Captain “George”: S-TEC30-Autopilot mit GPSS

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20. Juni 2008: George on board. Seit zwei Tagen fliegt meine Piper Warrior mit einem neuen Besatzungsmitglied. “George”, wie der Autopilot traditionell bei vielen älteren Piloten im angelsächsischen Sprachraum heißt, ist ein zweiachsiger S-TEC 30-Autopilot mit folgenden Funktionen:

Vier “Roll Modes” (Steuerung um die Längsachse): STABILIZER (hält nur die Flächen gerade), HEADING (Steuerkurs wird mit Heading Bug am Kurskreisel eingestellt), LOW TRACK (Autopilot folgt VOR-Radial) und HI TRACK (Autopilot arbeitet mit höherer Empfindlichkeit, für Localizer-Anflüge).

Zusätzlich habe ich einen “GPSS Converter” des Typs S-TEC ST-901 einbauen lassen – das Highlight der Anlage. Mit Hilfe dieses kleinen Computers (GPSS steht für “GPS Steering”) ist der A/P in der Lage, die digitalen Signale meines Garmin GNS430 zu verarbeiten und direkt Routen oder ganze GPS-Approaches abzufliegen. GPSS läßt sich mit Hilfe eines kleinen Umschalters aus dem HEADING Mode heraus aktivieren.

Das Autopilotensystem besteht aus folgenden Komponenten

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Roll Servo. Der Elektromotor, der die Querruder bewegt. Ein auf der Spindel des Servos aufgewickeltes Stahlseil wird an zwei Stellen am Querruderseil eingehängt.  Das Servo hat eine Rutschkupplung, so dass sich der A/P jederzeit übersteuern läßt. Gut zu sehen: Der speziell für diesen Flugzeugtyp gelieferte Einbausatz (goldfarbenes Alublech)

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Pitch Servo. Funktioniert mechanisch ebenso wie das Roll Servo: Ein Zusatzseil wird an die beiden Steuerseile angeklemmt. Bei der Warrior-Version “-151” (Bj. 1974-76) ist die Starterbatterie unter dem Rücksitz – deshalb muss bei diesem Typ das Pitch-Servo in den hinteren Teil des Rumpfes. S-TEC hat das mit seinem Einbausatz elegant gelöst. Das Stahlseil für die Pitch-Achse wird am oberen und unteren Höhenruderseil eingehängt. Oben muss es über eine Rolle in Richtung Heck abgelenkt werden.

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Pitch Computer. Damit der A/P auch in Kurven sauber die Höhe hält, gibt es den Pitch Computer (im Vordergrund, goldfarben). Ein Beschleunigungsmesser  im Pitch Computer registriert zunehmende g-Kräfte und sorgt sofort dafür, dass der A/P etwa mehr “zieht” als im Horizontalflug, um den Auftriebsverlust in der Kurve auszugleichen. Die beiden anderen Geräte in diesem Rack sind der Localizer Converter des NAV-2-Empfängers (King KN77) und der Notsender “ELT” von Pointer. Da der Pitch-Computer waagrecht  (parallel zur Flugzeuglängsachse) eingebaut werden sollte, musste dieses Rack umgebaut werden, Glideslope-Converter und Notsender (“ELT”) wurden etwas versetzt.

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Pressure Transducer. Eine kleine Druckdose wie in einem Höhenmesser (goldfarben, mit transparentem Schlauch)) für die Höhenhaltung. Drückt man “ALT HOLD”, so folgt der A/P fortan der in diesem Moment anliegenden Druckhöhe. Das bedeutet natürlich auch, dass die “True Altitude” abnimmt wenn man in Richtung eines Tiefdruckgebietes folgt. Zumindest bei VFR-Flügen in geringeren Höhen sollte man das beachten! Ein kleiner Lautsprecher schwarz, mit rotem und schwarzem Draht) signalisiert, dass der A/P abgeschalten wurde, etwa wenn man den “AP DISC”-Schalter am Steuerhorn betätigt. Außerdem gibt es eine akustische Warnung (verbunden mit einer optischen Anzeige am A/P) wenn das Flugzeug vertrimmt ist und nachgetrimmt werden muss.

