Fly-by-wire ( FBW ) — это система, которая заменяет обычные ручные элементы управления полетом самолета на электронный интерфейс. Движения элементов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать приводы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить упорядоченный ответ. Реализации либо используют механические резервные системы управления полетом , либо полностью электронные. [1]
Улучшенные полностью электродистанционные системы интерпретируют управляющие входы пилота как желаемый результат и вычисляют положения управляющих поверхностей, необходимые для достижения этого результата; это приводит к различным комбинациям руля направления , руля высоты , элерона , закрылков и управления двигателем в различных ситуациях с использованием замкнутого контура обратной связи . Пилот может не полностью осознавать все управляющие выходы, влияющие на результат, а только то, что самолет реагирует так, как ожидалось. Электродистанционные компьютеры действуют для стабилизации самолета и регулировки летных характеристик без участия пилота, а также для предотвращения выхода пилота за пределы безопасного диапазона производительности самолета . [2] [3]
Механические и гидромеханические системы управления полетом относительно тяжелые и требуют тщательной прокладки кабелей управления полетом через самолет с помощью систем шкивов, кривошипов, натяжных тросов и гидравлических труб. Обе системы часто требуют избыточного резервирования для устранения сбоев, что увеличивает вес. Обе имеют ограниченную способность компенсировать изменяющиеся аэродинамические условия. Опасные характеристики, такие как сваливание , вращение и вызванные пилотом колебания (PIO), которые зависят в основном от устойчивости и конструкции самолета, а не от самой системы управления, зависят от действий пилота. [4]
Термин "fly-by-wire" подразумевает чисто электрически сигнализированную систему управления. Он используется в общем смысле компьютерно-конфигурируемого управления, где компьютерная система вставлена между оператором и исполнительными механизмами или поверхностями конечного управления. Это изменяет ручные вводы пилота в соответствии с параметрами управления. [2]
Для управления самолетом с электродистанционной системой управления можно использовать боковые ручки управления или обычные штурвалы управления полетом. [5]
Самолет с электродистанционным управлением может быть легче, чем аналогичная конструкция с обычными элементами управления. Это отчасти связано с меньшим общим весом компонентов системы, а отчасти с тем, что естественная устойчивость самолета может быть ослаблена (слегка для транспортного самолета; больше для маневренного истребителя), что означает, что поверхности устойчивости, которые являются частью конструкции самолета, могут быть сделаны меньше. К ним относятся вертикальные и горизонтальные стабилизаторы (киль и хвостовое оперение ), которые (обычно) находятся в задней части фюзеляжа . Если эти структуры можно уменьшить в размере, вес планера уменьшается. Преимущества электродистанционного управления были впервые использованы военными, а затем на рынке коммерческих авиалиний. Серия авиалайнеров Airbus использовала полностью авторизованное электродистанционное управление, начиная с серии A320, см. Управление полетом A320 (хотя некоторые ограниченные функции электродистанционного управления существовали на самолетах A310). [6] Boeing последовал за ними со своими 777 и более поздними конструкциями. [ необходима цитата ]
Пилот командует компьютеру управления полетом, чтобы заставить самолет выполнить определенное действие, например, поднять самолет вверх или наклонить его в сторону, перемещая штурвальную колонку или боковую ручку . Затем компьютер управления полетом вычисляет, какие движения поверхности управления заставят самолет выполнить это действие, и выдает эти команды электронным контроллерам для каждой поверхности. [1] Контроллеры на каждой поверхности получают эти команды, а затем перемещают приводы, прикрепленные к поверхности управления, пока она не переместится туда, куда приказал компьютер управления полетом. Контроллеры измеряют положение поверхности управления полетом с помощью датчиков, таких как LVDT . [7]
