Technologie: IFCS

Das IFCS oder Inteligent Flight Controll System (Intelligentes Flug Kontroll System) ist ein Unterstützungssystem, das dem Piloten hilft sein Raumschiff zu steuern. Es überträgt die Handlungen des Piloten in die Thruster des Schiffes, um das steuern zu gewährleisten, auch wenn der Antrieb suboptimal oder gar ausgefallen ist. Es ist ein adaptives System, das in Kombination mit Sensoren und Rückmeldungskontrolle die Flugbahn des Schiffes selbst, mit die der gewünschten Eingabe des Piloten übereinstimmt und somit die Fehlerquelle verringert. Es ist auch tolerant gegenüber Ausfällen von Triebwerken die es mit seinem „Control Moment Gyro“ kompensiert und es versucht auszugleichen und wenn möglich, auch die volle Kontrolle dem Piloten zu gewährleisten. Auch wenn man nur noch einen Triebwerken hat, kann der Pilot, auch wenn unter erschwerten Bedingungen sein Schiff steuern.

IFCS Funktionsweise

IFCS nimmt die Steuerungseingaben des Piloten an, welche eine Vielzahl an Befehlen enthalten können, aber letztendlich in 3 Bewegungs- und Rotationsrichtungen übersetzt werden. Zusätzlich können andere Piloteneingaben in diversen Phasen vom IFCS Steuerungssystem verwendet werden.

Sobald Eingabewerte von IFCS Modulen wie der Richtungsänderungskontrolle und G-Kraftregelung verändert wurden, Geschwindigkeitslimits eingebunden wurden, usw. werden die modifizierten Eingabewerte an das primäre Steuerungssystem (PCS) weitergegeben, welches sowohl den PID-Controller für die Linear- als auch jenen für die Kreisgeschwindigkeit enthält. Diese Steuerungsfunktionen berechnen die optimale Kraft und das optimale Drehmoment welche, wenn sie auf das Schiff angewandt werden, die angeforderte Bewegung verursachen.

Gleichzeitig wird die Ausrichtung ausgelesen und an das Reaktionssteuerungssystem (RCS) weitergegeben, wo ein PID-Controller verwendet wird, um die reale Ausrichtung des Schiffes der Zielausrichtung, die vom PCS erhalten wird, anzugleichen. Die Steuerungseinheit erzeugt dann eine Ausgabe, welche den Ausrichtungsfehler optimal korrigiert.

Letztendlich werden noch bestehende Kraftfelder, typischerweise Schwerkraft, an das Antischwerkraftsystem weitergegeben, welche die nötige Gegenkraft berechnet. Sobald die benötigten Kräfte und Drehmomente berechnet wurden, werden ihnen die Schubkräfte sortiert nach Priorität von hoch zu niedrig zugeordnet. Antischwerkraft (AGS) wird hierbei zuerst zugewiesen, da ein Fehler in der Generierung von ausreichend Gegenschub katastrophal enden könnte. Anschließend wird das Reaktionssteuerungssystem (RCS) versorgt, wobei die Ressourcen erst vom Primärschubsystem abgezogen werden und anschließend, wenn nicht genug Schub verfügbar ist, vom Drehsteuerungsgyroskop (CMG). Und am Ende, als niedrigste Priorität, werden Verschiebebewegungen (Strafing) umgesetzt.

Nach kurzer Zeit, sobald das Schubsystem die IFCS Kommandos ausgeführt hat, lesen Sensoren die aktuelle Schiffsposition aus, welche vom erwarteten Zustand abweichen kann, weil Schubdüsen ausgefallen sind, unkompensierte externe Kräfte gewirkt haben, usw., und gibt diese dann wieder an das IFCS zurück, welches den Vorgang wiederholt.

Das IFCS umfasst viele Subsysteme die miteinander zusammen arbeiten um das Raumschiff stabil und kontrolliert zu steuern. Dies sind:

### Propulsion and Attitude Control (PAC)
Das PAC (Antrieb und Fluglage)beherbergt alle Triebwerken, die zusammen die Rotations- und seitliche Schiebungsaktion erstellen und die „Control Moment Gyro“ (CMG) Einheit, die für die Lage des Schiffes zuständig ist. Es enthält auch all die Schaltkreise und die Kontrollsoftware für diese Einheiten.