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Der Autopilot selbst ersetzt den “Turn Coordinator” des Flugzeugs. Die gesamte Steuerung ist hier enthalten, der ganze Autopilot passt an die Stelle des Turn Coordinator!

Der S-TEC-Autopilot basiert auf der Drehrate des Turn Coordinator und ist deshalb nicht auf den Künstlichen Horizont angewiesen. Damit ist der S-TEC ein auf der Drehrate des Flugzeugs basierender Autopilot, im Gegensatz zu den klassischen “attitude based”-Autopiloten, die ihr Signal vom Künstlichen Horizont bekommen. Damit funktioniert der S-TEC so, wie auch ein IFR-Pilot fliegt, wenn der Horizont ausgefallen ist: Ein Flugzeug dreht nur um die Hochachse wenn es gleichzeit auch “rollt”. Dazu kommt: Ein moderner TC mit seiner gegenüber einem klassischen “Wendezeiger” um 30 Grad gekippten Drehachse des Kreisels zeigt das Rollen des Flugzeugs auch unmittelbar an. In dem Moment, indem die Maschine rollt, erkennt der TC dies, anschließend (wenn die Rollbewegung aufgehört hat) zeigt er das Drehen um die Hochachse an. Beides erkennt die Elektronik des Autopiloten ebenso wie ein Pilot es erkennen würde – und steuert mit den Querrudern gegen die Rollbewegung, um die Flächen gerade zu halten.

“Rate based” hat zumindest in einer leichten Einmotorigen ohne Backup-Instrumente den Vorteil der Redundanz. Fällt das Vakuum-System der Maschine aus und damit Künstlicher Horizont und Kurskreisel, so hat man immer noch den Autopiloten, um mit Hilfe “STABILIZER”-Modes (Wing Leveler) die Fluglage zu halten. Im IFR-Betrieb kann das Leben retten.

Zusätzlich zum Autopiloten wurde auch noch ein neuer Kurskreisel (“Directional Gyro”) von Sigmatek (Typ 4000C-1) mit Heading Bug eingebaut – nur so lässt sich der A/P im Heading- und GPSS-Modus betreiben. Eine Einfachlösung wäre der A/P ohne alle dies Extras. Dann könnte er nur die Flächen gerade und die Höhe halten – das ist die (nicht empfohlene) Basisversion des S-TEC 30. Ohne Höhenhaltung geht auch – dafür gibt es den S-TEC 20 ohne Pitch Servo, Pitch Computer und Pressure Transducer.

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Man kann den A/P auch ohne externe Schalter einbauen – ich habe habe aber alle Bedienelemente in das linke Steuerhorn integrieren lassen: MODE SELECT, ALT HOLD und A/P DISCONNECT. Zusätzlich sind hier noch die elektrische Trimmung und die Sprechtaste (“PTT”) untergebracht. Das bedeutet: 5 Schalter auf der linken Seite des linken Steuerhorns. Funktioniert aber einwandfrei und ist auch ergonomisch gut – auf jeden Fall besser, als zum Umschalten des A/P die Hand vom Steuer nehmen zu müssen!

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Über dem NAV-1-Indicator befindet sich der Umschalter für HEADING und GPSS

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Der Autopilot bekommt eine eigene SICHERUNG und zur Sicherheit einen eigenen AUTO PILOT MASTER SWITCH, den ich neben den Avionik-Master einbauen lassen habe. Schaltet man den A/P nicht ein, so hat man immer noch einen funktionierenden Turn Coordinator. Schaltet man ihn ein, so kommt nach ein paar Sekunden eine grüne Anzeige: “READY”. Meine Warrior hat eine 14-Volt-Elektrik, das S-TEC-System ist natürlich auch für 28 Volt erhältlich.

