Jakub Marszałkiewicz 1 Wyższa Szkoła Bankowa w Gdańsku Systemy bezpieczeństwa zapobiegające zderzeniom w transporcie lotniczym 2 Bezpieczeństwo jest dziedziną bardzo szeroką. W XXI w. specjaliści od logistyki muszą się zmierzyć z wieloma jej odmianami, począwszy od rozważań teoretycznych nad ogólnym pojęciem bezpieczeństwa, po szczegółowe zagadnienia techniczne związane z niezawodnością urządzeń technicznych oraz ich zdolności do zmniejszania wypadków i strat w łańcuchu logistycznym. Jednym z podstawowych elementów tego łańcucha jest transport, w pewnych przypadkach także lotniczy. W skali ilości przewiezionych pasażerów czy ładunku nie może się on równać z transportem lądowym, ale w zakresie prędkości przewozu oraz bezpieczeństwa jest nadal bezkonkurencyjny. Cel i metody badawcze Bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa w transporcie lotniczym zawdzięczamy wyjątkowo wysokiej kulturze organizacyjnej i technicznej funkcjonującej w lotnictwie, a także nowym zdobyczom techniki. Dlatego temat urządzeń zwiększających bezpieczeństwo lotu jest bardzo ważny. W polskiej literaturze logistycznej pisze się o tym stosunkowo niewiele. Dotyczy to także pokładowych urządzeń zwiększających świadomość sytuacyjną pilota w sytuacjach zagrożenia, a niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie tej tematyki wśród osób zainteresowanych transportem i logistyką. W niniejszym materiale zastosowano metodę porównania, której poddano współczesne urządzenia służące do zapobiegania zderzeniom. Wyniki badań Pokładowe systemy bezpieczeństwa statków powietrznych służą do zapewnienia bezkolizyjnego wykonania lotu. Ich zadaniem jest ostrzeganie pilota (w nowszych wersjach także wykonanie automatycznego uniku) przed obiektami fizycznymi występującymi w niebezpiecznej odległości od samolotu. Obecnie, w dobie dynamicznie wzrastającego ruchu lotniczego i nacisku na podnoszenie bezpieczeństwa, systemy te są konieczne, wręcz obowiązkowe w zastosowaniu. Póki, co obowiązek ich stosowania dotyczy tylko samolotów komunikacyjnych o Maksymalnej Masie Startowej MTOM (Maximum Take Off Mass) przewyższającej 5700 kg lub o liczbie miejsc pasażerskich powyżej 19 [2]. Ogólnie systemy takie można podzielić ze względu na rodzaj wykrywanych zagrożeń: a) informujące o niebezpiecznym zbliżeniu innych statków powietrznych (ACAS, TCAS oraz systemy antykolizyjne samolotów lekkich PCAS) b) informujące o niebezpiecznej bliskości ziemi (radiowysokościomierz, GPWS) SYSTEMY ANTYKOLIZYJNE Działają na zasadzie radiolokacji wtórnej i ostrzegają o zbliżającym się statku powietrznym na podstawie sygnału odebranego z jego transpondera. Najpierw, więc warto pokrótce wyjaśnić, czym w lotnictwie jest radiolokacja. Zasadniczo radary dzielą się na radary pierwotne i wtórne. Radar pierwotny wykorzystuje energię fal radarowych, odbitych od obiektów i powracających do niego. Radar wtórny natomiast wykorzystuje urządzenie odzewowe (transponder), umieszczone na pokładzie samolotu, które wysyła swoja odpowiedź, kiedy przechwyci sygnał zapytujący z innego nadajnika (z reguły naziemnego) [1]. Odpowiedź transpondera jest dodatkowym "echem radarowym" samolotu i może zawierać kod umożliwiający identyfikację samolotu i wysokości lotu. Pierwszy transponder IFF Mk. I brytyjskie siły powietrzne RAF wprowadziły już w 1938r. Wojskowe odmiany transpondera są znane jako systemy iden- 1 dr J. Marszałkiewicz, adiunkt, Wyższa Szkoła Bankowa, Katedra Logistyki. 2 Artykuł recenzowany. 1143
