen, zeigt sich auch der Einfluss neuer Technologien. Die Systeme, in denen neue Technologien Anwendung finden, sind ein bedeutender Faktor für den zuverlässigen und wirtschaftlich rentablen Betrieb moderner Turbofan-Triebwerke.

Mit diesem Buch wird die Absicht verfolgt, eine Einführung in die Systeme moderner, kommerziell genutzter Turbofan-Triebwerke zu geben. Diese Systeme zeigen im Vergleich zu älteren Systemdesigns deutliche Fortschritte bei Zuverlässigkeit und Wartbarkeit. Die Einführung in die Systeme geschieht durch die Betrachtung der Systeme von Turbofan-Triebwerken, die heute zum Antrieb von großen Verkehrsflugzeugen verwendet werden. Da die Hersteller mit den Systemauslegungen hier erfolgreich sind, werden diese auch bei kleineren Turbofan-Triebwerken für Regional- und Business-Jets angewendet.

Die Betrachtung bezieht sich auf die Primärsysteme , die für Versorgung, Regelung und Betrieb des Basis-Motors benötigt werden. Die Versorgungssysteme (Stromerzeugung, Druckluftversorgung, Hydraulikdruckerzeugung) werden nur dort betrachtet, wo sie den Betrieb des Triebwerks beeinflussen.

Allgemein gesprochen wird ein Einblick in den Aufbau und Betrieb der Systeme gegeben, sowie ein Verständnis für die funktionalen Zusammenhänge der Systeme untereinander gegeben. Hier sollen keine Verfahren zur Systemauslegung oder Systembewertung vorgestellt werden. Um sich mit einem bestimmten Triebwerks-Typ und dessen Systemen vertraut zu machen, ist es zusätzlich notwendig, die Beschreibungen des Herstellers für den jeweiligen Typ zu studieren.

1.1 Allgemeines zu Triebwerkssystemen

Die Hauptbaugruppen eines Turbofan-Triebwerks ändern den Zustand des Gasstromes in der Reihenfolge des thermodynamischen Kreisprozesses. Heute verwendete Triebwerke sind modular aufgebaut, d. h. sie werden aus montierten, funktionsfähigen Baugruppen (den Module n) zusammengebaut. Jede Hauptbaugruppe ist in dieser Bauweise als Modul aufgebaut. Mehrere Module werden oft zu einem Hauptmodul (major module) zusammengefasst. Ein typisches 2-Wellen Turbofan-Triebwerk wie das V2500 in Abb. 1.1 besteht aus diesen Hauptmodulen:

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Abb. 1.1

Die Hauptmodule des V2500-A5

Fan-Modul (fan module)

Niederdruckverdichter-Modul (LPC module)

Gasgenerator oder Kerntriebwerks-Modul (core engine module)

Niederdruckturbinen-Modul (LPT module)

Gerätegetriebe-Modul oder Hilfsgeräteträger (accessory gearbox module)

Der Gasgenerator oder das Kerntriebwerk als Hauptmodul besteht aus dem Hochdruckverdichter-Modul , dem Brennkammer-Modul und dem Hochdruckturbinen-Modul .

Das modulare Design erleichtert das Zerlegen und Zusammenbauen eines Triebwerks. Beim Zerlegen wird das Triebwerk in seine Module zerlegt, ohne dass diese dabei in ihre Einzelteile zerlegt werden müssen. Das geschieht in einem späteren Arbeitsgang bei der Modulzerlegung.

Für den Zusammenbau des Triebwerks werden erst die Module zusammengebaut. Anschließend werden sie zum Triebwerk zusammengefügt. Jedes Modul hat für seine Bearbeitung und Montage seine speziellen Verfahren und Vorrichtungen. Weiterhin werden die für jedes Modul gültigen Verfahren für Wartung und Überholung angewendet, die auf Basis der Beanspruchung und dem Aufbau des Moduls festgelegt sind. Die Modulaufteilung entspricht weitestgehend den Funktionen, die sich für die Hauptbaugruppen aus dem Kreisprozess des Triebwerks ergeben [1].

Im Folgenden wird die aus den Modulen der Hauptbaugruppen gebildete Maschine als Basis-Motor (Basic Engine) bezeichnet. Der Basis-Motor allein ist noch nicht betriebsfähig und kann auch nicht die Energieversorgung von Systemen auf der Flugzeugseite übernehmen. Zusätzlich zu den Hauptbaugruppen benötigt der Basis-Motor noch diverse Systeme, um zu einem betriebsfähigen Motor zu werden. Diese zum Motor gehörenden Systeme werden im Allgemeinen als Triebwerkssysteme (engine systems) bezeichnet.