Eine Liste auf der Herstellerseite (www.s-tec.com) zeigt alle Typen, für die das System eine STC/Ergänzende Musterzulassung hat. Jedes System wird komplett für den jeweiligen Typ konfiguriert, alle Kabel haben die richtige Länge, die Haltebleche und sonstige Hardware ist auf das Baujahr der Maschine und konstruktive Besonderheiten angepasst. Trotzdem können natürlich Zusatzarbeiten notwendig sein – jedes Flugzeug ist eben etwas anders. Bei meiner Warrior musste die ADF-Antenne am Rumpf um 10 Zentimeter versetzt werden, da sie genau dort angeschraubt war, wo das Roll Servo hin kommt! (Erfahrene Flugzeugmechaniker haben mir berichtet, dass sie noch keine zwei identischen Cessna 172 oder PA-28 gesehen haben!).

Eingebaut hat den A/P Avionik Straubing am Flugplatz Straubing. Die Installation hat exakt so lange gedauert, wie im Angebot beschrieben – 40 Stunden, und erfolgte präzise und sorgfältig. Zusatzarbeiten wie das notwendige Versetzen des ADF-Antenne hat mir AVIONIK STRAUBING nicht in Rechung gestellt. Den Umbau des hinteren Avionik-Racks, ebenfalls nicht Teil des Angebots, erledigten Herr Lottes (rechts) und Herr Schuster (nicht im Bild)  mit einem absolut fairen Mehraufwand von 3 Stunden. Ich bin sicher, dass das mehr Arbeit war!

Hier mein erster Eindruck von dem neuen System – der erste Flug damit. Obwohl es am Tag der Abholung teilweise ziemlich bockig und thermisch war hielt der A/P die Höhe gefühlte 10 Fuß genau. Kurz nach dem Start in EDMS drückte ich am GPS “DIRECT EDML”, schaltete den A/P auf “Heading” und dann auf “GPSS”. Sofort drehte die Maschine nach links, schnitt die Kurslinie zum Heimatflugplatz sauber an und hielt den Track exakt ein. Nach Erreichen der Reiseflughöhe von 4000 Fuß drückte ich auf “ALT HOLD”, sofort nahm der A/P die Nase der Maschine herunter und hielt fortan präzise die Höhe. Einmal leicht nachtrimmen, nachdem ich von der Anzeige und dem akustischen Signal dazu aufgefordert wurde – fertig.

Kosten des gesamten Systems: Zirka 15.000 Euro inklusive Heading-System und GPSS. Sehr viel Geld – aber man muss bedenken, dass ein hochwertiger A/P eine leichte Einmotorige zum echten Reisewerkzeug macht. Drei- bis Fünf-Stunden-Trips sind deutlich weniger anstrengend. Fliegt man allein kann man auch mal eine (Anflug!-) Karte studieren, in Ruhe etwas trinken – oder sich um die Kinder auf dem Rücksitz kümmern.

Ein großer Sicherheitsfaktor ist der A/P darüber hinaus, vor allem wenn man IFR fliegt, was in Deutschland “single hand” ohnehin nur mit einem A/P erlaubt ist. Bei mir war die Überlegung: Eine alte schlecht ausgerüstete High-Performance-Single kaufen, die bezahlbar ist – oder die einfachere und langsame Warrior behalten, dafür aber auf einen Stand bringen, mit dem selbst weite Trips Spaß machen? AVGAS-Preise über € 2, 40 pro Liter, der Verfall meiner MOGAS-Zulassung wegen zu viel Alkohol im (Bio-)Sprit und ohnehin hohe Kosten für Wartung, Versicherung etc. haben mir die Entscheidung leicht gemacht. Eine Mooney oder Beech mit unzuverlässiger 60er Jahre Avionik, 60 Liter AVGAS-Verbrauch und Ersatzteilpreisen à la Space Shuttle? Oder die 34 Jahre alte Warrior, aber mit moderner Avionik, Autopilot und 30 Liter Verbrauch?

Für mich war das eine leichte Entscheidung – vor allem weil mir lang fliegen gar nichts ausmacht. Ich will ja gar nicht so schnell ans Ziel!

