Система управления полетом ( FMS ) является фундаментальным компонентом авионики современного авиалайнера . FMS — это специализированная компьютерная система, которая автоматизирует широкий спектр задач в полете, снижая нагрузку на летный экипаж до такой степени, что современные гражданские самолеты больше не имеют бортинженеров или штурманов . Основной функцией является управление планом полета в полете. Используя различные датчики (такие как GPS и INS, часто подкрепленные радионавигацией ) для определения положения самолета, FMS может направлять самолет по плану полета. Из кабины FMS обычно управляется через блок дисплея управления (CDU), который включает в себя небольшой экран и клавиатуру или сенсорный экран. FMS отправляет план полета для отображения в электронную систему пилотажных приборов (EFIS), навигационный дисплей (ND) или многофункциональный дисплей (MFD). FMS можно резюмировать как двойную систему, состоящую из компьютера управления полетом (FMC) , CDU и перекрестной шины.
Современная FMS была представлена на Боинге 767 , хотя более ранние навигационные компьютеры существовали. [1] Сейчас системы, подобные FMS, существуют на таких маленьких самолетах, как Cessna 182 . В своем развитии FMS имела много разных размеров, возможностей и средств управления. Однако некоторые характеристики являются общими для всех FMS.
Все FMS содержат навигационную базу данных. База данных навигации содержит элементы, из которых строится план полета. Они определены стандартом ARINC 424 . База данных навигации (NDB) обычно обновляется каждые 28 дней, чтобы гарантировать актуальность ее содержимого. Каждая FMS содержит только подмножество данных ARINC/ AIRAC , соответствующее возможностям FMS.
NDB содержит всю информацию, необходимую для построения плана полета, включая:
Путевые точки также могут определяться пилотом(ами) на маршруте или путем ссылки на другие путевые точки с указанием места в форме путевой точки (например, VOR, NDB, ILS, аэропорт или путевая точка/перекресток).
План полета обычно определяется на земле перед вылетом либо пилотом небольших самолетов, либо профессиональным диспетчером авиалайнеров. Он вводится в FMS либо путем его ввода, выбора из сохраненной библиотеки общих маршрутов (маршруты компании), либо через канал передачи данных ACARS с диспетчерским центром авиакомпании.
Во время предполетной подготовки вводится другая информация, необходимая для управления планом полета. Сюда может входить информация о характеристиках, такая как полная масса, масса топлива и центр тяжести. Он будет включать высоты, включая начальную крейсерскую высоту. Для самолетов, не имеющих GPS , также требуется начальная позиция.
Пилот использует FMS для изменения плана полета в полете по разным причинам. Продуманная инженерная конструкция сводит к минимуму количество нажатий клавиш, чтобы минимизировать рабочую нагрузку пилота в полете и исключить любую вводящую в заблуждение информацию (опасно вводящую в заблуждение информацию). FMS также отправляет информацию о плане полета для отображения на навигационном дисплее (ND) системы электронных пилотажных приборов ( EFIS ) бортовых приборов . План полета обычно отображается в виде пурпурной линии с отображением других аэропортов, радиосредств и путевых точек.
Специальные планы полета, часто для тактических требований, включая схемы поиска, встречи, орбиты заправщиков для дозаправки в полете, расчетные точки выпуска воздуха (CARP) для точных прыжков с парашютом, - это лишь некоторые из специальных планов полета, которые могут рассчитать некоторые FMS.
В полете основной задачей FMS является определение местоположения , т. е. определение местоположения самолета и точности этого положения. Простая FMS использует один датчик, обычно GPS, для определения местоположения. Но современные FMS используют как можно больше датчиков, таких как VOR, чтобы определить и подтвердить свое точное положение. Некоторые FMS используют фильтр Калмана для объединения положений различных датчиков в одно положение. Общие датчики включают в себя:
FMS постоянно сверяет различные датчики и определяет положение и точность одного самолета. Точность описывается как фактические навигационные характеристики (ANP) — круг, в котором самолет может находиться в любом месте, измеряемый диаметром в морских милях. Современное воздушное пространство имеет набор требуемых навигационных характеристик (RNP). Самолет должен иметь ANP меньше, чем RNP, чтобы работать в определенном воздушном пространстве на высоких высотах.
Учитывая план полета и положение самолета, FMS рассчитывает курс следования. Пилот может следовать этому курсу вручную (так же, как следование по радиалу VOR) или можно настроить автопилот на следование по курсу.
Режим FMS обычно называется LNAV или боковая навигация для бокового плана полета и VNAV или вертикальная навигация для вертикального плана полета. VNAV обеспечивает целевые значения скорости, тангажа или высоты, а LNAV передает автопилоту команду управления по крену.
Сложные самолеты, обычно авиалайнеры, такие как Airbus A320 или Boeing 737 , а также другие самолеты с турбовентиляторными двигателями, имеют полнофункциональную вертикальную навигацию ( VNAV ). Целью VNAV является прогнозирование и оптимизация вертикальной траектории. Наведение включает управление осью тангажа и управление дросселем.
