VNAV

[Marc]

Hallo lepa06l!

Ich werde mich mal bemühen, weniger einzelne Detailfragen zu beantworten, als generell etwas zum FMS zu sagen, denn ich glaube, hier liegt Dein eigentliches Verständnisproblem. Bei den recht vielen FMC-HowTo sieht man häufiger den Wald vor lauter Bäumen nicht. Ich versuche hier deshalb einmal eine extrem unorthodoxe Erklärung für das FMC (Marcs didaktisches Experiment)

Das FMS hat zwei Funktionen: Ankommen (LNAV) und zwar billig (VNAV).

Seriös betrachtet besteht das FMS also aus einer Navigationskomponente und einer Performancekomponente.

Die Navigation ist schnell erklärt.
Ich schaue von oben auf eine Karte. Jetzt will ich von DUS zum Ballermann. Da weiß dann das FMS, dass es auf der Karte nach „unten rechts“ geht und hier und da ein Funkfeuer und Fix dazwischen liegt. Also eine simple „Wo bin ich – wo will ich hin – wie komme ich dahin“ Funktion. Praktischerweise kennt das FMS dazu dann natürlich alle NDBs, VORs, Fixes, SIDs, STARs… alles was man so braucht um von oben auf eine Karte schauend zu zeigen, wie man von A nach B kommt. Man nennt das laterale Navigation. Und, oh Wunder, bei Boeing Fliegern heißt der Modi, der denn Autopiloten an diese Funktion koppelt, LNAV. Es geht darum, von A nach B zu kommen.

Der andere Teil ist schwieriger zu verstehen, und einige Fragen hier im Forum zeigen auch immer wieder, dass einige Simmer den VNAV Modus nicht wirklich richtig verstanden haben. Der VNAV Modus ist kein Platzhalter für eine Liste mit ausgedachten Höhen.
Die Grundüberlegung ist folgende: Das Fliegen muss (neben sicher) vor allem billig sein.
Mit steigender Höhe nimmt die Dichte der Luft ab. Das bedeutet, je höher Du fliegst, desto dünner ist die Luft. Das bedeutet aber auch, je höher Du fliegst, desto weniger Luftwiderstand hast Du. Und das bedeutet dann, je höher Du fliegst, desto weniger Treibstoff verbrauchst Du. So weit, so einfach. Jetzt kommt der Haken. Es ist nämlich nicht immer höher immer besser: Für einen Steigflug verbrauchst Du mehr Treibstoff als für einen Geradeausflug – klar, denn es wird ja nicht nur Energie benötigt, um die Maschine nach vorne zu bringen, sondern auch nach oben. Stell Dir vor, Du fährst mit Deinem Auto nur 100 m weit – da macht es auch keinen Sinn, bis auf 70 km/h zu beschleunigen, und dann eine Vollbremsung zu machen. Wenn Du von Düsseldorf nach Köln fliegen würdest, dann würde es keinen Sinn machen, 10.000 Meter hoch zu steigen. Zwar würdest Du ganz kurze Zeit dort oben einige Kilo Treibstoff sparen. Der Steigflug würde Dich aber viele Tonnen kosten. Wenn Du nun aber von Düsseldorf nach London mit einer Boeing in 1000 Meterm fliegen würdest, würde das anders herum sein: Der ganz geringe Steigflug kostet kaum Treibstoff, aber unterwegs verbrennst Du eine ganze Menge in der dichten Luft da unten.
Es gilt also immer, die optimale Höhe zu finden. Und die ist immer anders. Und die hängt von ganz vielen Faktoren ab: Der Länge der Strecke, dem Gewicht des Fliegers, der Temperatur… hier gibt’s entsetzlich viel zu berechnen. Und deshalb hilft wieder das FMS. Nach Eingabe der erforderlichen Daten berechnet das FMC einfach alles so, dass es so günstig wie möglich ist. Das FMS berechnet, wann Du wo wie hoch und schnell sein sollst, um die optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Andererseits gilt aber auch „time is money“ und spätestens wenn Du mit 180 Knoten die Strecke Sydney-Frankfurt fliegen würdest, würdest Du merken, dass Dein Flieger einfach viel zu lange benötigt. In der wertvollen Zeit hättest Du, wenn Du schneller wärst, schon eine neue Strecke mit neuen, zahlenden Passagieren fliegen können. Deshalb lässt sich das FMS auf verschiedene Weisen beeinflussen. Wenn z.B. der Treibstoff sehr billig ist, kann auch schon mal schneller geflogen werden. Dann gibt’s letztlich die gleichen Spritkosten, aber einen Zeitgewinn. Oder, wenn die Maschine aus welchen Gründen auch immer mehr Zeit hat, dann kann sie langsamer und damit spritsparender fliegen. Oder auch mal etwas schneller, wenn’s sein muss. Dafür gibt’s dann verschiedene Modi (economy cruise, speed cruise...) und andere Parameter wie den cost index, der ein Verhältnis aus Inflight-Kosten und Treibstoff-Kosten beschreibt. Jaja, der Modus, der diese Berechnungen auf den Autopiloten schaltet, ist der VNAV Modus. Es geht darum, billig von A nach B zu kommen.


