إلكترونيات الطيران

تلعب إلكترونيات الطيران دورًا محوريًا في مبادرات التحديث، مثل مشروع نظام النقل الجوي من الجيل التالي التابع لإدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية (FAA)، ومبادرة أبحاث إدارة الحركة الجوية في السماء الأوروبية الموحدة (SESAR) في أوروبا. وقد وضع مكتب التخطيط والتطوير المشترك خارطة طريق لإلكترونيات الطيران في ستة مجالات: ^{[ 9 ]}

• الطرق والإجراءات المنشورة – تحسين الملاحة والتوجيه
• مسارات متفاوض عليها – إضافة اتصالات البيانات لإنشاء مسارات مفضلة ديناميكيًا
• الفصل المفوض – تعزيز الوعي الظرفي في الجو وعلى الأرض
• الاقتراب/المغادرة في ظروف الرؤية المنخفضة/السقفية – مما يسمح بالعمليات في ظل قيود الطقس مع بنية تحتية أرضية أقل
• العمليات السطحية – لزيادة السلامة في الاقتراب والمغادرة
• كفاءة أجهزة الصراف الآلي - تحسين عملية إدارة الحركة الجوية

أفادت جمعية إلكترونيات الطائرات بمبيعات إلكترونيات الطيران بقيمة 1.73 مليار دولار أمريكي خلال الأرباع الثلاثة الأولى من عام 2017 في قطاعي الطيران التجاري والعام ، مسجلةً بذلك تحسناً سنوياً بنسبة 4.1%. وجاءت 73.5% من هذه المبيعات من أمريكا الشمالية، حيث مثّلت عمليات التجهيز المسبق 42.3%، بينما مثّلت عمليات التحديث 57.7%، وذلك قبل الموعد النهائي الأمريكي في 1 يناير 2020 لتطبيق نظام ADS-B out الإلزامي في عمليات الاقتراب. ^{[ 10 ]}

تربط أنظمة الاتصالات قمرة القيادة بالأرض وقمرة القيادة بالركاب. وتُوفّر أنظمة الإذاعة الداخلية وأجهزة الاتصال الداخلي على متن الطائرة الاتصالات على متنها.

يعمل نظام الاتصالات الجوية VHF على نطاق الترددات الجوية من 118.000  ميجاهرتز إلى 136.975  ميجاهرتز. تفصل بين كل قناة والقنوات المجاورة لها مسافة 8.33  كيلوهرتز في أوروبا، و25  كيلوهرتز في باقي أنحاء العالم. يُستخدم VHF أيضًا للاتصالات المباشرة، مثل الاتصالات بين الطائرات أو بين الطائرات ومراقبي الحركة الجوية. وتُستخدم تقنية تعديل السعة ، وتُجرى المحادثات في وضع الإرسال والاستقبال المفرد . كما يمكن إجراء اتصالات الطائرات باستخدام الترددات العالية (خاصةً للرحلات العابرة للمحيطات) أو الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

الملاحة الجوية هي تحديد الموقع والاتجاه على سطح الأرض أو فوقه. يمكن لأنظمة الملاحة الجوية استخدام أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (مثل GPS و WAAS و EGNOS و GBAS/LAAS )، وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، وأنظمة الملاحة الراديوية الأرضية (مثل VOR أو LORAN )، أو أي مزيج منها. بعض أنظمة الملاحة، مثل GPS، تحسب الموقع تلقائيًا وتعرضه لطاقم الطائرة على شاشات عرض خرائط متحركة. أما أنظمة الملاحة الأرضية القديمة، مثل VOR أو LORAN، فتتطلب من الطيار أو الملاح تحديد موقع الطائرة يدويًا عن طريق رسم تقاطع الإشارات على خريطة ورقية؛ بينما تحسب الأنظمة الحديثة الموقع تلقائيًا وتعرضه لطاقم الطائرة على شاشات عرض خرائط متحركة.