Zu den Triebwerkssystemen zählen auch die Baugruppen, die aus dem betriebsfähigen Motor ein Triebwerk machen. Dies sind im Wesentlichen der Lufteinlauf, die Schubdüse und die Verkleidungen (cowlings). Diese Teile sind von der Art her Baugruppen der Sekundärstruktur eines Flugzeugs, werden aber in den Beschreibungen und Systemzuordnungen (Handbuchstruktur) zu den Triebwerkssystemen gezählt.

Das Triebwerk liefert auch die Energie zur Versorgung der Flugzeugsysteme wie Druckluftsystem, elektrisches System und Hydrauliksystem. Zur besseren Orientierung unterscheiden wir hier zwischen Triebwerkssystemen und Flugzeugsystemen. Um die Versorgung der Flugzeugsysteme zu ermöglichen, muss entsprechende Hardware dieser Systeme am Triebwerk bzw. Motor vorhanden sein.

1.1.1 Einteilung der Triebwerkssysteme

Zur besseren Übersicht können die Triebwerkssysteme nach ihrer Funktion und Wichtigkeit für den Triebwerksbetrieb eingeteilt werden. Die erste Gruppe wird von den Systemen gebildet, deren Funktionen unmittelbar für den Betrieb des Triebwerks notwendig sind. Diese Primärsysteme sind:

Kühl- und Dichtluftsystem (air cooling and sealing system)

Schmierstoffsystem (lubrication system)

Kraftstoffversorgungssystem (fuel distribution system)

Regelsystem (engine control system)

Triebwerksbedienungssystem (engine controls)

Anzeigesystem (engine indicating system)

Zündsystem (ignition system)

Abgas- und Schubumkehrersystem (exhaust and thrust reverser system)

Anlasssystem (starting system)

Verkleidungen, Lufteinlauf und Düsen (cowlings, air inlet and nozzles)

Die zweite Gruppe wird von Systemen gebildet, die für den Betrieb des Triebwerks nicht grundsätzlich notwendig sind, aber deren Funktion mit dem Triebwerk in Zusammenhang steht. Diese Systeme sind bei Triebwerksbetrieb nicht immer in Betrieb und haben Schutzfunktionen. Sie werden bei Bedarf hinzugeschaltet. Es sind Flugzeugsysteme, die hier aufgrund ihrer Funktion als sekundäre Triebwerkssysteme bezeichnet werden. Diese sind:

Feuerwarn- und Löschsystem (fire protection and extinguishing system)

Eisverhütungssystem (ice protection system) (Abb. 1.2)

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Abb. 1.2

Durch das Hinzufügen der Triebwerkssysteme wird aus dem Basis-Motor der betriebsfähige Motor

Die Systeme, die der Energieversorgung des Flugzeugs durch das Triebwerk dienen, werden als Versorgungssysteme bezeichnet. Sie liefern Energie und Druckluft und sind integraler Bestandteil des entsprechenden Flugzeugsystems. Diese Systeme bilden die dritte Gruppe:

Stromerzeugung (electrical power generation system)

Druckluftversorgung (pneumatic system)

Hydraulikdruckerzeugung (hydraulic power system)

Den ersten Kontakt mit einer technischen Beschreibung eines Flugzeugtyps oder Triebwerkstyps hat der Leser wahrscheinlich in Form einer Schulungsunterlage (Training Manual) oder eines Wartungshandbuches (Maintenance Manual). In der zivilen Fliegerei ist es internationaler Standard, die Systeme gemäß der ATA Specification 100 „Manufacturers’ Technical Data" einzuteilen und zu benennen. Die heutigen technischen Handbücher sind zwar gemäß der Nachfolgespezifikation ATA iSpec 2200 bzw. S1000D erstellt, um die Standards für digital erstellte Handbücher anzuwenden, jedoch basiert die Kapitel- und Systemeinteilung nach wie vor auf dem System der ATA Specification 100. Durch Anwendung dieser hat jedes System im Handbuch sein eigenes Kapitel mit standardisiertem Titel und Kapitelnummer [2]. Die Tab. 1.1 zeigt dies im Detail.