Primary Control System (PCS)

Das Primäre Kontrollsystem(PCS) ist die Schnittstelle zwischen dem Piloten und dem IFCS. Er wandelt die Aktionen des Piloten in Kommandos für das virtuelle Kontrollgerüst um, das wiederum die gewünschte Richtung des Piloten bestimmt. Das virtuelle Kontrollgerüst beherbergt eine Anzahl an Kombinationen von Richtungen, Rotationen, Winkeln und Referenz Fluglagen. Das virtuelle Gerüstrepräsentiert den ideale Zustand des Schiffes unter perfekter Kontrolle, so dass die Handlungen des Piloten innerhalb dieses Gerüstes sind und somit die Fehler des Piloten limitiert.

Reaction Control System (RCS)

Der physikalische Zustand desvirtuellen Gerüstes (PCS) wird durch die Triebwerke und des CMG in Zusammenhang mit der Handlung des Piloten bestimmt. Unter diesen Umständen funktioniert das PCS perfekt und ist Synchron mit der Fluglage des Schiffes. Unter Umständen, wie suboptimale oder versagende Triebwerke durch Einwirkung von Beschuss oder Explosionen kann die eigentliche Fluglage mit der des virtuellen Gerüstes abweichen. Wenn dies passiert, ist es die Aufgabe des Reaktionskontrollsystem (RCS) die Abweichung auszugleichen.

Um dies zu bewältigen, nutzt es die Triebwerke wie auch das „Control Moment Gyros“ zusammen. Wenn es nicht in der Lage ist die Fluglage in einer gewissen Zeit zu synchronisieren, wird es das virtuelle Gerüst neu laden, um es mit den Daten der neuen aktuellen Fluglage zu versehen, um den Piloten vor Orientierungslosigkeit zu schützen.

Anti-gravity System (AGS)

Das Antigravitationssystem (AGS) ermittelt und kompensiert die Gravitation und im Generellen auch die Einwirkung auf das Schiff von außerhalb um es auf der Flugbahn zu halten.

Turn Control System (TCS)

Das Wendekontrollsystem (TCS) hilft dem Piloten stabile Wendungen zu erreichen. Bei höheren Geschwindigkeiten, reichen meistens die Thruster nicht aus um eine stabile Wende zu erlangen und das Schiff kommt ins Schlittern, die meistens mit einer Kollision enden. Normalerweise reduziert ein Pilot die Geschwindigkeit bei einer Wende, doch das TCS übernimmt hier die Regelung der Geschwindigkeit mit der Regulierung des Vorwärtsschubes, um die gewünschte Wende zu gewährleisten. Das System merkt sich die optimale Verfügbarkeit des Schubes mit der kalkulierten Wendegeschwindigkeit.

G-force Control Mode (GCM)

Das G-Kräfte Kontrollsystem ist ein Sicherungsmodus, das die Limitierung der ausgesetzten G-Kräfte auf den Piloten reguliert. Die primäre Gefahr eines Piloten ist es, wenn er einer längeren, erhöhten Aussetzung der vertikalen G-Kräfte unterliegt. Dies kann zu Blackouts, Orientierungslosigkeit wie auch, wenn nicht behoben, bis zum Tode führen. Horizontale G-Kräfte von extremer Auswirkung sollten auch vermieden werden, da sie nicht nur physikalische Schäden am Pilotenanrichten, sondern auch strukturelle Schäden am Schiff auftreten können. Zusätzlich zu diesen Standard Subsystemen können noch andere Funktionenimplementiert werden, in erweiterten Systemen.

Geschwindigkeits- und Ausrichtungssteuerung

Da das IFCS sich nicht vollständig auf das Schubsystem verlassen kann, um die angeforderte Bewegung auszuführen, benutzt es einen PID (Proportional Integral Derivative) Controller, um den Fehler zwischen gewünschtem Status und gemessenem Status zu minimieren. Diese Controller werden sowohl vom primären Steuerungssystem verwendet, um die optimale Kraft und das optimale Drehmoment für die Ausführung der Steuerungsbefehle zu berechnen, als auch vom Reaktionssteuerungssystem, um die Ausrichtung zu halten.