Nun dazu, wie diese Steuerung sich auf das Flugzeug auswirkt: Ähnlich wie ein Ottomotor bei verschiedenen Drehzahlen unterschiedlich effektiv ist, ist das auch bei Triebwerken. Hier gibt’s wirtschaftlichste Betriebswerte für unterschiedliche Flugzustände (Starten, Steigen, Reisen, Sinken)
Verschiedene optimale Werte gibt’s auch bei den Geschwindigkeiten. So wie ein durchschnittlicher PKW z.B. bei ~ 90 km/h das günstigste Verhältnis zwischen Luftwiderstand und Fortkommen hat, steigt eine Boeing 757-200 z.B. bei ~ 312 Knoten am wirtschaftlichsten.
Es gibt zusammenwirkende Faktoren: Triebwerksleistung, Geschwindigkeit, Anstellwinkel. Stark vereinfacht sind die Zusammenhänge klar: Änderst Du den Anstellwinkel, wird die Maschine langsamer. Erhöhst Du die Triebwerksleistung, wird die Maschine schneller.

[Marc]

Wenn nun also für den Steigflug feststeht, dass die Maschine mit x Knoten am besten steigt, und die Triebwerke dabei mit einer EPR von Y am wirtschaftlichsten laufen, bleibt ja der einzig veränderbare Wert der Anstellwinkel. Also stellt der VNAV Modus im Steigflug die Nase so steil, dass mit der Triebwerksleistung Y genau die Geschwindigkeit X eingehalten wird. So bleibt alles ganz billig.
Im Reiseflug ist’s nun anders. Der Anstellwinkel muss so sein, dass die Maschine nicht steigt. Und die Triebwerksleistung so, die eine vorgegebene Geschwindigkeit gehalten wird. Also variiert die Maschine die nun die Triebwerksleistung, da die Geschwindigkeit und die Anstellwinkel (indirekt durch die zu haltende Höhe) bereits vorgegeben sind. Der Vertical Speed Modus hat hier gar nichts zu suchen, denn mit einer konstanten Rate zu steigen oder sinken ist gar nicht interessant.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der VNAV Modus mit Hilfe der Autothrottle sich immer bemüht, die Maschine so wirtschaftlich optimal wie möglich zu fliegen. Die Kriterien dazu lassen sich beeinflussen. Der Sinn des VNAV Modus ist es also - sehr untechnisch gesagt - eigentlich, hier ganz freie Hand zu gewähren. Der VNAV Modus ist nicht „so eine Art tabellarischer Flugplan“, auf dem der Pilot für jeden Wegpunkt selbst eine Höhe und Geschwindigkeit festlegen darf. Interessanterweise lesen sich aber gerade diese Fragen häufig im Forum.

Leider gibt’s nun aber etwas, was die ganze Sache wirklich stört: Wir sind nicht allein auf der Welt. Und die Fluglotsen wollen häufig, dass mit einer anderen Höhe und Geschwindigkeit geflogen wird, als es das FMS als wirtschaftlich erachtet. Wenn nun also eine Instruktion bei Funk kommt, langsamer oder tiefer oder höher oder schneller zu fliegen, dann muss nicht extra sehr mühsam der FMC umprogrammiert werden, sondern es lassen sich die Werte einfach übersteuern: Mit dem MCP. Hier lassen sich Höhe und Geschwindigkeit ganz einfach beeinflussen. Eine eingedrehte Höhe z.B. limitiert den Steigflug: Der AP steigt nur bis zur MCP Höhe, auch wenn das FMS eine viel größere Höhe berechnet hat. Eine eingedrehte Höhe und ein Drücken des Alt Knopfes überschreibt ein waypoint constraint. Eigentlich ganz intuitiv…

So, ich hoffe, ich habe jetzt bei dem ganz spontan online getippten Text keine gröberen Schnitzer dabei. Für Anmerkungen bin ich natürlich dankbar. Ich weiss, dass ich damit nicht direkt Deine Frage beantwortet habe, aber ich glaube, wenn einmal wirklich das Grundprinzip richtig verstanden wurde, hilft das viel mehr als einzelne Detailantworten.

Schöne Grüße
Marc

[gexx]

Original geschrieben von Marc Störing


Der VNAV Modus ist nicht „so eine Art tabellarischer Flugplan“, auf dem der Pilot für jeden Wegpunkt selbst eine Höhe und Geschwindigkeit festlegen darf. Interessanterweise lesen sich aber gerade diese Fragen häufig im Forum.

Hallo Marc!

Es ist aber möglich für die verschiedenen Waypoints die Höhen vorzuschreiben , die dann im VNAV-Modus abgeflogen werden.

Grüße
Robert

[Marc]

Original geschrieben von gexx
Es ist aber möglich für die verschiedenen Waypoints die Höhen vorzuschreiben , die dann im VNAV-Modus abgeflogen werden.

Ja, klar. Aber ich habe doch auch nie gesagt, dass das nicht geht. Die Textpassage ist da vielleicht undeutlich. Ich wollte nur deutlich machen, dass da nicht unbedingt der primäre Sinn drinn liegt.

Schöne Grüße
Marc

[lepa06l]

Hallo Marc, vielen lieben Dank für Deine Mühe mir zu helfen bei meinem "VNAV" Problem. Habe mir Deinen Beitrag ausgedruckt, weil ich es jetzt nicht mehr schaffe alles auszuprobieren. Werde mir Deine Tips aber sehr zu Herzen nehmen und meine Erfahrungen hierzu, wenn dann äußern, aber Dir nochmal vielen DANK!!!!!!!!

[AlphaBravo]

Hallo Marc,

mit großem Interesse habe ich das Grundprinzip von VNAV gelesen. Ich bin beeindruckt. Das ist super erklärt!
Es wäre vielleicht Wert es in einer FXP abzudrucken.
Danke, denn jetzt verstehe ich die Sache.