Tab. 1.1

ATA-Kapitelnummern und Titel der Group Power Plant

Dieses Prinzip stellt eine identische Struktur für die Handbücher aller Flugzeuge sicher. Die für das Turbinentriebwerk relevanten Kapitel haben den Nummernbereich von 70 bis 80 der Systemgruppe Power Plant. Diese enthält nur die Kapitel der Primärsysteme. Die Kapitelnummern der Sekundärsysteme sind in Tab. 1.2 aufgelistet.

Tab. 1.2

Sekundäre Systeme und Versorgungssysteme

Würde die Beschreibung der Triebwerkssysteme in diesem Buch wie ein Handbuch strukturiert, so wäre das nicht der optimale Ansatz, um die Zusammenhänge verständlich zu machen. Die folgenden Kapitel sind daher so angeordnet, dass das vorhergehende Kapitel so viel Grundwissen wie möglich für die folgenden Kapitel liefert.

Die Systembeschreibungen in diesem Buch sollen nicht das Funktionsprinzip einer jeden Systemkomponente im Detail beschreiben, weil dieses meistens zum technischen Grundwissen gehört (z. B. das Funktionsprinzip einer Zahnradpumpe).

Ein System kann den Betrieb der Triebwerks-Hauptbaugruppen durch Kühlung, Luftentnahme oder durch die Kraftstoffzufuhr zur Verbrennung beeinflussen. Diese Auswirkungen auf die Hauptbaugruppen werden nur beschrieben, wenn sie mit der Funktion des beschriebenen Systems in Zusammenhang stehen.

1.1.2 Anforderungen an Triebwerkssysteme

Zusätzlich zu ihren eigentlichen Funktionen müssen die Triebwerkssysteme noch weitere Anforderungen erfüllen. Diese weiteren Anforderungen sind ein sicherer und zuverlässiger Betrieb, eine Wirtschaftlichkeit auf konkurrenzfähigem Niveau, und die Systeme müssen natürlich die Bauvorschriften erfüllen. So können auch die in den Bauvorschriften vorhandenen Grenzwerte für Lärm und Schadstoffausstoß die Ursache für Konstruktionsdetails in einem System sein.

Um die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erfüllen, muss eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit durch das Systemdesign geschaffen werden, d. h. das System muss weiter funktionieren, wenn eine Komponente ausfällt.

Bedienungsfehler können durch die Reduzierung der Arbeitsbelastung der Piloten verhindert werden. Dies geschieht durch Automatisierung sowie die Anzeige von Systemfehlfunktionen mit den Vorschlägen für die zu tätigenden Aktionen. Der Ausfall von Systemkomponenten und des gesamten Systems kann durch das Design von zuverlässigen und ausfallsicheren Komponenten verhindert werden. Wenn die Analyse der Zuverlässigkeit einer Systemkomponente Schwächen aufzeigt, muss für den Fall eines Ausfalles dieser Komponente eine alternative Betriebsart gewährleistet werden. Dies wird üblicherweise durch Redundanz erreicht. Durch Redundanz wird auch eine Erhöhung der technischen Abflugzuverlässigkeit (dispatch reliability) erreicht.

Wirksame Methoden, um einen wirtschaftlichen Triebwerksbetrieb zu gewährleisten, sind die Reduzierung von Größe, Gewicht und Anschaffungskosten sowie ein optimierter Betrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Lebensdauer. Um diese Ziele mit vertretbarem Aufwand zu erreichen, werden diese Gesichtspunkte schon beim Design eines Systems berücksichtigt.

Ein wesentlicher Beitrag zu einem sicheren und wirtschaftlichen Betrieb wird durch die richtige Wartung geleistet. Die Konstruktion eines modernen Turbofan-Triebwerks ist zu einem großen Teil durch sein Wartungskonzept bestimmt. Durch modulares Design kann die Zahl der Systemkomponenten gering gehalten werden. Bei Komponenten, die eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit haben, ist es wichtig, dass diese gut zugänglich sind. Die Bodenzeiten, die zum Wechsel dieser Komponenten genutzt werden können, sind im Flugeinsatz begrenzt. Zusätzlich sollte die Konstruktion so ausgeführt werden, dass bei Einbau einer Systemkomponente keine Messungen oder Justierungen notwendig sind.