بدأت بوادر قمرة القيادة الزجاجية بالظهور في سبعينيات القرن الماضي، عندما بدأت شاشات أنبوب أشعة الكاثود (CRT) المُخصصة للطيران تحل محل الشاشات والمقاييس والأجهزة الكهروميكانيكية. ويُشير مصطلح "قمرة القيادة الزجاجية" إلى استخدام شاشات الكمبيوتر بدلاً من المقاييس وشاشات العرض التناظرية الأخرى. وقد ازداد عدد الشاشات والمؤشرات ولوحات المعلومات في الطائرات تدريجياً، مما أدى في النهاية إلى تنافسها على المساحة واهتمام الطيار. في سبعينيات القرن الماضي، كان متوسط ​​عدد أجهزة التحكم في قمرة القيادة في الطائرة الواحدة يزيد عن 100 جهاز. ^{[ 12 ]} بدأت قمرة القيادة الزجاجية بالظهور مع طائرة غلف ستريم G-IV الخاصة في عام 1985. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في قمرة القيادة الزجاجية في تحقيق التوازن بين مستوى التحكم الآلي ومستوى التحكم اليدوي الذي يجب أن يقوم به الطيار. وبشكل عام، تسعى هذه التقنية إلى أتمتة عمليات الطيران مع إبقاء الطيار على اطلاع دائم. ^{[ 12 ]}

تمتلك الطائرات وسائل للتحكم الآلي في الطيران. اخترع لورانس سبيري نظام الطيار الآلي لأول مرة خلال الحرب العالمية الأولى لتمكين طائرات القاذفات من الطيران بثبات كافٍ لضرب أهداف دقيقة من ارتفاع 25000 قدم. عندما اعتمده الجيش الأمريكي لأول مرة ، كان مهندس من شركة هانيويل يجلس في المقعد الخلفي مزودًا بقاطع أسلاك لفصل نظام الطيار الآلي في حالات الطوارئ. في الوقت الحاضر، تُجهز معظم الطائرات التجارية بأنظمة تحكم في الطيران لتقليل أخطاء الطيارين وعبء العمل أثناء الهبوط أو الإقلاع. ^{[ 5 ]}

استُخدمت أنظمة الطيار الآلي التجارية البسيطة الأولى للتحكم في الاتجاه والارتفاع، وكانت صلاحياتها محدودة فيما يتعلق بأمور مثل قوة الدفع وأسطح التحكم في الطيران . وفي المروحيات ، استُخدم نظام التثبيت التلقائي بطريقة مماثلة. كانت الأنظمة الأولى كهروميكانيكية. وقد ساهم ظهور أنظمة التحكم الإلكتروني في الطيران وأسطح الطيران المُشغّلة كهربائيًا (بدلاً من الأنظمة الهيدروليكية التقليدية) في زيادة مستوى الأمان. وكما هو الحال مع الشاشات والأجهزة، فإن الأجهزة الكهروميكانيكية الحيوية لها عمر افتراضي محدود. أما في الأنظمة بالغة الأهمية للسلامة، فيخضع البرنامج لاختبارات صارمة للغاية.

يراقب نظام مؤشر كمية الوقود (FQIS) كمية الوقود الموجودة على متن السفينة. وباستخدام أجهزة استشعار متنوعة، مثل أنابيب السعة، وأجهزة استشعار درجة الحرارة، وأجهزة قياس الكثافة، وأجهزة استشعار مستوى الوقود، يقوم حاسوب نظام مؤشر كمية الوقود بحساب كتلة الوقود المتبقية على متن السفينة.

يقوم نظام مراقبة الوقود والتحكم فيه (FCMS) بالإبلاغ عن كمية الوقود المتبقية على متن السفينة بطريقة مماثلة، ولكنه يقوم أيضًا، من خلال التحكم في المضخات والصمامات، بإدارة عمليات نقل الوقود حول الخزانات المختلفة.

• نظام التحكم في التزود بالوقود لتحميل كمية معينة من الوقود وتوزيعها تلقائيًا.
• عمليات نقل الوقود أثناء الطيران إلى الخزانات التي تغذي المحركات، على سبيل المثال من جسم الطائرة إلى خزانات الأجنحة.
• ينتقل التحكم في مركز الثقل من خزانات الوقود الخلفية (خزانات التوازن) إلى الأجنحة مع استهلاك الوقود.
• الحفاظ على الوقود في أطراف الأجنحة (لتخفيف انحناء الأجنحة الناتج عن الرفع أثناء الطيران) ونقله إلى الخزانات الرئيسية بعد الهبوط
• التحكم في إطلاق الوقود أثناء حالات الطوارئ لتقليل وزن الطائرة.