tyfikacji swój-obcy oraz IFF (Identification Friend Or Foe).Przez lata systemy te były zarezerwowane jedynie dla ciężkich maszyn komunikacyjnych oraz wojskowych. Obecnie na rynku dostępne są mniejsze i prostsze systemy tego typu, możliwe do zastosowania w dowolnym typie statku powietrznego, nawet w samolotach ultralekkich. Jako najprostszy przykład można podać system PCAS (Portale Collision Avoidance System) przeznaczony dla samolotów lekkich. Urządzenie to charakteryzuje się szeregiem innowacyjnych rozwiązań znacznie poprawiających bezpieczeństwo w lekkim transporcie lotniczym [5]. Do jego podstawowych cech zaliczamy: Jest najmniejszym urządzeniem antykolizyjnym na świecie. Wyświetla odległość oraz wysokość dzielącą nas od statku powietrznego stwarzającego największe zagrożenie kolizyjne Monitoruje do 10 statków powietrznych w promieniu 5 mil morskich Zasięg jest skalowany w zakresie od 1 do 5 mil morskich Wysokość obserwacji jest skalowana w zakresie od +/- 2500 stóp do +/- 500 stóp Zawiera wskaźnik wznoszenia lub opadania monitorowanego statku powietrznego Bardzo łatwe w obsłudze menu Wyświetlacz ciekłokrystaliczny Wysokościomierz wskazujący wysokość względną Termometr (potrzebny do przeliczania dokładnej prędkości i wysokości lotu) Alarm o zagrożeniu Wskaźnik lokalnego kodu SQUAWK Zasilanie: 12-40 V lub 2 baterie AA (wystarczają na 8 godzin pracy) Rozmiary: 65 mm x 107 mm x 17 mm. Bardzo łatwy w montażu. Rys. 1. Urządzenie Zaon PCAS przeznaczone dla samolotów lekkich. Źródło: http://forums.jetcareers.com/threads/mid-air-over-longmont-co.137942/ Pierwsze na świecie przenośne urządzenie antykolizyjne PCAS XRX dla samolotów lekkich opracowała amerykańska firma Zaon Flight Systems. Zasada działania tego urządzenia jest bardzo zbliżona do TCAS (Traffic and Collision Avoidance System), czyli popularnego systemu antykolizyjnego, standardowo montowanego w samolotach komunikacyjnych. Różnica pomiędzy tymi dwoma systemami polega na tym, że PCAS jest systemem pasywnym (jedynie odbiera sygnały), natomiast TCAS jest systemem aktywnym (wysyła w przestrzeń wokół samolotu sygnały za pomocą transpondera). Strefa wokół samolotu wyposażonego w XRX jest podzielona na kwadranty 45. Urządzenie wykrywa do 10 samolotów, przy czym wyświetla na ekranie trzy z nich, które stwarzają największe zagrożenie kolizyjne. Kompletna instrukcja w języku angielskim do XRX znajduje się na stronie producenta: www.zaonflight.com Na ekranie LCD tego systemu wyświetlają się dane o wykrytych samolotach dotyczące: odległości do nich, wysokości dzielącej nas od nich oraz kierunku, z którego lecą. Dodatkowo, otrzymujemy infor- 1144
mację o tendencji tych samolotów do wznoszenia się lub zniżania, wyświetla się lokalny kod Squawk (kod identyfikacyjny danego samolotu lub grupy samolotów), wysokość na jakiej lecimy oraz kurs. Istnieje możliwość skalowania zasięgu wykrywania od 1 mili morskiej do 6 mil morskich oraz wysokości od +/- 500 do +/- 2500 stóp. Dokładność zasięgu: do 0,2 mil morskich oraz wysokości do -/+ 200 stóp. Systemy TCAS / ACAS Jest to pokładowy system także odbierający sygnały z transponderów innych statków powietrznych i ostrzegający przed niebezpiecznym zbliżeniem do nich. Na podstawie odebranego sygnału komputer przelicza pozycję obecną i prognozowaną wykrytego samolotu. Gdy niebezpieczeństwo kolizji zostanie wykryte (poprzez obliczenie czasu, kiedy oba samoloty znajdą się najbliżej - CPA, ang. Closest Point of Approach), TCAS/ACAS wydaje polecenie dla pilota dotyczące zmiany wysokości albo ograniczenia aktualnej prędkości pionowej. Polecenie uniknięcia kolizji RA (Rezolution Advisory) zostanie wydane maksymalnie na 35 sekund przed CPA. Systemy wyprodukowane w USA przyjęło się często określać, jako TCAS, natomiast europejskie jako ACAS. Skrót TCAS określa się zarówno jako Traffic Collision Avoidance System jak i Terminal Alert/Collision Avoidance System. ACAS oznacza