Ein wertvoller Beitrag zu einem effektiven Wartungssystem ist die Aufzeichnung von Daten über Zustand und Betrieb aller Systeme. Die Auswertung dieser Informationen ermöglicht:

Systemdiagnose

Trend Monitoring

Fehlervorhersage und Planung von Wartungsmaßnahmen

Um diese Diagnose- und Planungsmöglichkeiten zu ermöglichen, werden die verschiedensten Sensoren genutzt, die in den Systemen moderner Triebwerke vorhanden sind. Die gemessenen Daten werden nicht nur für die Regelung des Triebwerks oder der Steuerung des jeweiligen Systems benutzt, sondern auch für die Analyse und Überwachung des Systemzustands. Die vorhandenen Systemsensoren werden oft durch weitere Sensoren, die nur zur Zustandsüberwachung verwendet werden, ergänzt. Die Daten werden in einem Computer verarbeitet und gespeichert. Die erforderlichen Analysen werden zum Teil von Computern am Triebwerk bzw. im Flugzeug durchgeführt. Längerfristige Berechnungen wie Trend Monitoring werden von bodenseitigen Computern durchgeführt.

Die Steuerung und Regelung der Systeme wird durch eingebettete Software (Embedded Software) realisiert, die in Echtzeit arbeitet und mit den Hardwarefunktionen interagiert. Die Software verarbeitet die Inputs von den Sensoren oder Data Bussen direkt, führt die Berechnungen durch und steuert elektrisch die ausführenden Systemkomponenten an.

Für so konzipierte Systeme ist eine zuverlässige digitale Datenübertragung und eine zuverlässige Stromversorgung die Grundlage für eine sichere Funktion. Mit entsprechender Software ist auch eine System-Zustandsüberwachung, Zustandsdiagnose und Fehlerüberwachung möglich. Die von diesen Softwareblöcken gelieferten Informationen werden im Cockpit angezeigt und für Wartungszwecke gespeichert.

Die Systeme moderner Triebwerke sind hoch integriert und führen komplexe und koordinierte Funktionen aus. Sie arbeiten in einem Verbundsystem für Datenerzeugung und Datenübertragung. Dabei werden die Prozessorfunktionen nicht in jedem System ausgeführt, sondern in einem zentralen Prozessor.

Wenn ein bestimmtes System betrachtet wird, ist es wichtig zu beachten, dass die spezifischen Funktionen eines Systems nicht die einzigen Design-Forderungen des Systems sind. Sicherheit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie Wartungsfunktionen sind, wie zuvor schon erwähnt, ebenfalls wichtig. Ein System erfüllt diese Vorgaben am besten als Teil einer Kombination von Verbundsysteme n (federated systems), welche durch eingebettete Software (embedded software) gesteuert werden und die Daten mit anderen System-Computern austauschen.

Die Entwicklung der Systeme bis zum heutigen Stand ist möglich geworden, weil neue Technologien mit der Verwendung von digitalen Systemen und ihren Komponenten zur Anwendung kommen. Der Fortschritt wird besonders deutlich, wenn Triebwerkssysteme älterer Triebwerke mit denen neuester Generation verglichen werden [3].

1.2 Digitaltechnik in Flugzeugsystemen

1.2.1 Allgemeines

Der Leser mag sich fragen, warum in einem Buch über Triebwerkssysteme die Einführung zum Thema „Digitaltechnik in Flugzeugsystemen" sinnvoll ist. Sie ist sinnvoll, weil sich die Ergebnisse von Verkehrsflugzeugentwicklungen über die letzten Jahrzehnte mit der Anwendung von digitalen Technologien, die während ihrer Entwicklungsphasen verfügbar waren, stark verändert haben. Digitaltechnik wird in allen Systemen des Flugzeuges und der Triebwerke angewendet, was die Systeme zuverlässiger und leichter macht sowie die Wartbarkeit verbessert. Daher ist eine allgemeine Beschreibung der in Flugzeugsystemen verwendeten Digitaltechnik angebracht.

Diese „digitalisierten" Systeme bieten auch mehr Funktionalitäten, als das Systeme früherer Generationen konnten. Im Flugzeug vorhandene Computer steuern Funktionen, die in älteren Flugzeugen von Piloten und Flugingenieuren bedient und überwacht werden mussten. Ein Flugingenieur ist nicht mehr notwendig, und die Funktion des Piloten, bezogen auf die Systeme, hat sich vom Bediener zum Überwacher verändert.

Die Computer, die Flugzeugsysteme steuern und die Kommunikation zwischen den Systemen ermöglichen, arbeiten alle mit der gleichen Technologie. Daher wird der Ausdruck Avionik , der ursprünglich nur für Navigations- und Kommunikationssysteme verwendet wurde, heute auch für die Digitaltechnik-Komponenten der anderen Systeme verwendet.