لتعزيز مراقبة الحركة الجوية ، تستخدم معظم طائرات النقل الكبيرة والعديد من الطائرات الأصغر نظام التنبيه المروري وتجنب الاصطدام (TCAS)، الذي يستطيع تحديد موقع الطائرات القريبة، وتقديم إرشادات لتجنب الاصطدام في الجو. أما الطائرات الأصغر فقد تستخدم أنظمة تنبيه مروري أبسط مثل TPAS، وهي أنظمة سلبية (لا تقوم بفحص أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بالطائرات الأخرى بشكل فعال) ولا تقدم إرشادات لحل النزاعات.

لتجنب الاصطدام بالأرض أثناء الطيران ( CFIT )، تستخدم الطائرات أنظمة مثل أنظمة الإنذار بالاقتراب من الأرض (GPWS)، والتي تعتمد على مقياس الارتفاع الراداري كعنصر أساسي. من أبرز نقاط ضعف أنظمة الإنذار بالاقتراب من الأرض (GPWS) افتقارها لمعلومات "النظر إلى الأمام"، لأنها توفر فقط معلومات الارتفاع فوق سطح الأرض "بالنظر إلى الأسفل". وللتغلب على هذا القصور، تستخدم الطائرات الحديثة نظام الإنذار بالوعي بالتضاريس ( TAWS ).

تُخزّن مسجلات بيانات قمرة القيادة في الطائرات التجارية، والمعروفة باسم "الصناديق السوداء"، معلومات الرحلة والصوت من قمرة القيادة . وغالبًا ما يتم استعادتها من الطائرة بعد تحطمها لتحديد إعدادات التحكم وغيرها من المعايير أثناء الحادث.

تُعدّ أنظمة الطقس، مثل رادار الطقس (عادةً ما يكون من طراز Arinc 708 في الطائرات التجارية) وأجهزة كشف البرق، بالغة الأهمية للطائرات التي تُحلّق ليلاً أو في ظروف جوية تتطلب استخدام أجهزة الملاحة ، حيث يتعذر على الطيارين رؤية حالة الطقس أمامهم. ويُشير كلٌّ من هطول الأمطار الغزيرة (كما يرصده الرادار) والاضطرابات الجوية الشديدة (كما يرصدها نشاط البرق) إلى نشاط الحمل الحراري القوي والاضطرابات الجوية الشديدة، وتُمكّن أنظمة الطقس الطيارين من تغيير مسارهم لتجنب هذه المناطق.

أصبحت أجهزة كشف البرق، مثل Stormscope وStrikefinder، رخيصة الثمن بما يكفي لتكون عملية للاستخدام في الطائرات الخفيفة. وبالإضافة إلى الرادار وكشف البرق، تتوفر الآن بيانات الرصد وصور الرادار الموسعة (مثل NEXRAD ) عبر اتصالات بيانات الأقمار الصناعية، مما يسمح للطيارين برؤية الأحوال الجوية على مسافات أبعد بكثير من مدى أنظمة الطيران الخاصة بهم. وتتيح الشاشات الحديثة دمج معلومات الطقس مع الخرائط المتحركة والتضاريس وحركة المرور على شاشة واحدة، مما يُسهّل عملية الملاحة بشكل كبير.

تشمل أنظمة الأرصاد الجوية الحديثة أيضًا أنظمة كشف قص الرياح والاضطرابات الجوية، وأنظمة الإنذار بالتضاريس وحركة المرور. ^{[ 13 ]} تحظى إلكترونيات الطقس في الطائرات بشعبية خاصة في أفريقيا والهند ودول أخرى حيث يشهد السفر الجوي نموًا متزايدًا، بينما لا يزال الدعم الأرضي غير متطور بالقدر الكافي. ^{[ 14 ]}

شهدت الطائرات تطوراً نحو التحكم المركزي في الأنظمة المعقدة المتعددة، بما في ذلك مراقبة المحركات وإدارتها. وتُدمج أنظمة مراقبة حالة الطائرات واستخدامها (HUMS) مع حواسيب إدارة الطائرات لتزويد فنيي الصيانة بإنذارات مبكرة بشأن الأجزاء التي ستحتاج إلى استبدال.

يقترح مفهوم إلكترونيات الطيران المعيارية المتكاملة بنية متكاملة مع برمجيات تطبيقية قابلة للنقل عبر مجموعة من وحدات الأجهزة المشتركة. وقد استُخدم هذا المفهوم في طائرات مقاتلة من الجيل الرابع وفي أحدث جيل من الطائرات المدنية .