Airborne Collision Avoidance System. Jest to, więc de facto to samo. Pierwsze systemy TCAS skonstruowano w USA w latach 50., choć masowo rozpowszechniły się wiele lat później. TCAS jest w pewnym sensie uproszczonym radarem wtórnym. Wysyła zapytania i odbiera odpowiedzi transponderów innych samolotów za pomocą zestawu anten, po czym określa sektor przestrzeni i kierunek przemieszczania się źródeł sygnałów. Na tej podstawie wyznacza czas do ewentualnej kolizji. Najdokładniejsze wskazania są wtedy, gdy obcy statek operuje modem C lub S w takiej sytuacji możliwe jest obliczenie przez TCAS czasu potrzebnego do osiągnięcia tej samej wysokości lotu przez oba statki powietrzne (nasz i obcy). TCAS/ACAS operuje wysokością barometryczną uśrednioną o wartość do 100 stóp (ok. 30,5 m). W wersji 6.04 wprowadzono uwzględnianie wysokości bezwzględnej z radiowysokościomierza. Aktualna wysokość barometryczna jest porównywana ze wskazaniami radiowysokościomierza dla otrzymania elewacji powierzchni ziemi. Samoloty, których wysokość wychodzi w granicach 380 stóp ponad poziomem gruntu są uważane za "wylądowane". Systemy TCAS maszyn znajdujących się na kursie kolizyjnym "porozumiewają się" wzajemnie drogą radiową, aby nie wydać pilotom tych samych decyzji i nie doprowadzić do katastrofy. TCAS jest ostatnią linią obrony przed kolizją, jeśli (z różnych względów) zawiodłaby naziemna kontrola ruchu lotniczego [4]. Rys. 2. Schemat współpracy pokładowego transpondera z radarem wtórnym na ziemi i TCAS na pokładzie obcego samolotu. Źródło: http://www.answers.com/topic/aircraft-collision-avoidance-system 1145
Główne typy TCAS: TCAS I najprostszy, zaprojektowany dla lotnictwa ogólnego (był on, więc protoplastą wspomnianych PCAS). Wysyła zapytanie Modu C, takie same jak radar wtórny. Prosty przelicznik pozwalał jedynie na określenie mocno przybliżonego położenia obiektu (góra dół, lewo prawo). TCAS I mógł jedynie określić, który z pobliskich samolotów podejrzanie się zbliża, co było sygnalizowane podświetleniem odpowiedniego sektora na prostym wskaźniku i ostrzeżeniem głosowym (komenda Traffic, traffic ). Taka informacja nazywa się Traffic Advisory (TA). Pilot po odebraniu TA musi wizualnie zlokalizować źródło zagrożenia, zmienić kurs lub wysokość lotu i powiadomić kontrolę ruchu lotniczego. Urządzenia TCAS I są nadal używane, głównie na starszych samolotach dyspozycyjnych, chociaż nie były nigdy objęte międzynarodowym standardem. TCAS II zapytania wysyła w Modach A, C i S. Potrafi dokładnie określić pozycję pionową obcego samolotu. Dzięki temu może udzielić tzw. Resolution Advisory (RA), czyli komendy wizualnej do wykonania manewru niezbędnego dla uniknięcia kolizji. Istnieją dwa poziomy RA: zapobiegawczy (preventive) i wykonawczy (positive): Zapobiegawczy RA - informuje pilota, że zmiana wysokości lub kursu może spowodować konflikt Wykonawczy RA - doradza manewr pionowy dla uniknięcia kolizji. W przypadku współpracy z transponderami lub radarem wtórnym z modem S poziomu drugiego i wyższych, inne samoloty oraz kontrola ruchu lotniczego są powiadamiane o zadziałaniu RA i wykonywanym manewrze. 11 listopada 1993r. TCAS II został uznany przez Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego ICAO jako międzynarodowy standard pod nazwą ACAS II (dokładne specyfikacje są w Aneksie 10 ICAO). W Stanach Zjednoczonych od 30 grudnia 1993r. każdy samolot zabierający powyżej 30 pasażerów musi być wyposażony w TCAS II. TCAS III rozwijana obecnie ulepszona wersja TCAS II. Będzie miała możliwość doradzenia RA także w płaszczyźnie poziomej. Przewiduje się, że TCAS III będzie wykorzystywał poziom trzeci (lub wyższe) Modu S dla sygnalizowania własnej pozycji samolotu określanej