Системы управления по проводам позволяют бортовым компьютерам выполнять задачи без участия пилота. Автоматические системы стабилизации работают таким образом. Гироскопы и датчики , такие как акселерометры, устанавливаются на самолете для определения вращения по осям тангажа, крена и рыскания . Любое движение (например, от прямого и горизонтального полета) приводит к сигналам на компьютер, который может автоматически перемещать исполнительные механизмы управления для стабилизации самолета. [3]
В то время как традиционные механические или гидравлические системы управления обычно выходят из строя постепенно, потеря всех компьютеров управления полетом немедленно делает самолет неуправляемым. По этой причине большинство систем управления по проводам включают в себя либо избыточные компьютеры (триплекс, квадруплекс и т. д.), либо какой-либо вид механического или гидравлического резерва, либо комбинацию того и другого. «Смешанная» система управления с механическим резервом передает обратную связь по любому подъему руля направления непосредственно пилоту и, следовательно, делает системы с замкнутым контуром (обратной связью) бессмысленными. [1]
Системы самолета могут быть квадруплексированы (четыре независимых канала) для предотвращения потери сигналов в случае отказа одного или даже двух каналов. Высокопроизводительные самолеты с электродистанционным управлением (также называемые CCV или Control-Configured Vehicles) могут быть намеренно спроектированы так, чтобы иметь низкую или даже отрицательную устойчивость в некоторых режимах полета – быстро реагирующие элементы управления CCV могут электронным образом стабилизировать отсутствие естественной устойчивости. [3]
Предполетные проверки безопасности системы управления по проводам часто выполняются с использованием встроенного испытательного оборудования (BITE). Ряд этапов движения управления может быть выполнен автоматически, что снижает нагрузку на пилота или наземный персонал и ускоряет летные проверки. [ необходима цитата ]
Некоторые самолеты, например Panavia Tornado , сохраняют очень простую гидромеханическую резервную систему для ограниченной возможности управления полетом при потере электропитания; в случае Tornado это позволяет осуществлять элементарное управление стабилизаторами только для движений осей тангажа и крена. [8]
Сервоэлектрические поверхности управления были впервые испытаны в 1930-х годах на советском самолете Туполев АНТ-20 . [9] Длинные линии механических и гидравлических соединений были заменены проводами и электрическими сервоприводами.
В 1934 году Карл Отто Альтфатер поджигала самолет, когда он приближался к земле. [10]
подал патент на автоматическую электронную систему, котораяВ 1941 году Карл Отто Альтфатер, работавший инженером в компании Siemens , разработал и испытал первую электродистанционную систему управления для самолета Heinkel He 111 , в которой самолет полностью управлялся электронными импульсами. [11] [ ненадёжный источник? ]
Первым неэкспериментальным самолетом, который был спроектирован и запущен (в 1958 году) с системой управления полетом по проводам, был Avro Canada CF-105 Arrow , [12] [13] подвиг, который не был повторен с серийным самолетом (хотя Arrow был отменен после постройки пяти самолетов) до Concorde в 1969 году, который стал первым авиалайнером с системой управления по проводам. Эта система также включала твердотельные компоненты и резервирование системы, была разработана для интеграции с компьютеризированной навигацией и автоматическим поисково-следящим радаром, могла управляться с земли с помощью восходящей и нисходящей линии связи и обеспечивала искусственное чувство (обратную связь) для пилота. [13]
Первым испытательным стендом с электронной системой управления, использовавшимся ВВС США, был Boeing B-47E Stratojet (серийный номер 53-2280) [14]
Первым чисто электронным самолетом с электродистанционным управлением без механического или гидравлического резервирования был Apollo Lunar Landing Training Vehicle (LLTV), впервые поднявшийся в воздух в 1968 году. [15] Ему предшествовал в 1964 году Lunar Landing Research Vehicle (LLRV), который стал пионером в области электродистанционного управления без механического резервирования. [16] Управление осуществлялось с помощью цифрового компьютера с тремя аналоговыми резервными каналами. В СССР также летал Sukhoi T-4 . Примерно в то же время в Великобритании учебный вариант британского истребителя Hawker Hunter был модифицирован в British Royal Aircraft Establishment с электродистанционным управлением полетом [17] для пилота, сидящего справа.
