Дистанционное управление ( FBW ) — это система, которая заменяет обычное ручное управление полетом самолета электронным интерфейсом . Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам, а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать приводы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить требуемый ответ. Реализации либо используют механические резервные системы управления полетом (например, Boeing 777 ), либо полностью электронные. [1]
Усовершенствованные системы полного электродистанционного управления интерпретируют команды пилота как желаемый результат и рассчитывают положение поверхности управления, необходимое для достижения этого результата; это приводит к различным комбинациям руля направления , руля высоты , элеронов , закрылков и органов управления двигателем в различных ситуациях с использованием замкнутого контура обратной связи . Пилот может не полностью осознавать все выходные сигналы управления, влияющие на результат, а только то, что воздушное судно реагирует так, как ожидалось. Компьютеры дистанционного управления обеспечивают стабилизацию самолета и корректировку летных характеристик без участия пилота, а также предотвращают действия пилота за пределами безопасного диапазона летных характеристик самолета . [2] [3]
Механические и гидромеханические системы управления полетом относительно тяжелые и требуют тщательной прокладки тросов управления полетом по самолету с помощью систем шкивов, кривошипов, натяжных тросов и гидравлических трубок. Обе системы часто требуют резервного копирования на случай сбоев, что увеличивает вес. Оба имеют ограниченную способность компенсировать изменение аэродинамических условий. От действий пилота зависят такие опасные характеристики, как сваливание , вращение и колебания, вызванные пилотом (PIO), которые зависят главным образом от устойчивости и конструкции соответствующего самолета, а не от самой системы управления. [4]
Термин «электрический контроль» подразумевает систему управления с чисто электрической сигнализацией. Он используется в общем смысле для управления с компьютерной конфигурацией, когда компьютерная система располагается между оператором и исполнительными механизмами или поверхностями конечного управления. Это изменяет ручной ввод пилота в соответствии с параметрами управления. [2]
Для управления самолетом FBW можно использовать боковые ручки или обычные штурвалы управления полетом. [5]
Самолет FBW может быть легче аналогичной конструкции с обычным управлением. Частично это связано с меньшим общим весом компонентов системы, а частично с тем, что естественная устойчивость самолета может быть ослаблена (незначительно для транспортного самолета; больше для маневренного истребителя), а значит, поверхности устойчивости, входящие в состав Таким образом, конструкция самолета может быть уменьшена. К ним относятся вертикальный и горизонтальный стабилизаторы (киль и хвостовое оперение ), которые (обычно) находятся в задней части фюзеляжа . Если эти конструкции можно уменьшить в размерах, вес планера уменьшится. Преимущества контроля FBW сначала были использованы военными, а затем и на рынке коммерческих авиакомпаний. В серии авиалайнеров Airbus использовались полноценные средства управления FBW, начиная с серии A320, см. Управление полетом A320 (хотя на A310 существовали некоторые ограниченные функции FBW). [6] Компания Boeing последовала примеру 777 и более поздних моделей. [ нужна цитата ]
Пилот приказывает компьютеру управления полетом заставить самолет выполнить определенное действие, например, поднять самолет вверх или перевернуться в сторону, перемещая колонку управления или боковой рычаг управления . Затем компьютер управления полетом вычисляет, какие движения поверхности управления заставят самолет выполнить это действие, и выдает эти команды электронным контроллерам для каждой поверхности. [1] Диспетчеры на каждой поверхности получают эти команды, а затем перемещают приводы, прикрепленные к поверхности управления, пока она не переместится туда, куда ей приказал компьютер управления полетом. Контроллеры измеряют положение поверхности управления полетом с помощью датчиков, таких как LVDT . [7]
Системы электродистанционного управления позволяют бортовым компьютерам выполнять задачи без вмешательства пилота. По такому принципу работают автоматические системы стабилизации. Гироскопы и датчики, такие как акселерометры, устанавливаются в самолете для определения вращения по осям тангажа, крена и рыскания . Любое движение (например, при прямолинейном и горизонтальном полете) приводит к передаче сигналов 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, выход из строя всех компьютеров управления полетом немедленно делает самолет неуправляемым. По этой причине большинство электродистанционных систем включают в себя либо резервные компьютеры (триплексные, квадруплексные и т. д.), либо какую-либо механическую или гидравлическую резервную систему, либо их комбинацию. «Смешанная» система управления с механическим дублером сообщает о любом подъеме руля направления непосредственно пилоту и, следовательно, делает бессмысленными системы замкнутого контура (обратной связи). [1]
Системы самолета могут быть квадруплексными (четыре независимых канала) для предотвращения потери сигналов в случае отказа одного или даже двух каналов. Высокопроизводительные самолеты с электродистанционным управлением (также называемые CCV или транспортными средствами с конфигурацией управления) могут быть намеренно спроектированы так, чтобы иметь низкую или даже отрицательную устойчивость в некоторых режимах полета - быстрореагирующие органы управления CCV могут электронным образом стабилизировать отсутствие естественной устойчивости. . [3]
Предполетные проверки безопасности электродистанционной системы часто выполняются с использованием встроенного испытательного оборудования (BITE). Ряд операций управления может выполняться автоматически, что снижает нагрузку на пилота или наземный экипаж и ускоряет летные проверки. [ нужна цитата ]
Некоторые самолеты, например Panavia Tornado , сохраняют очень простую гидромеханическую резервную систему для ограниченных возможностей управления полетом в случае потери электроэнергии; в случае с «Торнадо» это позволяет элементарно управлять стабилизаторами только для движений осей тангажа и крена. [8]
Рули с сервоэлектрическим приводом впервые были испытаны в 1930-х годах на советском Туполеве АНТ-20 . [9] Длинные механические и гидравлические соединения были заменены проводами и электрическими сервоприводами.