Ein Computer, der in die Hardware eines Systems eingebettet ist und auf dieses einwirkt, kann z. B. in einem geschlossenen Regelkreis (closed loop) arbeiten. Er fragt ständig Sensordaten ab, berechnet die entsprechenden Steuersignale und sendet diese an die Aktuatoren. Bei sicherheitskritischen Anwendungen sind Sensoren und Computer mehrfach vorhanden, und der Regelkreis wird durch Redundanz-Management und Synchronisation sowie durch Fehlermanagement komplizierter. Die grundsätzlich erforderlichen Komponenten für eine Systemsteuerung sind die Sensoren, der Prozessor, die Aktuatoren sowie das Kommunikationssystem zum Datenaustausch mit entfernt montierten Sensoren und den anderen Flugzeugsystemen.

1.2.1.1 Sensoren

Die Qualität von Sensorsignalen ist entscheidend für Regelfunktionen, Cockpit-Anzeigen und zur Datengewinnung für Monitoring und Wartungsunterstützung. Die Einführung von neuen Technologien, wie z. B. mikroelektromechanische Systeme (MEMS) in Kombination mit modernen Mikroprozessoren, hat die Qualität von Sensorsignalen stark verbessert.

Sensoren , die in digitalen Steuerungen und Systemen zur Datengewinnung eingesetzt werden, müssen ein elektrisches Signal in digitalem Format liefern. Grundsätzlich erzeugen Sensorelemente, z. B. mikroelektromechanische Systeme (MEMS), ein analoges Ausgangssignal. Abhängig von der Qualität des Ausgangssignals wird es direkt einem Analog/Digital-Wandler zugeführt, oder es wird gefiltert und verstärkt, bevor es dem Analog/Digital-Wandler zugeführt wird.

Der Output des Wandlers wird einem Microcomputer zugeführt, in dem diverse Algorithmen programmiert sind, die folgende Funktionen erfüllen:

Kompensation von Fertigungsabweichungen

Kompensation von Temperatureffekten und nichtlinearem Verhalten

Digitale Filterung

Eingebaute automatische Testfunktionen überwachen den Stromkreis, um die Unversehrtheit des Sensorsystems zu überwachen.

Der Microcomputer kann je nach Konfiguration sein Output als analoges Signal oder in einem seriellen Standardprotokoll wie RS-232 , RS-422 , RS-485 oder ARINC 429 senden. Bidirektionale Kommunikation ermöglicht es dem User, den Sensor zu kalibrieren ohne ihn auszubauen. Signale von mehreren solcher Sensoren können dann gebündelt über ein Leitungspaar übertragen werden.

Nicht alle angewendeten Sensoren haben alle der oben beschriebenen Eigenschaften, aber die meisten davon sind in Drucksensoren vorhanden, die in sicherheitskritischen Anwendungen wie FADEC System e oder Air Data Computer verwendet werden. Die oben beschriebenen Eigenschaften sind z. B. im „intelligenten" Drucksensor LG-1237 von Honeywell vorhanden, wovon 9 Stück im FADEC-Computer des CFM56-5C eingebaut sind.

Die Sensor/Mikroprozessor-Baugruppe kommuniziert mit dem eingebetteten System und hat daher ein Interface mit ihm. Standards für Interfaces (Schnittstellen) sind in Kap. 11 ausführlicher beschrieben.

1.2.1.2 Prozessor

Es ist ein deutlicher Trend zu erkennen, dass mechanische Funktionen dort, wo es möglich ist, durch Software-Funktionen ersetzt werden. Der FADEC-Computer eines Triebwerks wiegt ca. 15 kg. Er ersetzt nicht nur den hydromechanischen Regler eines Triebwerks, der für große Triebwerke bis zu 50 kg wiegt, sondern er bietet auch mehr Funktionen bei höherer Zuverlässigkeit. Die Leistungsmerkmale des zu verwendenden Prozessors werden durch die Anwendung bestimmt, für die er eingesetzt wird. Eingebettete Computersysteme mögen Hardware-Komponenten enthalten, die von PCs bekannt sind, aber sie unterscheiden sich doch deutlich im verwendeten Betriebssystem.

Amerikanische und europäische Behörden haben die Dokumente RTCA/DO-178B respektive EUROCAE ED-12B veröffentlicht, welche die Leitlinien für die Entwicklung von sicherheitskritischer Software zur Verwendung in Luftfahrtsystemen definieren. Diese Leitlinien geben für die Kritikalität 5 Level vor, wobei Level A den aufwändigsten Zulassungsprozess erfordert [4].