Чтобы иметь необходимую для этого информацию, FMS должна иметь подробную модель полета и двигателя. С помощью этой информации функция может построить прогнозируемую вертикальную траекторию по боковому плану полета. Эту подробную летную модель обычно можно приобрести только у производителя самолета.
Во время предполетной подготовки FMS строит вертикальный профиль. Он использует начальную массу пустого самолета, массу топлива, центр тяжести и начальную крейсерскую высоту, а также план бокового полета. Вертикальный путь начинается с набора высоты на крейсерскую высоту. Некоторые путевые точки SID имеют вертикальные ограничения, например «На высоте 8000 или выше». При наборе высоты можно использовать пониженную тягу или набор «FLEX», чтобы снизить нагрузку на двигатели. Каждый из них необходимо учитывать при прогнозировании вертикального профиля.
Внедрение точного VNAV сложно и дорого, но оно окупается экономией топлива, прежде всего в крейсерском режиме и снижении. В крейсерском режиме, когда большая часть топлива сгорает, существует несколько способов экономии топлива.
По мере сжигания топлива самолет становится легче и может летать выше, где сопротивление меньше. Этому способствуют ступенчатые или круизные подъемы. VNAV может определить, где должен произойти шаг или крейсерский набор высоты (при котором самолет непрерывно набирает высоту), чтобы минимизировать расход топлива.
Оптимизация производительности позволяет FMS определить наилучшую или наиболее экономичную скорость для горизонтального полета. Эту скорость часто называют скоростью ECON . Это основано на индексе стоимости, который вводится для определения веса между скоростью и топливной экономичностью . Индекс стоимости рассчитывается путем деления часовой стоимости эксплуатации самолета на стоимость топлива. [3] [4] Как правило, индекс стоимости 999 обеспечивает максимальную скорость ECON без учета топлива, а индекс стоимости, равный нулю, дает максимальную экономию топлива, игнорируя при этом другие почасовые затраты, такие как расходы на техническое обслуживание и экипаж. Режим ECON — это скорость VNAV, используемая большинством авиалайнеров в крейсерском режиме.
RTA или требуемое время прибытия позволяет системе VNAV ориентироваться на прибытие в определенную точку маршрута в определенное время. Это часто полезно для планирования времени прибытия в аэропорт. В этом случае VNAV регулирует крейсерскую скорость или индекс стоимости, чтобы обеспечить соблюдение RTA.
Первое, что рассчитывает VNAV для снижения, — это вершина точки снижения (TOD). Это точка, с которой начинается эффективный и комфортный спуск. Обычно это предполагает снижение на холостом ходу, но для некоторых самолетов снижение на холостом ходу слишком крутое и неудобное. FMS рассчитывает TOD, «выполняя» снижение назад от приземления, захода на посадку и до крейсерского полета. Это делается с использованием плана полета, модели полета самолета и ветра при снижении. Для FMS авиакомпании это очень сложный и точный прогноз, для простого FMS (на небольших самолетах) его можно определить по «эмпирическому правилу», например траектории снижения в 3 градуса.
На основе TOD VNAV определяет четырехмерный прогнозируемый путь. Когда VNAV дает команду дроссельной заслонке перейти на холостой ход, самолет начинает снижение по траектории VNAV. Если прогнозируемый путь неверен или ветер на нисходящей траектории отличается от прогнозируемого, то воздушное судно не будет точно следовать по траектории. Самолет меняет угол наклона, чтобы сохранить траекторию. Поскольку дроссели находятся на холостом ходу, это будет модулировать скорость. Обычно FMS позволяет скорости изменяться в небольшом диапазоне. После этого либо дроссели выдвигаются вперед (если самолет находится ниже траектории), либо FMS запрашивает скоростное торможение с сообщением, часто «ТРЕБУЕТСЯ ПЕРЕСЫЛКА» (если самолет находится выше траектории). На самолетах Airbus это сообщение также появляется на PFD. На самолетах Boeing, если самолет слишком далеко отклоняется от заданной траектории, он переключится с VNAV PTH (который следует расчетному маршруту) на VNAV SPD. (который снижается с максимально возможной скоростью, сохраняя выбранную скорость, аналогично OP DES (открытый спуск) на аэробусах.
Идеальный спуск на холостом ходу, также известный как «зеленый спуск», требует минимального расхода топлива, минимизирует загрязнение окружающей среды (как на большой высоте, так и вблизи аэропорта) и минимизирует местный шум. Хотя большинство современных FMS крупных авиалайнеров способны снижаться на холостом ходу, большинство систем управления воздушным движением в настоящее время не могут обслуживать несколько самолетов, каждый из которых использует свой собственный оптимальный путь снижения в аэропорт. Таким образом, авиадиспетчерская служба сводит к минимуму использование спусков на холостом ходу.