PID Controller können modifiziert werden, um eine Reihe an Reaktionscharakteristika zu haben. Am Beispiel Geschwindigkeit wird ein Überdämpfer Controller das Schiff sehr schnell in Richtung der Referenzgeschwindigkeit beschleunigen, darüber hinweg schießen und etwas schwanken wenn, es sich der Zielgeschwindigkeit angenähert hat. Ein Unterdämpfer Controller wird langsamer beschleunigen und ohne über die Zielgeschwindigkeit hinauszuschießen, diese annehmen. Ein kritisch gedämpfter Controller wird optimal beschleunigen, um möglichst schnell die Zielgeschwindigkeit zu erreichen, ohne über sie hinauszuschießen.

Die primären Steuerungssystemcontroller, die für Linear- und Kreisgeschwindigskeits Steuerung verantwortlich sind können dynamisch eingestellt werden. Basierend auf der Stärke der Eingaben des Piloten können diese von schwacher bis hin zu aggressiver Beschleunigungsreaktion reichen. Des Weiteren könnten einzelne Piloten eine mehr oder weniger starke Beschleunigungsreaktion bevorzugen.

Die tatsächliche Antwortzeit des IFCS Controllers ist nicht nur von den Einstellungen abhängig, sondern auch von der Reaktionszeit der Schubsystemkomponenten.

Triebwerks Ausrichtungssystem

Die Primärkomponente des Schubes auf den meisten Schiffen werden die Triebwerke sein. Das Star Citizen Flugmodell bietet eine 100% realitätsgetreue Modellierung, die die Position jedes Triebwerks relativ zum Zentrum der Masse des Schiffes, sowie die maximale Schubkraft und Reaktionszeit jedes Triebwerks in die Berechnung mit einbezieht. Unter idealen Bedingungen werden die Triebwerke ausgeglichen und auf das vorgesehene Massezentrum des Schiffes wirken. Dies erlaubt dem Schiff optimale Kontrolle über die Triebwerke. In diesem Bild sind die oberen, hinteren Triebwerke ausgeglichen um das Massezentrum positioniert und werden kein Drehmoment auf die Z-Achse anwenden.

Wenn Schaden erlitten wurde, kann es passieren dass sich das Massezentrum verschiebt und somit das Triebwerkssystem destabilisiert. Im folgenden Bild sind die Triebwerke nicht mehr ausgeglichen um das Massecenter positioniert. Geben die Triebwerke Schub wird ein Drehmoment auf die Z-Achse angewendet, was zu einem Drehen auf ihr führt (Yaw). IFCS wird versuchen, dieses Drehmoment zu kompensieren, indem andere Triebwerkspaare verwendet werden, um ein Gegendrehmoment zu erzeugen und – wenn es dies nicht kann – wird versuchen, das Drehmoment durch ein Reduzieren des Schubes der Triebwerke auszugleichen.

Schaden und andere Gegebenheiten können auch den möglichen maximalen Schub, die Reaktionszeit oder sogar die Genauigkeit jedes Triebwerks verringern, oder ein Triebwerk könnte vollkommen funktionslos oder komplett verloren werden. Jede dieser Änderungen wird einen Effekt auf die Balance der Triebwerke haben und somit auf das Flugverhalten des Schiffes.

Drehsteuerungs-Gyroskope

Jedes Schiff hat ein kleines Drehmoment zur Verfügung, auch wenn alle Triebwerke verloren oder beschädigt sind. Dieses Drehmoment kommt von einigen internen Gyroskopen. Solange die Gyroskope funktionsfähig sind, wird der Pilot immer ein Minimum an Drehmoment für die Drehung auf jeder Achse zur Verfügung haben. Dieses Drehmoment reicht aus, um die Ausrichtung des Schiffes zu stabilisieren und kann zur langsamen Drehung unter direkter Kontrolle des Piloten verwendet werden.