według satelitarnego systemu nawigacyjnego. Dane TCAS/ACAS są zobrazowane na niewielkim wyświetlaczu, choć ich obraz może być też przeniesiony na monitory pokładowe EHSI i EADI. Niezależnie od wskaźników TA i RA komendy są także sygnalizowane głosem. Ekran TCAS II posiada zobrazowanie odległości od 4 do 30 NM (mil morskich) oraz swojego rodzaju wariometr IVSI (Instantaneous Vertical Speed Indicator). Na ekranie wyświetlają się następujące rodzaje symboli: - niebieski lub biały obrys rombu obiekty niekolizyjne - niebieski lub biały romb obiekt bliski, ale niekolizyjny - żółte kółko - traffic advisory - czerwony kwadrat - zagrożenie (RA). Przy symbolu jest podana wysokość w setkach stóp (względem własnej) i strzałka oznaczająca wchodzenie lub schodzenie. Czerwona okrągła linia na rysunku sygnalizuje RA zalecające wznoszenie od 1500 do 2000 stóp na minutę. Zielony sektor oznacza zalecany zakres prędkości pionowej. Wokół symbolu własnego samolotu jest zaznaczony dwumilowy okrąg, ale ma on znaczenie tylko orientacyjne. Gdy jest więcej źródeł zagrożenia, system stara się oddzielić je pojedynczym RA, albo udzielać osobnych niesprzecznych RA dla poszczególnych zagrożeń z osobna. Dawniej, od 1 stycznia 2000 r. w europejskiej przestrzeni powietrznej TCAS II był obowiązkowy dla samolotów o masie startowej powyżej 15 ton masy startowej lub powyżej 30 miejsc pasażerskich. Natomiast od 1 stycznia 2005 roku obowiązek ten dotyczy także samolotów o masie startowej powyżej 5700 kg lub powyżej 19 miejsc pasażerskich. 1146
Rys. 3. Zobrazowanie systemu TCAS/ACAS na wyświetlaczu pokładowym. Źródło: http://www.avsim.com/pages/0110/dbs2/tcas.htm Systemy ostrzegający o bliskości ziemi GPWS i TAWS Około jednej trzeciej poważnych wypadków lotniczych z udziałem samolotów komunikacyjnych jest rezultatem uderzenia samolotu o powierzchnię ziemi. Chodzi o uderzenie całkowicie sprawnego i normalnie lecącego samolotu, prowadzonego przez całkowicie przytomną załogę. Incydenty takie określa się, jako CFIT, czyli Controlled Flight Into Terrain - sterowany lot do ziemi. Prawie wszystkie wypadki tego typu wydarzyły się w tzw. krytycznych fazach lotu: w czasie podejścia do lądowania oraz przy wznoszeniu przy starcie. Samolot wtedy manewruje w pobliżu powierzchni ziemi, załoga jest zajęta nawigacją, obserwacją parametrów lotu i wskaźników technicznych, co wspomaga zagrożenie. Współczesne systemy ostrzegające przed bliskością ziemi działają na zasadzie radiowysokościomierza. Typowe radiowysokościomierze działają w zakresie wysokości 0-1500 m, z dokładnością około pół metra. Niektóre mają możliwość ustawienia alarmu przekroczenia wysokości minimalnej. GPWS (Ground Proximity Warning System) lub TAWS (Terrain Awarness and Warning System) jest de facto udoskonalonym radiowysokosciomierzem. Nowsze typy GPWS pobierają dodatkowo informację o przestrzennej pozycji statku powietrznego z odbiornika GPS. Dane pozycyjne są na bieżąco porównywane z przechowywaną w pamięci urządzenia bazą danych o rzeźbie terenu. Baza danych GPWS jest uproszczonym modelem trójwymiarowej powierzchni ziemi w postaci siatki kwadratów o boku 9 lub 10 km. Rys. 4. Przykładowe ostrzeżenia systemu GPWS. Źródło: http://blog.goo.ne.jp/boeing777-346er/e/194940c7fad3e07501329415d811d2b2 1147
