Avioonika

Avioonika on lennuvahendi (lennuk, helikopter, Maa tehiskaaslane) pardal olevate lennuks vajalike elektriliste ja elektrooniliste seadmete kogum.
Avioonika hulka kuuluvad navigatsiooni-, kommunikatsiooni- ja juhtimissüsteemid kui ka lennukitüübi ülesandele vajalikud lisaseadmed, näiteks sõjalised tulejuhtimisesüsteemid või taktikalise analüüsi seadmed/arvutid.
Ajalugu.
Avioonika on ühend sõnadest aviatsioon (lennundus) ja elektroonika. Selle kohversõna pakkus välja ajakirjanik Philip J. Klass.
Suur osa tänapäevasest avioonikast sai alguse või eluõiguse Teise maailmasõja ajal, näiteks leiutati tollal radar, levis autopiloodi kasutamine ja leiutati esimesed lennuinfosalvestid. Avioonika kasutuselevõtt ühtis reaktiivlennukite levikuga, kuna aina suuremate kiiruste ja jõudude juures ei toiminud mehaanilised süsteemid enam rahuldavalt. Lisaks sellele tõusis lennunduse osakaal transpordis väga kiiresti ning aina kitsamaks muutuv õhuruum nõudis täpsemate ja kiiremate süsteemide kasutuselevõttu, vältimaks avariisid ja tõstes lennureisijate mugavust ja ohutust.
Tänapäevastes lennukites moodustab avioonika väga suure osa hinnast, F-15E ja F-14 puhul näiteks ligi 80%. Suuremas osas tänapäevastest helikopteritest on hinnasuhe 60/40 avioonika kasuks.
Üldavioonika.
Radar.
Radar (RADAR, lühend ingliskeelsetest sõnadest "RAdio Detection And Ranging") on raadiolainetel töötav seade, mille abil on võimalik tuvastada objektide asukohta, liikumissuunda, kiirust ja kõrgust.
Lennuaparaatides on radarit kasutatud teisest maailmasõjast alates. Radari kasutamine annab meeskonnale infot ümbritseva õhuruumi, aga ka maapinnal asuvate objektide kohta ilma kokpitist välja vaatamata. Sõjalennukitel kasutatakse radarit tihti madallendudel navigeerimiseks, tsiviillennukitel on radarisüsteemid kasutusel ilmaolude jälgimiseks ja õhuruumi turvalisuse tagamiseks.
Ilmaradarid.
Ilmaradarid on spetsiaalsed radarid, mis aitavad lennuki ümber olevaid ohtlikke ilmastikunähtusi avastada. Selliste radarite abil tuvastatakse sademeid, saju tugevust ja tormimassiivide liikumissuundi. Saju intensiivsuse järgi on võimalik ennustada piirkonnas olevaid olusid, mis annab pilootidele võimaluse äikesetormidest ja tugevast rahest mööda põigata. Praegustes kommertslennukites on levinuimaks ilmaradariks Arinc 708. Seoses lennusüsteemide digitaliseerimise ja integreerimisega on kasutusele tulnud satelliitsidel põhinevad süsteemid (NEXRAD), mille abil näevad piloodid ka teiste samas regioonis olevate õhusõidukite ilmaradari väljundit, mis lihtsustab navigeerimist ja ohtude vältimist.
Kommunikatsioon.
Kommunikatsiooniseadmed õhusõidukites jaotuvad kaheks: sisekommunikatsioon ehk pardaside meeskonna vahel ning väliskommunikatsioon meeskonna ja teiste lennumasinate või maapealsete sidepunktidega.
Lennuseadmete siseselt kasutatakse tihti n-ö sisetelefonsüsteemi (interkom) ja teadustamissüsteeme.
Välissuhtlus toimub tänapäeval enamasti VHF-sagedustel vahemikus 118,000 MHz – 136,975 MHz. Euroopas on kanalite sagedusvahed 8,33 kHz, mujal maailmas 25 kHz. Tavaraadiosides levinud FM-modulatsiooni asemel kasutatakse lennunduses amplituudmodulatsiooni (AM). Raadioseadmed on seadistatud enamasti simplekssideks (kahepoolne side, mille puhul teadete edastamine ja vastuvõtmine toimub kummaski suunas kordamööda).
Pikemate lendude puhul kasutatakse ka suurema leviga HF-sagedusi ja satelliitsidet.
Navigatsioon.
Tänapäeval kasutatakse lennunduses täpseks navigeerimiseks raadionavigatsiooniseadmeid, mis on kas satelliitsüsteemid (GPS, WAAS) või sõltuvad maapealsetest juhtimisjaamadest (VOR, LORAN). Navigatsiooniseadmete juhtimisel toimib ka tänapäevane autopiloot, mis saab andmed otse navigatsioonisüsteemilt ja võrdleb neid pidevalt programmeeritud lennutrajektooriga. Navigatsioonisüsteem koos radariga võimaldab piloodil lennuki asukohta ja lennusuunda määrata ka väga rasketes ilmaoludes, kus visuaalne vaatlus ei ole võimalik.
