Система управления полетом ( FMS ) является основополагающим компонентом авионики современного авиалайнера . FMS — это специализированная компьютерная система, которая автоматизирует широкий спектр задач в полете, снижая нагрузку на 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 экипажа FMS обычно управляется через блок отображения 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 обобщить как двойную систему, состоящую из компьютера управления полетом (FMC) , CDU и шины перекрестных разговоров.
Современная FMS была представлена на Boeing 767 , хотя существовали и более ранние навигационные компьютеры. [1] Теперь системы, похожие на FMS, существуют на таких маленьких самолетах, как Cessna 182. В своей эволюции FMS имела много разных размеров, возможностей и элементов управления. Однако некоторые характеристики являются общими для всех FMS.
Все FMS содержат навигационную базу данных. Навигационная база данных содержит элементы, из которых строится план полета. Они определены с помощью стандарта ARINC 424. Навигационная база данных (NDB) обычно обновляется каждые 28 дней, чтобы гарантировать актуальность ее содержимого. Каждая FMS содержит только подмножество данных ARINC / AIRAC , соответствующих возможностям FMS.
NDB содержит всю информацию, необходимую для построения плана полета, в том числе:
Точки маршрута также могут быть определены пилотом(ами) вдоль маршрута или путем ссылки на другие точки маршрута с вводом места в виде точки маршрута (например, VOR, NDB, ILS, аэропорт или точка маршрута/пересечение).
План полета обычно определяется на земле, перед вылетом, либо пилотом для небольших самолетов, либо профессиональным диспетчером для авиалайнеров. Он вводится в FMS либо путем ввода с клавиатуры, либо путем выбора из сохраненной библиотеки общих маршрутов (маршрутов компании), либо через канал передачи данных ACARS с диспетчерским центром авиакомпании.
Во время предполетного полета вводится другая информация, имеющая отношение к управлению планом полета. Это может включать информацию о производительности, такую как общий вес, вес топлива и центр тяжести. Она будет включать высоты, включая начальную высоту крейсерского полета. Для самолетов, не имеющих GPS , также требуется начальное положение.
Пилот использует FMS для изменения плана полета в полете по разным причинам. Значительная инженерная конструкция минимизирует нажатия клавиш, чтобы минимизировать рабочую нагрузку пилота в полете и устранить любую запутанную информацию (опасно вводящую в заблуждение информацию). FMS также отправляет информацию о плане полета для отображения на навигационном дисплее (ND) бортовых приборов электронной системы пилотажных приборов ( EFIS ). План полета обычно отображается в виде пурпурной линии с другими аэропортами, радиосредствами и точками маршрута.
Некоторые системы управления полетами могут рассчитывать специальные планы полета, часто для тактических нужд, таких как схемы поиска, встречи, орбиты дозаправки в воздухе и расчетные точки сброса парашюта (CARP) для точных прыжков с парашютом.
После полета основной задачей FMS является получение определения местоположения , т. е. определение местоположения самолета и точности этого местоположения. Простые FMS используют один датчик, как правило, GPS, для определения местоположения. Но современные FMS используют столько датчиков, сколько могут, например, VOR, для определения и подтверждения своего точного местоположения. Некоторые FMS используют фильтр Калмана для интеграции положений от различных датчиков в единое положение. Обычные датчики включают:
FMS постоянно перепроверяет различные датчики и определяет положение и точность одного самолета. Точность описывается как фактическая навигационная производительность (ANP) — круг, в пределах которого самолет может находиться в любом месте, измеряемый как диаметр в морских милях. Современное воздушное пространство имеет установленные требуемые навигационные характеристики (RNP). Самолет должен иметь свой ANP меньше своего RNP, чтобы работать в определенном воздушном пространстве на большой высоте.
Учитывая план полета и положение самолета, FMS вычисляет курс следования. Пилот может следовать этому курсу вручную (подобно следованию радиалу VOR), или автопилот может быть настроен на следование курсу.
Режим FMS обычно называется LNAV или боковая навигация для бокового плана полета и VNAV или вертикальная навигация для вертикального плана полета. VNAV обеспечивает скорость и тангаж или высоту, а LNAV обеспечивает управление креном для автопилота.
Сложные самолеты, как правило, авиалайнеры, такие как Airbus A320 или Boeing 737 и другие самолеты с турбовентиляторными двигателями, имеют полнофункциональную вертикальную навигацию ( VNAV ). Целью VNAV является прогнозирование и оптимизация вертикальной траектории. Наведение включает в себя управление осью тангажа и управление дроссельной заслонкой.