В Великобритании двухместный Avro 707 C летал с системой Fairey с механическим резервом [18] в начале-середине 60-х годов. Программа была свернута, когда планер выработал свой ресурс. [17]
В 1972 году первым цифровым самолетом с фиксированным крылом и электродистанционным управлением без механического резерва [19], поднявшимся в воздух, был F-8 Crusader , который был модифицирован в электронном виде НАСА США в качестве испытательного самолета ; F-8 использовал аппаратное обеспечение наведения, навигации и управления Apollo . [20]
Airbus A320 начал эксплуатироваться в 1988 году как первый массовый авиалайнер с цифровым управлением по проводам. По состоянию на июнь 2024 года более 11 000 самолетов семейства A320, включая модификации, эксплуатируются по всему миру, что делает его одним из самых продаваемых коммерческих самолетов. [21] [22]
Boeing выбрала систему управления полетом fly-by-wire для 777 в 1994 году, отойдя от традиционных кабельных и шкивных систем. В дополнение к контролю за управлением полетом самолета, FBW предлагала « защиту огибающей », которая гарантировала, что система вмешается, чтобы избежать случайного неправильного управления, сваливания или чрезмерной структурной нагрузки на самолет. 777 использовал шины ARINC 629 для соединения основных бортовых компьютеров (PFC) с электронными блоками управления приводами (ACE). Каждый PFC вмещал три 32-битных микропроцессора, включая Motorola 68040 , Intel 80486 и AMD 29050 , все запрограммированные на языке программирования Ada . [23]
Все системы управления полетом по проводам устраняют сложность, хрупкость и вес механической цепи гидромеханических или электромеханических систем управления полетом – каждая из них заменяется электронными схемами. Механизмы управления в кабине теперь управляют преобразователями сигналов, которые, в свою очередь, генерируют соответствующие команды. Затем они обрабатываются электронным контроллером – либо аналоговым , либо (более современным) цифровым . Автопилоты самолетов и космических кораблей теперь являются частью электронного контроллера. [ необходима цитата ]
Гидравлические схемы аналогичны, за исключением того, что механические сервоклапаны заменены на сервоклапаны с электрическим управлением, управляемые электронным контроллером. Это самая простая и ранняя конфигурация аналоговой системы управления полетом по проводам. В этой конфигурации системы управления полетом должны имитировать «чувство». Электронный контроллер управляет электрическими устройствами, которые обеспечивают соответствующие силы «чувства» на ручном управлении. Это использовалось в Concorde , первом серийном авиалайнере с электродистанционным управлением. [a]
Цифровая система управления полетом по проводам может быть расширена из ее аналогового аналога. Цифровая обработка сигнала может получать и интерпретировать входные данные от нескольких датчиков одновременно (таких как высотомеры и трубки Пито ) и регулировать элементы управления в реальном времени. Компьютеры определяют положение и силу входных данных от органов управления пилота и датчиков самолета. Затем они решают дифференциальные уравнения , связанные с уравнениями движения самолета , чтобы определить соответствующие командные сигналы для органов управления полетом, чтобы выполнить намерения пилота. [25]
Программирование цифровых компьютеров обеспечивает защиту диапазона полета . Эти средства защиты адаптированы к характеристикам управления самолетом, чтобы оставаться в пределах аэродинамических и структурных ограничений самолета. Например, компьютер в режиме защиты диапазона полета может попытаться предотвратить опасное управление самолетом, не давая пилотам превышать заданные пределы диапазона управления полетом самолета, такие как те, которые предотвращают сваливание и вращение, и которые ограничивают скорость полета и перегрузки на самолете. Также может быть включено программное обеспечение, которое стабилизирует входные данные управления полетом, чтобы избежать колебаний, вызванных пилотом . [26]
Поскольку компьютеры управления полетом постоянно реагируют на окружающую среду, нагрузка на пилота может быть снижена. [26] Это также позволяет военным самолетам сохранять расслабленную устойчивость . Основным преимуществом для таких самолетов является большая маневренность во время боевых и учебных полетов и так называемое «беззаботное управление», поскольку сваливание, вращение и другие нежелательные характеристики автоматически предотвращаются компьютерами. Цифровые системы управления полетом (DFCS) позволяют изначально нестабильным боевым самолетам, таким как Lockheed F-117 Nighthawk и Northrop Grumman B-2 Spirit flying wing, летать удобным и безопасным образом. [25]
Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) приняло RTCA / DO-178C под названием «Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification» в качестве стандарта сертификации авиационного программного обеспечения. Любой критически важный для безопасности компонент в цифровой системе управления по проводам, включая приложения законов аэронавтики и компьютерных операционных систем, должен быть сертифицирован по DO-178C уровня A или B, в зависимости от класса самолета, что применимо для предотвращения потенциальных катастрофических отказов. [27]