Juhtimissüsteemid.
Niinimetatud "klaaskokpit" on kokpit, kus elektromehaanilisi ja analoognäidikuid asendavad CRT- või uuemad LCD-ekraanid, millel kuvatakse piloodile hetkel vajalikud näidikud elektroonilisel kujul. "Klaaskokpitis" on andmete hoomamine kergem, kuna piloodil on võimalus sisse lülitada ainult need näidikud, mida tal konkreetse lennuetapi ajal vaja on. Kuvarid võimaldavad kogu kokpitti muuta ka kompaktsemaks ja kergemaks.
Lisaks muudatustele kokpitis on muudetud ka lendavate aluste juhtimisseadmeid. Varem kasutusel olnud mehaanilisi ja hüdromehaanilisi süsteeme on täiustatud elektrooniliste juhtimissüsteemidega ("Fly-by-Wire"), mida on omakorda täiustatud digitaalsete seadmete kasutuselevõtuga, mis omakorda lubab suure osa lennuki juhtimisest automatiseerida. Elektroonilised süsteemid on märgatavalt kergemad ja töökindlamad kui varasemad ainult mehaanilised seadmed, samuti lubab kergus ja suhteline odavus süsteeme ka dubleerida, et suurendada tõrkekindlust ja seega lennuohutust.
Autopiloot.
Üks varasemaid avioonikaseadmeid on autopiloot, mille leiutas 1912. aastal Sperry Corp. See võimaldas lendu sirgjoonel, etteantud kursil ja muutumatul kõrgusel. Varasemad autopiloodid kasutasid lennuki asendi hoidmiseks pneumaatiliselt või elektromehaaniliselt käivitatavaid güroskoope, mille stabiliseerimisasend kanti tüüridele üle hüdromehaaniliselt. Nüüdisaegsed autopiloodid on enamasti elektroonilised ning vastavalt keerukuse astmele jaotuvad kolmeks:
Mustad kastid.
"Mustad kastid" ehk lennusalvestid on nüüdisaegsetes kommertslennukites kohustuslikud. Riigiti on kohustusliku lennusalvestiga lennukite miinimumsuurused erinevad, kuid peaaegu kõik seadmed vastavad EUROCAE ED-112 standardile.
Lennusalvestid koosnevad enamasti kahest osast, mis võivad olla eraldi korpustes või ühes kestas koos. Esimene osa on lennuandmete salvesti (FDR – Flight Data Recorder"), mis salvestab erinevatelt avioonikaseadmetelt tuleva info. Teine nõutav osa on kokpiti helisalvesti (CVR – Cockpit Voice Recorder") mis salvestab pilootide vestluse, seadmete alarmsignaalid, mootori- ja välismüra ning raadioside.
Esimesed katsetused lennusalvestitega tehti Teise maailmasõja ajal, kuid esimese kommerts-lennusalvesti leiutas David Warren 1953. aastal Austraalias. See seade sisaldas nii lennuandmete kui ka kokpitiheli salvestit ja kasutas salvestusmeediumina magnettraati. Hilisemad lennusalvestid kasutasid magnetlinti (nagu helikassettides), kuid see osutus vähevastupidavaks ning on tänapäeval asendatud mälutehnoloogial töötavate seadmetega, mis on väga vastupidavad vibratsiooni, niiskuse, g-jõudude ja temperatuuri suhtes.
Nimetus "must kast" on eksitav ja lennunduses seda ei kasutata. Lennusalvestid on standardi järgi erkoranžid ning nende külgedele on inglise ja prantsuse keeles kirjutatud tekst "Lennusalvesti. Mitte avada!". EUROCAE ED-112 nõuab lennusalvestitel ka veealuse lokaatormajaka olemasolu, mis hakkab avarii korral automaatselt ultrahelisignaali saatma. See võimaldab lennusalvestit märgatavalt kergemini sonari abil leida.
Ülesandepõhine avioonika.
Militaarside.
Lisaks tavalisele lennunduses kasutatavale VHF-raadiosidele on sõjalennukid enamasti varustatud ka UHF-raadiotega, satelliitsidesüsteemidega ning kiiret üles- ja allalaadimist võimaldavate andmesideprotokollidega. Need võimaldavad maapealsetel toetusüksustel pilootidele teavet edastada ning samuti saada lendavalt aluselt vajalikku taktikalist luureinfot. Samuti toetavad militaarlennunduses kasutatavad sideseadmed tugevaid krüpteerimisalgoritme, mis tsiviillennunduses pole vajalikud.
Sonar.
Järelveetavad sonarid ja sonopoid (sonarit sisaldavad poid) on merelennunduses kasutusel olnud Teisest maailmasõjast alates, kus neid kasutati allveelaevade vastases võitluses. Tänapäeval on need jätkuvalt allveetõrjehelikopterite ja merepatrulllennukite põhivarustuses, kuid sonopoisid kasutatakse ka merepäästekopteritel ja -lennukitel. Mitut sonopoid kasutades on navigatsiooniarvutil võimalik trianguleerida laevavrakkide asukohti, mis võimaldab täpsemat navigeerimist päästeoperatsioonidel.
