Pilot Induced Oscillation

Als pilotenverursachte Oszillation (engl. Pilot-induced oscillation, kurz PIO, mittlerweile korrekter als Pilot-Aircraft-Coupling) bezeichnet man in der Luftfahrt die Wechselwirkung von Steuervorgängen eines Piloten mit dem Schwingungsverhalten des Flugzeugs. Sie kann entstehen, wenn der Pilot eines Luftfahrzeugs eine starke Steuerbewegung ausführt, das Flugzeug darauf mit einer Bewegung reagiert und der Pilot wiederum versucht, dies ebenfalls mit einer starken Reaktion in die Gegenrichtung auszugleichen. Es handelt sich also um eine Wechselwirkung der Steuerfrequenz des Piloten mit der Eigenfrequenz des Flugzeugs. Somit ist dieser Fall mit der Resonanzkatastrophe der Schwingungslehre vergleichbar.

Die Physik eines Luftfahrzeugs macht diese Oszillation für Piloten schwieriger als bei Kraftfahrzeugen. So führt das Bestreben, ein Flugzeug durch Ziehen am Höhenruder steigen zu lassen, automatisch zu einer Verringerung der Fluggeschwindigkeit. Ein weiterer Faktor ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Instrumente im Vergleich zur Reaktionsgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges. So wird das Erhöhen der Leistung der Triebwerk nicht sofort das Ansteigen der Fluggeschwindigkeit hervorrufen. Auch der Anstieg der Steigungsrate wird nicht sofort am Variometer angezeigt.

Ein Pilot, der ein Sinken von 500 Fuß pro Minute anstrebt, kann dieses Sinken als zu schnell empfinden. Er beginnt nun, dem durch Ziehen am Hohenruder entgegenzuwirken, bis das Variometer die gewünschte Sinkgeschwindigkeit anzeigt. Da das Variometer die Sinkgeschwindigkeit mit einer Verzögerung anzeigt, sinkt das Flugzeug mit einer kleineren Rate als 500 Fuß pro Minute. Durch Drücken am Höhenruder versucht der Pilot, dies auszugleichen, wobei der Ablauf erneut beginnt. Das Stabilisieren der Sinkgeschwindigkeit ist schwieriger als angenommen, da sich zudem auch die Fluggeschwindigkeit ändert.

Die gefährlichste pilotenverursachte Oszillation kann bei Landungen entstehen. Ein kurzes, zu starkes Ziehen am Höhenruder kann dazu führen, dass das Flugzeug zu langsam wird und an Auftrieb verliert. Eine natürliche Reaktion ist in so einem Fall, die Nase stärker nach unten zu drücken, was aber wiederum zu einem zu starken Sinken führt. Ein nachträgliches Ziehen wiederholt den Vorgang.

Eine pilotenverursachte Oszillation war 1992 Schuld an dem Flugzeugabsturz eines Prototyp des F/A-22 Raptor bei einer Landung auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien. Im Februar 1989 stürzte ein Prototyp des Saab JAS-39 "Gripen" bei der Landung in Linköping, Schweden, ab. Auch hier war PIO, ausgelöst durch ein zu empfindliches und langsam reagierendes Steuersystem die Ursache. Als Folge dessen wurde das Steuersystem neu entworfen.

Möglicherweise das erste Zeugnis eines PIO-Phänomens stammt von Orville Wrights erstem Motorflug im Jahre 1903. Wright berichtete später: "Ich fand es sehr schwierig das vordere Ruder zu korrigieren [...] man konnte plötzlich 3 Meter in die Höhe schießen, und dann, wenn man es korrigiert hatte, plötzlich in Richtung Boden stürzen"