Тем не менее, главной проблемой для компьютеризированных, цифровых, электродистанционных систем управления является надежность, даже в большей степени, чем для аналоговых электронных систем управления. Это связано с тем, что цифровые компьютеры, на которых запущено программное обеспечение, часто являются единственным путем управления между пилотом и поверхностями управления полетом самолета . Если программное обеспечение компьютера по какой-либо причине выходит из строя, пилот может оказаться неспособным управлять самолетом. Поэтому практически все электродистанционные системы управления полетом имеют тройную или четверную избыточность в своих компьютерах и электронике . Они имеют три или четыре компьютера управления полетом, работающих параллельно, и три или четыре отдельные шины данных , соединяющие их с каждой поверхностью управления. [ необходима цитата ]
Несколько избыточных компьютеров управления полетом непрерывно отслеживают выходные данные друг друга. Если один компьютер начинает выдавать аномальные результаты по любой причине, потенциально включая программные или аппаратные сбои или некорректные входные данные, то объединенная система спроектирована так, чтобы исключить результаты с этого компьютера при принятии решения о соответствующих действиях для управления полетом. В зависимости от конкретных деталей системы может быть потенциальная возможность перезагрузить аномальный компьютер управления полетом или повторно включить его входные данные, если они вернутся к согласию. Существует сложная логика для обработки множественных сбоев, которые могут побудить систему вернуться к более простым резервным режимам. [25] [26]
Кроме того, большинство ранних цифровых самолетов с электродистанционным управлением также имели аналоговую электрическую, механическую или гидравлическую резервную систему управления полетом. У Space Shuttle , в дополнение к его избыточному набору из четырех цифровых компьютеров , работающих на его основном программном обеспечении управления полетом, был пятый резервный компьютер, работающий на отдельно разработанной, сокращенно-функциональной, программной системе управления полетом — той, которая могла быть передана для включения в работу в случае, если сбой когда-либо затрагивал все остальные четыре компьютера. Эта резервная система служила для снижения риска полного отказа системы управления полетом, когда-либо происходящего из-за ошибки программного обеспечения полета общего назначения, которая не была замечена в других четырех компьютерах. [1] [25]
Для авиалайнеров избыточность управления полетом повышает их безопасность, но системы управления по проводам, которые физически легче и требуют меньшего обслуживания, чем обычные средства управления, также повышают экономичность, как с точки зрения стоимости владения, так и с точки зрения экономии в полете. В некоторых конструкциях с ограниченной ослабленной устойчивостью по оси тангажа, например, Boeing 777, система управления полетом может позволить самолету лететь под более аэродинамически эффективным углом атаки, чем традиционно устойчивая конструкция. Современные авиалайнеры также обычно оснащены компьютеризированными системами цифрового управления двигателем с полным контролем ( FADEC ), которые управляют их двигателями, воздухозаборниками, системой хранения и распределения топлива, аналогично тому, как FBW управляет поверхностями управления полетом. Это позволяет постоянно изменять выходную мощность двигателя для максимально эффективного использования. [28]
Второе поколение семейства самолетов Embraer E-Jet получило повышение эффективности на 1,5% по сравнению с первым поколением благодаря системе электродистанционного управления, которая позволила сократить площадь горизонтального стабилизатора с 280 до 250 кв. футов на вариантах E190/195. [29]
Airbus и Boeing различаются в своих подходах к внедрению систем управления по проводам в коммерческих самолетах. Начиная с Airbus A320 , системы управления диапазоном полета Airbus всегда сохраняют окончательный контроль полета при полете в соответствии с обычным законодательством и не позволяют пилотам нарушать ограничения летно-технических характеристик самолета, если они не решат летать в соответствии с альтернативным законодательством. [30] Эта стратегия была продолжена на последующих авиалайнерах Airbus. [31] [32] Однако в случае множественных отказов резервных компьютеров у A320 есть механическая резервная система для его триммера тангажа и руля направления, у Airbus A340 есть чисто электрическая (не электронная) резервная система управления рулем направления, а начиная с A380, все системы управления полетом имеют резервные системы, которые являются чисто электрическими за счет использования «трехосевого резервного модуля управления» (BCM). [33]
Авиалайнеры Boeing, такие как Boeing 777 , позволяют пилотам полностью отключить компьютерную систему управления полетом, что позволяет самолету выходить за рамки обычного диапазона управления полетом.