В 1934 году Карл Отто Альтватер подал патент на автоматически-электронную систему, которая поджигала самолет, когда он приближался к земле. [10]
В 1941 году инженер компании Siemens Карл Отто Альтватер разработал и испытал первую электродистанционную систему для Heinkel He 111 , в которой самолет полностью управлялся электронными импульсами. [11] [ ненадежный источник? ]
Первым неэкспериментальным самолетом, который был спроектирован и совершил полет (в 1958 году) с электродистанционной системой управления полетом, был Avro Canada CF-105 Arrow , [12] [13] подвиг, не повторенный с серийным самолетом (хотя Arrow была отменена, было построено пять самолетов) до Concorde в 1969 году, который стал первым авиалайнером с электронным управлением. Эта система также включала полупроводниковые компоненты и систему резервирования, была разработана для интеграции с компьютеризированной навигацией и радаром автоматического поиска и сопровождения, могла управляться с земли с помощью каналов передачи данных вверх и вниз и обеспечивала пилоту искусственные ощущения (обратную связь). [13]
Первым испытательным стендом с электронным управлением в ВВС США был самолет Boeing B-47E Stratojet (серийный номер 53-2280) [14].
Первым самолетом с чисто электронным управлением без механической или гидравлической поддержки был учебный аппарат для посадки на Луну (LLTV) «Аполлон», первый полет которого состоялся в 1968 году. [15] В 1964 году этому предшествовал исследовательский аппарат для посадки на Луну (LLRV), который новаторский полет по электроду без механического резервного копирования. [16] Управление осуществлялось через цифровой компьютер с тремя аналоговыми резервными каналами. В СССР тоже летал Сухой Т-4 . Примерно в то же время в Великобритании в Британском королевском авиастроительном заводе был модифицирован учебно-тренировочный вариант британского истребителя Hawker Hunter с электродистанционным управлением полетом [17] для пилота с правым сиденьем.
В Великобритании двухместный Avro 707 C с начала до середины 60-х летал с системой Fairey с механическим дублированием [18] . Программа была свернута, когда у планера истекло летное время. [17]
В 1972 году первым самолетом с цифровым электродистанционным управлением без механического резервного копирования [19], поднявшимся в воздух, был F-8 Crusader , который был электронно модифицирован НАСА США в качестве испытательного самолета ; F-8 использовал аппаратуру наведения, навигации и управления Apollo . [20]
Airbus A320 начал эксплуатироваться в 1988 году как первый авиалайнер с цифровым электродистанционным управлением. [21]
В 1994 году компания Boeing выбрала для самолета 777 электродистанционное управление полетом, отказавшись от традиционных систем тросов и шкивов. Помимо контроля за управлением полетом самолета, FBW предлагал « защиту конверта », которая гарантировала, что система вмешается во избежание 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 исполнительными механизмами (ACE). В каждом PFC было три 32-битных микропроцессора, включая Motorola 68040 , Intel 80486 и AMD 29050 , все они были запрограммированы на языке программирования Ada . [22]
Все электродистанционные системы управления полетом устраняют сложность, хрупкость и вес механической схемы гидромеханической или электромеханической системы управления полетом - каждая из них заменяется электронными схемами. Механизмы управления в кабине теперь управляют датчиками сигналов, которые, в свою очередь, генерируют соответствующие электронные команды. Затем они обрабатываются электронным контроллером — аналоговым или (более современным) цифровым . Автопилоты самолетов и космических кораблей теперь являются частью электронного контроллера. [ нужна цитата ]
Гидравлические схемы аналогичны, за исключением того, что механические сервоклапаны заменены сервоклапанами с электрическим управлением, управляемыми электронным контроллером. Это самая простая и ранняя конфигурация аналоговой электродистанционной системы управления полетом. В этой конфигурации системы управления полетом должны имитировать «ощущения». Электронный контроллер управляет электрическими сенсорными устройствами, которые обеспечивают соответствующие «чувствительные» усилия на ручном управлении. Это использовалось в Конкорде , первом серийном авиалайнере с электродистанционным управлением. [а]
Цифровая электродистанционная система управления полетом может быть расширена по сравнению с ее аналоговым аналогом. Цифровая обработка сигналов позволяет одновременно получать и интерпретировать входные данные от нескольких датчиков (таких как высотомеры и трубки Пито ) и регулировать элементы управления в реальном времени. Компьютеры распознают положение и силу, поступающую от органов управления пилотом и датчиков самолета. Затем они решают дифференциальные уравнения , связанные с уравнениями движения самолета , чтобы определить соответствующие командные сигналы для органов управления полетом для выполнения намерений пилота. [24]