FMS должна иметь полную модель полета и двигателя, чтобы иметь необходимые данные для этого. Функция может создать прогнозируемый вертикальный путь вдоль бокового плана полета, используя эту информацию. Производитель самолета обычно является единственным источником этой полной модели полета.
Вертикальный профиль строится FMS во время предполетной подготовки. Вместе с планом бокового полета он использует начальный пустой вес самолета, вес топлива, центр тяжести и крейсерскую высоту. Первым шагом на вертикальном курсе является подъем на крейсерскую высоту. Вертикальные ограничения, такие как «На или ВЫШЕ 8000», присутствуют в некоторых точках маршрута SID. Уменьшение тяги или набор высоты «FLEX» может использоваться на протяжении всего подъема, чтобы сберечь двигатели. Каждое из них необходимо учитывать при создании проекций вертикального профиля.
Внедрение точного VNAV является сложным и дорогим, но оно окупается экономией топлива, прежде всего, в крейсерском режиме и на снижении. В крейсерском режиме, где сжигается большая часть топлива, существует несколько методов экономии топлива.
По мере сжигания топлива самолет становится легче и может подниматься выше, где сопротивление меньше. Этому способствуют ступенчатые или крейсерские подъемы. VNAV может определить, где должны происходить ступенчатые или крейсерские подъемы (при которых самолет непрерывно поднимается), чтобы минимизировать расход топлива.
Оптимизация производительности позволяет FMS определять наилучшую или наиболее экономичную скорость для полета в горизонтальном полете. Это часто называется скоростью ECON . Она основана на индексе стоимости, который вводится для придания веса между скоростью и топливной эффективностью . Индекс стоимости рассчитывается путем деления почасовой стоимости эксплуатации самолета на стоимость топлива. [3] [4] Обычно индекс стоимости 999 дает максимально возможную скорость ECON без учета топлива, а индекс стоимости ноль дает максимальную экономию топлива, не принимая во внимание другие почасовые расходы, 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 нацеливаться на прибытие в определенную точку маршрута в определенное время. Это часто полезно для планирования слотов прибытия в аэропорт. В этом случае VNAV регулирует скорость крейсера или индекс стоимости, чтобы обеспечить соблюдение RTA.
Первое, что VNAV вычисляет для снижения, — это верхняя точка снижения (TOD). Это точка, в которой начинается эффективное и комфортное снижение. Обычно это будет включать снижение на холостом ходу, но для некоторых самолетов снижение на холостом ходу слишком крутое и неудобное. FMS вычисляет TOD, «пролетая» снижение в обратном направлении от приземления через заход на посадку и до крейсерского полета. Он делает это, используя план полета, модель полета самолета и ветры снижения. Для FMS авиакомпаний это очень сложный и точный прогноз, для простых FMS (на небольших самолетах) его можно определить с помощью «правила большого пальца», например, траектории снижения в 3 градуса.
Из TOD VNAV определяет четырехмерный прогнозируемый путь. Когда VNAV отдает команду дросселям перейти на холостой ход, самолет начинает снижение по пути VNAV. Если прогнозируемый путь неверен или ветры на пути снижения отличаются от прогнозируемых, то самолет не будет идеально следовать по пути. Самолет изменяет тангаж, чтобы поддерживать путь. Поскольку дроссели находятся на холостом ходу, это модулирует скорость. Обычно FMS позволяет скорости изменяться в небольшом диапазоне. После этого либо дроссели продвигаются вперед (если самолет находится ниже пути), либо FMS запрашивает тормоза скорости с сообщением, часто «DRAG REQUIRED» (если самолет находится выше пути). На самолетах Airbus это сообщение также появляется на PFD, и, если самолет находится очень высоко на пути, будет отображаться «MORE DRAG». На самолетах Boeing, если самолет слишком сильно отклоняется от предписанного пути, он переключается с режима VNAV PTH (следует по рассчитанному пути) на режим VNAV SPD (снижается максимально быстро, поддерживая выбранную скорость, аналогично режиму OP DES (открытый спуск) на самолетах Airbus).
Идеальный спуск на холостом ходу, также известный как «зеленый спуск», использует минимум топлива, минимизирует загрязнение (как на большой высоте, так и в районе аэропорта) и минимизирует локальный шум. Хотя большинство современных FMS больших авиалайнеров способны на спуск на холостом ходу, большинство систем управления воздушным движением не могут в настоящее время управлять несколькими самолетами, каждый из которых использует свой собственный оптимальный путь спуска к аэропорту. Таким образом, использование спусков на холостом ходу сводится к минимуму Управлением воздушным движением.