بينما تُشكّل اتصالات الطائرات العمود الفقري لسلامة الطيران، صُممت الأنظمة التكتيكية لتحمّل قسوة ساحة المعركة. وتُؤمّن أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، بما في ذلك أنظمة UHF و VHF التكتيكية (30-88  ميجاهرتز) ، بالإضافة إلى أساليب مكافحة التشويش الإلكتروني والتشفير ، هذه الاتصالات. وتُوفّر روابط البيانات، مثل Link 11 و 16 و 22 و BOWMAN و JTRS وحتى TETRA، وسائل نقل البيانات (مثل الصور ومعلومات الاستهداف وغيرها).

كان الرادار المحمول جواً من أوائل أجهزة الاستشعار التكتيكية. وقد أدى توفير مدى الرؤية من الارتفاع إلى تركيز كبير على تقنيات الرادار المحمول جواً. تشمل هذه التقنيات أنظمة الإنذار المبكر المحمول جواً ، وأنظمة الحرب المضادة للغواصات ، وحتى رادار الأرصاد الجوية ( Arinc 708 ) ورادار التتبع الأرضي/الرادار القريب.

يستخدم الجيش الرادار في الطائرات النفاثة السريعة لمساعدة الطيارين على التحليق على ارتفاعات منخفضة . وبينما يتوفر رادار الطقس في السوق المدنية منذ فترة، ^{[ 15 ]} إلا أن هناك قواعد صارمة بشأن استخدامه لتوجيه الطائرات. ^{[ 16 ]}

يُمكّن السونار الغاطس المُثبّت على مجموعة من المروحيات العسكرية هذه المروحية من حماية السفن من الغواصات أو التهديدات السطحية. كما تستطيع طائرات الدعم البحري إسقاط أجهزة سونار نشطة وسلبية ( عوامات سونار )، وتُستخدم هذه الأجهزة أيضاً لتحديد مواقع غواصات العدو.

تشمل الأنظمة الكهروضوئية أجهزة مثل شاشة العرض الأمامية (HUD)، ونظام التصوير بالأشعة تحت الحمراء (FLIR)، ونظام البحث والتتبع بالأشعة تحت الحمراء ، بالإضافة إلى أجهزة أخرى تعمل بالأشعة تحت الحمراء السلبية ( مستشعر الأشعة تحت الحمراء السلبية ). تُستخدم هذه الأجهزة لتوفير الصور والمعلومات لطاقم الطائرة. وتُستخدم هذه الصور في كل شيء بدءًا من عمليات البحث والإنقاذ وصولًا إلى المعينات الملاحية وتحديد الأهداف .

تُستخدم أنظمة الدعم الإلكتروني وأنظمة المساعدة الدفاعية على نطاق واسع لجمع المعلومات حول التهديدات أو التهديدات المحتملة. ويمكن استخدامها لإطلاق أجهزة (في بعض الحالات تلقائيًا) لمواجهة التهديدات المباشرة ضد الطائرة. كما تُستخدم أيضًا لتحديد حالة التهديد وتحديد هويته.

تتصل أنظمة إلكترونيات الطيران في الطائرات العسكرية والتجارية والمدنية المتقدمة ببعضها البعض باستخدام ناقل بيانات إلكترونيات الطيران. وتشمل بروتوكولات ناقل بيانات إلكترونيات الطيران الشائعة، مع تطبيقاتها الأساسية، ما يلي:

• شبكة بيانات الطائرات ( ADN ): مشتقة من الإيثرنت للطائرات التجارية
• إيثرنت مُبدَّل ثنائي الاتجاه كامل في إلكترونيات الطيران : تطبيق خاص لمعيار ARINC 664 ( ADN ) للطائرات التجارية
• ARINC 429 : مشاركة البيانات متوسطة السرعة العامة للطائرات الخاصة والتجارية
• ARINC 664 : انظر ADN أعلاه
• ARINC 629 : طائرة تجارية ( بوينغ 777 )
• ARINC 708 : رادار الطقس للطائرات التجارية
• ARINC 717 : مسجل بيانات الرحلة للطائرات التجارية
• ARINC 825 : ناقل CAN للطائرات التجارية (على سبيل المثال بوينغ 787 وإيرباص A350 )
• حافلة تجارية قياسية رقمية
• IEEE 1394b : الطائرات العسكرية
• MIL-STD-1553 : الطائرات العسكرية
• MIL-STD-1760 : الطائرات العسكرية
• بروتوكول التشغيل الزمني ( TTP ): بوينغ 787 ، إيرباص A380 ، منصات تشغيل التحكم الإلكتروني من باركر إيروسبيس