Появление двигателей FADEC (Full Authority Digital Engine Control) позволяет полностью интегрировать работу систем управления полетом и автоматов тяги двигателей. На современных военных самолетах другие системы, такие как автостабилизация, навигация, радар и система вооружения, интегрированы с системами управления полетом. FADEC позволяет извлекать из самолета максимальную производительность, не опасаясь неправильной работы двигателя, повреждения самолета или высокой нагрузки на пилота. [39]
В гражданской сфере интеграция повышает безопасность и экономичность полетов. Самолеты Airbus fly-by-wire защищены от опасных ситуаций, таких как сваливание на низкой скорости или перегрузка, с помощью защиты диапазона полета . В таких условиях системы управления полетом отдают команду двигателям увеличить тягу без вмешательства пилота. В экономичных крейсерских режимах системы управления полетом точно регулируют дроссели и выбор топливных баков. FADEC снижает сопротивление руля направления, необходимое для компенсации бокового полета из-за несбалансированной тяги двигателей. На самолетах семейства A330/A340 топливо перекачивается между основными (крыльевыми и центральными) баками и топливным баком в горизонтальном стабилизаторе, чтобы оптимизировать центр тяжести самолета во время крейсерского полета. Средства управления топливом поддерживают центр тяжести самолета точно сбалансированным с учетом веса топлива, а не аэродинамических триммеров в рулях высоты, вызывающих сопротивление. [ необходима цитата ]
Иногда вместо fly-by-wire используется fly-by-optics, поскольку он обеспечивает более высокую скорость передачи данных, устойчивость к электромагнитным помехам и меньший вес. В большинстве случаев кабели просто меняются с электрических на оптоволоконные . Иногда его называют «fly-by-light» из-за использования волоконной оптики. [40] Данные, генерируемые программным обеспечением и интерпретируемые контроллером, остаются прежними. Fly-by-light имеет эффект уменьшения электромагнитных помех для датчиков по сравнению с более распространенными системами управления fly-by-wire. Kawasaki P-1 является первым серийным самолетом в мире, оснащенным такой системой управления полетом. [41]
Устранив механические трансмиссионные цепи в системах управления полетом с дистанционным управлением, следующим шагом является устранение громоздких и тяжелых гидравлических цепей. Гидравлическая цепь заменяется электрической силовой цепью. Силовые цепи питают электрические или автономные электрогидравлические приводы, которые управляются цифровыми компьютерами управления полетом. Все преимущества цифровой системы управления сохраняются, поскольку компоненты системы управления питанием строго дополняют компоненты системы управления питанием.
Наибольшие преимущества — это экономия веса, возможность использования резервных цепей питания и более тесная интеграция между системами управления полетом самолета и его системами авионики. Отсутствие гидравлики значительно снижает расходы на техническое обслуживание. Эта система используется в Lockheed Martin F-35 Lightning II и в резервных системах управления полетом Airbus A380 . Boeing 787 и Airbus A350 также включают в себя резервные системы управления полетом с электроприводом, которые остаются работоспособными даже в случае полной потери гидравлической мощности. [42]
Проводка значительно увеличивает вес самолета; поэтому исследователи изучают возможность внедрения решений fly-by-wireless. Системы fly-by-wireless очень похожи на системы fly-by-wire, однако вместо использования проводного протокола для физического уровня используется беспроводной протокол. [ необходима цитата ]
Помимо снижения веса, внедрение беспроводного решения может снизить расходы на протяжении всего жизненного цикла самолета. Например, многие ключевые точки отказа, связанные с проводами и разъемами, будут устранены, таким образом, часы, потраченные на устранение неисправностей проводов и разъемов, будут сокращены. Кроме того, инженерные расходы могут потенциально снизиться, поскольку меньше времени будет потрачено на проектирование электропроводки, поздние изменения в конструкции самолета будут проще в управлении и т. д. [43]
Новая система управления полетом, называемая интеллектуальной системой управления полетом (IFCS), является расширением современных цифровых систем управления полетом по проводам. Цель состоит в том, чтобы разумно компенсировать повреждения и отказы самолета во время полета, например, автоматически используя тягу двигателя и другую авионику для компенсации серьезных отказов, таких как потеря гидравлики, потеря руля направления, потеря элеронов, потеря двигателя и т. д. Было проведено несколько демонстраций на летном тренажере, где пилот малого самолета, обученный Cessna, успешно посадил сильно поврежденный полноразмерный концептуальный самолет, не имея предварительного опыта работы с крупнофюзеляжными реактивными самолетами. Эта разработка возглавляется Исследовательским центром полетов NASA Dryden . [44] Сообщается, что улучшения в основном представляют собой обновления программного обеспечения существующих полностью компьютеризированных цифровых систем управления полетом по проводам. Бизнес-джеты Dassault Falcon 7X и Embraer Legacy 500 имеют бортовые компьютеры, которые могут частично компенсировать сценарии отказа двигателя, регулируя уровни тяги и управляющие входы, но все еще требуют от пилотов соответствующей реакции. [45]