Mehr zu Bedienung und Praxis des S-TEC 30 an dieser Stelle – nach ein paar Flügen!

 Update – 25. 9.2008

Bei allen Flügen bisher hat der Autopilot einwandfrei funktioniert, und mittlerweile bin ich auch geübt im Umgang mit “George”. Nach dem Start, noch im Steigflug schalte ich meist in den HEADING-Modus, nachdem ich beim Start sicher gestellt habe, dass der HEADING BUG des Gyro auf Abflugkurs steht und ich die Maschine auf Steiflug getrimmt habe.

Da ich meine Route meistens bereits vor dem Abflug im GNS 430 programmiere, fliege ich mit dem HDG MODE bis auf meine Reiseflughöhe, bringe die Maschine mit ALT HOLD und Nachtrimmen in den Horizontalflug und drücke anschließend einfach auf den GPSS-Umschalter. Sofort fliegt die Maschine in einem optimalen Anschneidewinkel auf die Kurslinie am GPS zu!

Wenn ich während des Reisefluges manuell eingreifen will, etwa um nicht durch einen gesperrten Luftraum zu fliegen, schalte ich einfach zurück auf HDG, manövriere um das Hindernis herum und drücke anschließend wieder auf GPSS.

Will ich einen Wayppoint des Flugplans im GPS auslassen und direkt zum übernächsten WP fliegen – geht das auch ganz einfach: FPL-Seite im GPS aufrufen, zum gewünschten WP scrollen, diesen markieren, auf die DIRECT TO-Taste des GPS drücken und bestätigen. Sofort ändert der A/P den Kurs.

Die Ecken meiner Heimatplatzrunde habe ich mir als Waypoints in das GPS programmiert. Die richtigen Koordinaten hat am schnellsten wenn man sie in Google Earth am PC ermittelt. Komme ich von einem Streckenflug zurück, wähle ich als letzten WP des FPL einfach den passenden Einflugpunkt in die Platzrunde als Punkt an, den der A/P anfliegen soll. Jetzt muss ich nur noch in der richtigen Entfernung die Höhenhaltung raus nehmen und auf die passende Sinkrate trimmen, um in Platzrundehöhe raus zu kommen.

Habe ich diese ein, zwei Meilen vor der Platzrunde erreicht, drücke ich wieder auf ALT HOLD und fliege automatisch bis zur Platzrunde weiter – wo ich den A/P ausschalte. Das macht so viel Spaß, dass ich mir bereits vornehmen muss, wieder mehr von Hand zu fliegen …

Update, 2. 1.2009

Jetzt bin ich etwa 40 Stunden mit dem S-TEC 30 geflogen, und ich kann nur sagen: perfekt!

“George” fliegt präzise wie am ersten Tag, hält Kurs und Höhe ganz genau, und bis jetzt gab es auch keinerlei Probleme. Anfangs dauerte es etwas, bis ich mich an das Piepsen gewöhnte, dass mich (in Verbindung mit einer gelben Leuchtdiode) zum Trimmen aufforderte, aber mittlerweile weiß ich schon vor dem Aktivieren des A/P ziemlich genau, wie ich das Flugzeug trimmen muss, damit “George” wenig Kraft aufwenden muss. In der Regel muss ich etwas mehr “nose down” trimmen, als wenn ich von Hand fliege, also betätige ich kurz auf die Höhenrudertrimmung bevor ich die Höhenhaltung aktiviere. Auf jeden Fall bereue ich es nicht, auf das “Autotrim”-Feature verzichtet zu haben, das S-TEC ja ebenfalls anbietet. 3000 Dollar kann man auf jeden Fall besser anlegen, in einem leichten Flugzeug ist “Autotrim” nicht notwendig.

Viel besser als vorher ist meine Luftraumbeobachtung beim Streckenflug wenn ich den A/P fliegen lasse – einfach weil ich nicht damit beschäftigt bin, Kurs und Höhe zu halten. Am angenehmsten aber ist, dass ich mir in Ruhe eine (Anflug-)Karte ansehen und einprägen kann, bevor ich auf einem fremden Flugplatz lande.