Spetsialiseeritud radarid.
Lisaks tavapärastele õhuruumiradaritele ja ilmaradaritele kasutavad eriotstarbelised lennuvahendid ka taktikalisi maapinnaradareid, millega on võimalik tuvastada õhutõrjesüsteeme ja vaenulike üksuste asukohti, aga ka näiteks suuri muutuseid maastiku reljeefis, mis võivad kaasneda maavärinatega. Spetsialiseeritud allveetõrjelennukid ja -kopterid kasutavad pinnalähedaste allveelaevade leidmiseks allveetõrjeradareid. Varase eelhoiatuse lennumasinad kannavad ka suuremaid ja pikema otsiulatusega eelhoiatusradareid, mille abil suunatakse maavägede või teiste lennukite tegevust.
Elektronoptilised seadmed.
Lennunduses on kasutusel peamiselt kahte liiki elektronoptilised seadmed:
Õhusõiduki juhtimist abistavad elektronoptilised seadmed.
Põhiline elektronoptiline seade, mida lennumasinate piloteerimisel kasutatakse on HUD ("Heads-Up Display"). HUD-seade võimaldab piloodil lennukit juhtida nii, et ta ei pea suunama pilku alla näidikute armaruurlauale, vaid saab vaadata otse ja samaaegselt kuvatakse talle läbipaistvale HUD-ekraanile põhilised lennuandmed – teave kiiruse ja liikumissuuna jms kohta. Sõjalennukitel ja -kopteritel kuvatakse HUD-ekraanile ka andmed relvastuse kohta ja sihik. Lisaks sõjalennundusele kasutatakse HUD-seadmeid ka muudes head vaatevälja ja kiiret otsustamist nõudvates lennumasinates, näiteks päästekopterites, vigurlennukites jne.
Taktikalised elektronoptilised seadmed.
Pilootidele taktikalise eelise andmiseks kasutatakse FLIR (Forward-Looking InfraRed") ja PIDS (Passive Infrared DeviceS) seadmeid. Infrapunaseadmeid kasutatakse nii vaenulike vägede liikumise jälgimiseks ja rakettide sihtimiseks kui ka SAR (Search-And-Rescue") operatsioonidel kadunud inimeste otsimisel. Infrapunase sagedusvahemiku seadmete kasutamise eelis on see, et kuna enamik objekte kiirgavad ka soojust, mida inimsilm tavaliselt ei erista, siis infrapuna sagedusvahemikus on näha ka objekte, mis muidu jääksid märkamatuks.
Suur osa tänapäeva sõjalistel lennuvahenditel kasutatavaid rakette on varustatud infrapunasensoritega, mis võimaldab väljatulistatud raketil n-ö lukustuda sihtmärgi soojusjäljel.
Elektroonilised toetusmeetmed.
Elektroonilisi toetusmeetmeid kasutatakse sõjaväe lennumasinate turvalisuse suurendamiseks lahinguolukorras. Sellesse kategooriasse kuulub väga erinevaid seadmeid, näiteks raadiosegajad, elektroonilised soojustundlikud raketiavastamisseadmed, mis tuvastavad n-ö raketilukustust.
Lennuseadmete sidevõrgud.
Suurem osa sõjaväelennukitest, aga ka suured reisilennukid ja kallimad eralennukid on siseseadmetega, omavahel, maapealsete toetussüsteemidega ja satelliidipõhiste toetusseadmetega võrku ühendatud. Lennunduses kasutatakse mitut võrguprotokolli, millest tuntumad on:
Päästekopterite ja -lennukite avioonika.
Päästetööde lihtsustamiseks on paljudes päästelennukites ja -kopterites kasutusel samasugused seadmed nagu sõjalennunduses. Levinud on infrapunaseadmed, helgiheitjad (ka automatiseeritud) ja erilised autopiloodid, mis peavad lennuvahendit õhus stabiilsena hoidma ka väga rasketes oludes. Suurt osa päästelennunduses kasutatavast avioonikast, eriti sensoritest, peeti alles hiljuti ainult sõjalennunduse pärusmaaks.
Avioonika tarkvara.
Avioonika tarkvara on tarkvarakomplekt, mida kasutatakse digitaalsetes avioonikakomponentides või ka täisdigitaalsetes ja modulaarsetes avioonikakomplektides. See tarkvara on siiani olnud igale avioonikapaketile eraldi toodetud. Viimase kahe kümnendi jooksul on hakatud tootma ka modulaarseid avioonikapakette, mis sobivad erinevatesse lennukitesse. Sellise süsteemi puhul on uue lennuki ehitamisel vaja läbi viia vaid kalibreerimis- ja testifaas, mis vähendab töömahtu ja seega ka hinda.
Avioonikatarkvara on üks enim testitud tarkvaraliike, kuna tarkvara tõrgeteta tööst sõltub paljude inimeste elu ning väga kallite lennukite ja kopterite töökorras olek.