Программирование цифровых компьютеров обеспечивает защиту границ полета . Эта защита адаптирована к характеристикам управляемости самолета, чтобы оставаться в пределах аэродинамических и структурных ограничений самолета. Например, компьютер в режиме защиты диапазона управления полетом может попытаться предотвратить опасное управление самолетом, не позволяя пилотам превышать заданные пределы диапазона управления полетом самолета, например те, которые предотвращают сваливание и вращение, а также ограничивают воздушную скорость и перегрузки . силы в самолете. Также может быть включено программное обеспечение, которое стабилизирует входные сигналы управления полетом, чтобы избежать колебаний, вызванных пилотом . [25]
Поскольку компьютеры управления полетом постоянно информируют об окружающей среде, рабочая нагрузка пилота может быть уменьшена. [25] Это также позволяет военным самолетам снизить устойчивость . Основным преимуществом таких самолетов является большая маневренность во время боевых и тренировочных полетов, а также так называемое «беззаботное управление», поскольку сваливание, вращение и другие нежелательные явления автоматически предотвращаются компьютерами. Цифровые системы управления полетом (DFCS) позволяют изначально нестабильным боевым самолетам, таким как Lockheed F-117 Nighthawk и летающее крыло Northrop Grumman B-2 Spirit, летать удобным и безопасным образом. [24]
Федеральное управление гражданской авиации (ФАУ) США приняло RTCA / DO-178C под названием «Аспекты программного обеспечения при сертификации бортовых систем и оборудования» в качестве стандарта сертификации авиационного программного обеспечения. Любой критически важный для безопасности компонент в цифровой электродистанционной системе, включая применение законов аэронавтики и компьютерных операционных систем , должен быть сертифицирован по DO-178C уровня A или B, в зависимости от класса воздушного судна, который применим для предотвращение потенциальных катастрофических сбоев. [26]
Тем не менее, главной заботой компьютеризированных цифровых электродистанционных систем является надежность, даже в большей степени, чем для аналоговых электронных систем управления. Это связано с тем, что цифровые компьютеры, на которых установлено программное обеспечение, часто являются единственным каналом управления между пилотом и поверхностями управления полетом самолета . Если по какой-либо причине компьютерное программное обеспечение выйдет из строя, пилот может оказаться не в состоянии управлять самолетом. Следовательно, практически все электродистанционные системы управления полетом имеют тройное или четырехкратное резервирование компьютеров и электроники . Они имеют три или четыре компьютера управления полетом, работающие параллельно, и три или четыре отдельные шины данных , соединяющие их с каждой поверхностью управления. [ нужна цитата ]
Несколько резервных компьютеров управления полетом постоянно контролируют выходные данные друг друга. Если один компьютер по какой-либо причине начинает выдавать неверные результаты, включая сбои программного или аппаратного обеспечения или ошибочные входные данные, то объединенная система предназначена для исключения результатов этого компьютера при принятии решения о соответствующих действиях для управления полетом. В зависимости от конкретных деталей системы может возникнуть возможность перезагрузить сбойный компьютер управления полетом или повторно включить его входные данные, если они вернутся к соглашению. Для борьбы с многочисленными сбоями существует сложная логика, которая может побудить систему вернуться к более простым режимам резервного копирования. [24] [25]
Кроме того, большинство первых самолетов с цифровым электродистанционным управлением также имели аналоговую электрическую, механическую или гидравлическую резервную систему управления полетом. В дополнение к резервному набору из четырех цифровых компьютеров , на котором было установлено основное программное обеспечение управления полетом, « Спейс шаттл» имел пятый резервный компьютер, на котором работала отдельно разработанная программная система управления полетом с ограниченными функциями, которой можно было приказать управлять полетом. взять на себя управление в случае, если неисправность затронула все компьютеры остальных четырех. Эта резервная система служила для снижения риска полного отказа системы управления полетом из-за ошибки общего программного обеспечения полета, которая ускользнула от внимания в других четырех компьютерах. [1] [24]