Update, 4.8.2009

Der S-TEC 30 fliegt nun bereits seit über 100 Stunden fehlerfrei in der “Delta Mike Victor”. Folgendes ist mir noch aufgefallen:

  • In starker Thermik ist es manchmal besser, ohne die Höhenhaltung zu fliegen, sondern die Maschine nur auf Horizontalflug auszutrimmen. Das trifft vor allem zu wenn man nicht auf Strecke fliegt, sondern etwa in großen Kreisen über einem Gebiet fliegt, um zu fotografieren. Die Thermik in Verbindung mit der dann ständig wechselnden Windrichtung macht dem A/P etwas Probleme.
  • Ist der A/P-Hauptschalter beim Start in der Stellung “Aus” gewesen und man schaltet den A/P  kurz nach dem Start ein, darf man nicht erschrecken, wenn die Steuerung im Moment des Selbststests etwas schwer geht. Woran das genau liegt, habe ich noch nicht herausgefunden, aber ich tippe darauf, dass zum Selbsttest auch eine kraftschlüssige Verbindung der Servos mit den Rudern gehört.
  • Am Anfang drückte ich oft etwas voreilig und bei nicht sauber getrimmter Maschine auf “ALT HLD”  wenn ich die Reiseflughöhe erreicht hatte. Dann kam oft das Gepiepse der Trimmwarnung wenn die Maschine schneller wurde. Jetzt fliege ich eine Minute länger von Hand, bis die Geschwindigkeit konstant  ist und die Maschine sauber getrimmt. Seitdem höre ich die Trimmwarnung nur noch selten.
  • Wenn ich im GPS-Modus (mit dem Garmin GNS 430) auf Strecke fliege und diesen dann unterbreche, etwa um einen kleinen Schlenker zu fliegen und etwas anzuschauen, dann habe ich anfangs immer auf “GPSS” gedrückt, wieder auf den ursprünglichen GPS-Kurs zurück zu kommen. Das aber ist zu umständlich, da der Autopilot dann in einem zeitraubenden Winkel zurück zur Kurslinie fliegt. Besser: Flugplan öffnen, nächsten Waypoint in der Liste markieren, Direct-Taste, Enter. So hat man für das aktuelle Leg wieder einen neuen Kurs.

Update, 25.10.2014

2013 war es soweit, der erste Defekt des Autopilotensystems, wenn auch ein banaler. Die im Rohr des linken Steuerhorns verlaufenden Kabel zu den Schaltern am Steuerhorn (Mode, Disconnect, Alt) begannen durchzuscheuern. Zunächst musste man zwei mal drücken, um die Höhenhaltung zu aktivieren – ein paar Monate später schaltete sich der A/P im Flug ab. Avionik Straubing verlegte daraufhin eine neues Spiralkabel, das nun unter der Steuersäule hängt und durch ein kleines Loch ins Panel führt. Nicht so elegant – aber technisch besser!

 POSITIV

  • Kompaktes, leichtes  System, nachrüstbar in den meisten Flugzeugtypen
  • Mit GPSS und Höhenhaltung perfekte Funktionalität für Streckenflüge
  • In Verbindung mit IFR-GPS und GPSS sind GPS-Anflüge möglich
  • Einfache Bedienung

NEGATIV

  • Hoher Preis
  • Komplexer und teurer Einbau
  • Ohne teure “Autotrim”-Funktion gelegentliches Nachtrimmen erforderlich

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Diese Website ist kostenlos – und soll es auch bleiben. Auf einen Kaffee lasse ich mich aber gerne einladen.

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About Author

1995-2002 Redakteur und Chefreporter bei fliegermagazin, 2004-2008 Chefredakteur des Airbus-Magazins "Planet Aerospace". Seit 2002 Buchautor und freiberuflicher Luftfahrtjournalist. Privatpilot mit IR Rating.

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