Tryby działania GPWS: 1 - Przekroczenie prędkości schodzenia ostrzeżenie głosowe "sink rate" przy zbyt gwałtownym zmniejszaniu wysokości lotu. W fazie podejścia końcowego ostrzeżenie jest włączane przy przekroczeniu prędkości pionowej 100 stóp na sekundę (około 30 m/s). 2 - Wznoszenie się elewacji terenu - W odległości 90 s lotu od spodziewanego miejsca przecięcia się toru lotu z powierzchnią ziemi system ostrzega głosowo "caution, terrain" i zapala lampkę "TERR". W odległości 30 s od miejsca prognozowanego zderzenia z ziemią włącza się ostrzeżenie głosowe "terrain terrain - pull up, pull up" i lampka ostrzegawcza "PULL UP". 3 - Utrata wysokości po starcie - System udziela ostrzeżenia głosowego "don't sink" (oraz lampka "TERR") jeżeli do momentu osiągnięcia wysokości bezwzględnej 50 stóp (15,2 m) samolot przejdzie do schodzenia. Tryb ten jest aktywny do czasu osiągnięcia wysokości 700 stóp (213 m) przewyższenia nad przeszkodami. 4 - Przekroczenie wysokości 500 stóp (152,4 m) nad powierzchnią terenu - Zmniejszenie wysokości bezwzględnej do 500 stóp jest sygnalizowane głosem: "five hundred". Tryb ten włącza się, gdy samolot leci w bliskiej odległości od terenu i tryby 1 i 2 są nieaktywne. 5 - Podejście poniżej ścieżki schodzenia - Sygnalizuje zejście poniżej 3 - stopniowej ścieżki schodzenia. Aktywuje się w czasie podejścia według ILS po wypuszczeniu podwozia. 6 - Ostrzeżenie o nadmiernym przechyleniu - Włącza się przy przekroczeniu kąta przechylenia w zależności od wysokości: 40 przy 150 stopach (46 m) nad ziemią do 10 na wysokości 30 stóp (9 m). W udoskonalonych odmianach GPWS, nazywanych EGPWS (Enchanced GPWS) i TAWS (Terrain Awareness and Warning System), występuje jeszcze siódmy tryb pracy, służący do wykrywania uskoku wiatru w czasie podejścia końcowego. Charakterystyczne dla uskoku wiatru zachowanie samolotu jest sygnalizowane ostrzeżeniem "windshear, windshear" i osobną lampką ostrzegawczą. Rys. 5. Wspomaganie systemów antykolizyjnych przez sygnały satelitarne. Źródło: http://spendergast.blogspot.com/2015/02/dot-volpe-center-continues-jhuapl-for.html Podsumowanie Podsumowując, opisane tu systemy w znaczący sposób przyczyniają się do bezpieczeństwa transportu lotniczego, co z kolei pozwala liniom lotniczym zachować wysoki poziom usług, wpisując się w ten sposób w światową sieć logistycznych łańcuchów dostaw. Użytkowanie opisywanych tu systemów jest w dzisiejszym świecie niezbędne nie tylko ze względu na bezpieczeństwo, ale także ze względu na szybkość dostaw i odpowiedniego przepływu ruchu lotniczego. Brak takich urządzeń znacznie by, bowiem zwiększał minimalne dopuszczalne warunki pogodowe w jakich mogą operować samoloty komunikacyjne. 1148
Pociągnęłoby to za sobą zmniejszenie ilości lotnych dni i godzin, a co za tym idzie znaczny spadek przepustowości portów lotniczych oraz systemu zarządzania ruchem lotniczym. Streszczenie We współczesnym transporcie lotniczym ruch jest tak duży, iż zapobieganie zderzeniom (zapewnienie bezpieczeństwa) oparte wyłącznie na obserwacji wzrokowej jest niewystarczające. Dlatego stosuje się systemy antykolizyjne, które mają zapobiegać zderzeniom samolotów ze sobą lub z ziemią. Niniejszy artykuł opisuje podstawowe systemy bezpieczeństwa tego typu stosowane w transporcie lotniczym. Safety anticollision systems used in air transport Abstract Present aviation traffic is so dense that the prevention of collisions based solely on visual observation is insufficient. They also use an anti-collision avionic systems, which are intended to prevent aircraft collisions with each other or with the ground. This article describes the basic safety systems of this type used in air transport. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Compa T., Kontrola ruchu lotniczego, wyd. AON, Warszawa 2001 [2]. Markiewicz T. M., Podstawowe zagadnienia zarządzania ruchem lotniczym, wyd. AON, Warszawa 2010 [3]. Szutowski, Poradnik pilota samolotowego, wyd. Avia Test, Poznań 2003 [4]. Tomczak-Janowski J., Lotnicze systemy nawigacyjne, http://heading.pata.pl/start.htm [5]. www.zaon.aero [6]. http://www.aircraftmech.com/egpws.html 1149
1150