Da ein Luftfahrtsystem nur zugelassen wird, wenn seine Software die Zulassungsvorschriften erfüllt, wurden spezielle Betriebssysteme entwickelt. Sie vereinfachen den Zulassungsprozess.

Neben der Unterstützung von sicherheitskritischen Funktionen muss das Betriebssystem auch zeitkritische Funktionen unterstützen. Es gibt zwei zeitkritische Betriebsverfahren:

Time Sharing

Unter allen Betriebsbedingungen wird jede Berechnung in einem vorgegebenen Zeitintervall abgeschlossen. Um die benötigte Geschwindigkeit bei der Regelung der Kraftstoffbemessung zu gewährleisten, ist es notwendig, dass die Auswertung der Sensorsignale und die Berechnung der daraus resultierenden Steuersignale in einem vorgegebenen Zeitintervall abgeschlossen sind.

Event Driven

Wenn eine Meldung empfangen wird oder eine Berechnung hat einen bestimmten Zustand ermittelt, wird in einem vorgegebenen Zeitintervall eine Reaktion darauf ausgelöst. So ein System kann z. B. Fehlermeldungen auslösen, kann den Überlastungsschutz oder das Zündsystem aktivieren.

Betriebssysteme, die mit zeitkritischen Betriebsverfahren arbeiten, nennt man Echtzeit-Betriebssysteme (real time operating systems, RTOS). Die Berechnungen werden bei diesen Systemen nicht in Echtzeit abgeschlossen, jedoch garantieren diese Systeme, dass die vorgegebenen Zeitlimits für die Berechnungen eingehalten werden. Es sind Multitasking-Systeme. Sie enthalten Task-Planer (task scheduler), die dafür sorgen, dass die Berechnungen mit der höchsten Priorität immer in den vorgegebenen Zeitintervallen abgeschlossen werden.

Ein eingebettetes System, das zu einem Regelkreis gehört, steuert die Hardware, indem es Signale an Aktuatoren wie z. B. Kraftstoffbemessungsventile, hydraulische Aktuatoren oder Magnetventile sendet. Diese Geräte werden allerdings mit analogen Signalen angesteuert. Dazu sind Digital/Analog-Wandler vorhanden, die entsprechende Steuersignale aus den digitalen Informationen erzeugen. Weitere Einzelheiten über die verschiedenen Typen und Funktionen von Aktuatoren werden in Zusammenhang mit den jeweiligen Systembeschreibungen gezeigt.

Viele der Flugzeugsysteme müssen Daten mit anderen Systemen austauschen. Das Regelsystem des Triebwerks z. B. benötigt die Information über den vom Auto Thrust System geforderten Schub. Diese Datenübertragung wird hauptsächlich mit Datenbus-Systemen umgesetzt.

1.2.2 Föderierte Avionik-Architektur

Durch die Datenübertragung zwischen sicherheitskritischen Systemen kann es zur Weitergabe von Fehlern von einem System zum anderen kommen. Um die Zulassungsforderungen zu erfüllen, ist die Anordnung von sicherheitskritischen Anwendungen in einer föderierten (verteilten) Architektur eine der verwendeten Strategien. In dieser Architektur hat jede Funktion (z. B. Autothrust) seinen eigenen fehlertoleranten Computer mit einer streng begrenzten Anzahl von Verbindungen zu anderen Systemen, die andere Funktionen wahrnehmen. Interaktionen zwischen den Systemcomputern sind auf die Datenübertragung beschränkt. Um fehlerhafte Daten zu identifizieren, zu tolerieren oder fehlerhafte Datenquellen zu isolieren, sind entsprechende Funktionen in den Computern vorhanden. Damit hat man ein effektives Mittel gegen die Ausbreitung von Fehlern durch die Übertragung der Daten, da Systeme mit unterschiedlichen Funktionen nicht die gleichen Computer benutzen. Der Ausfall einer Funktion hat einen geringen Einfluss auf das weitere Funktionieren der anderen Funktionen. Die Aufteilung von Funktionen auf verschiedene Computer ergibt eine ausreichende Redundanz, um ein Maximum an Sicherheit und Abflugzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Ein für föderierte Systeme geeignetes Datenbus-System ist ARINC 429 . Verkehrsflugzeuge, in denen ARINC 429 in einem föderierten System benutzt wird, sind Airbus A320, A340 und Boeing 757/767 sowie 747.

1.2.3 Integrierte Modulare Avionik

Der offensichtliche Nachteil der föderierten Architektur ist die Menge