Для авиалайнеров дублирование органов управления полетом повышает их безопасность, но электродистанционные системы управления, которые физически легче и требуют меньших требований к техническому обслуживанию, чем традиционные средства управления, также улучшают экономию, как с точки зрения стоимости владения, так и с точки зрения экономии в полете. В некоторых конструкциях с ограниченной расслабленной устойчивостью по оси тангажа, например в Боинге 777, система управления полетом может позволить самолету летать под более аэродинамически эффективным углом атаки, чем в конструкциях с традиционной устойчивостью. Современные авиалайнеры также обычно оснащены компьютеризированными полноавтономными цифровыми системами управления двигателем ( FADEC ), которые управляют их реактивными двигателями , воздухозаборниками, системой хранения и распределения топлива аналогично тому, как FBW контролирует поверхности управления полетом. Это позволяет постоянно изменять мощность двигателя для максимально эффективного использования. [27]
Семейство Embraer E-Jet второго поколения получило повышение эффективности на 1,5% по сравнению с первым поколением благодаря электродистанционной системе, что позволило уменьшить площадь горизонтального стабилизатора на E190/195 с 280 кв. футов до 250 кв. футов. варианты. [28]
Airbus и Boeing различаются в подходах к внедрению электродистанционных систем в коммерческих самолетах. Начиная с Airbus A320 , системы управления диапазоном полета Airbus всегда сохраняют максимальный контроль над полетом при полете по обычному закону и не позволяют пилотам нарушать ограничения летно-технических характеристик самолета, если только они не решат летать по альтернативному закону. [29] Эта стратегия была продолжена на последующих авиалайнерах Airbus. [30] [31] Однако на случай многочисленных сбоев резервных компьютеров у А320 есть механическая резервная система для балансировки тангажа и руля направления, а у Airbus A340 есть чисто электрическая (не электронная) резервная система. система управления рулем направления, и, начиная с А380, все системы управления полетом имеют резервные системы, которые являются чисто электрическими за счет использования «трехосного резервного модуля управления» (BCM). [32]
Авиалайнеры Boeing, такие как Boeing 777 , позволяют пилотам полностью игнорировать компьютеризированную систему управления полетом, позволяя самолету летать за пределами его обычного диапазона управления полетом.
_Farnborough_SEP86_(12609347665).jpg/1280px-F-BUAD_A300B2-C1_Airbus_Industry(3rd_prototype)_Farnborough_SEP86_(12609347665).jpg)
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 добиться от самолета максимальной производительности, не опасаясь неправильной работы двигателя, повреждения самолета или высокой рабочей нагрузки пилота. [ нужна цитата ]
В гражданской сфере интеграция повышает безопасность и экономичность полетов. Самолеты Airbus с электродистанционной системой управления защищены от опасных ситуаций, таких как сваливание на низкой скорости или перенапряжение, с помощью защиты границ диапазона полета . В результате в таких условиях системы управления полетом дают команду двигателям увеличить тягу без вмешательства пилота. В экономичных крейсерских режимах системы управления полетом точно регулируют дроссельную заслонку и выбор топливного бака. FADEC уменьшает сопротивление руля направления, необходимое для компенсации бокового полета из-за несбалансированной тяги двигателя. В семействе A330/A340 топливо перекачивается между основными (крыльевыми и центральными) баками фюзеляжа и топливным баком в горизонтальном стабилизаторе, чтобы оптимизировать центр тяжести самолета во время крейсерского полета. Органы управления подачей топлива обеспечивают точное балансирование центра тяжести самолета в зависимости от веса топлива, а не аэродинамические балансировки в рулях высоты, вызывающие сопротивление. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-'Sea_Eagle_501'_Atsugi_route_4_departure._(8382546777).jpg)
Иногда вместо электродистанционной системы используется оптика Fly-by, поскольку она обеспечивает более высокую скорость передачи данных, невосприимчивость к электромагнитным помехам и меньший вес. В большинстве случаев кабели просто заменяются с электрических на оптоволоконные . Иногда его называют «полетом на свету» из-за использования оптоволокна. Данные, генерируемые программным обеспечением и интерпретируемые контроллером, остаются прежними. Управление по свету снижает электромагнитные помехи для датчиков по сравнению с более распространенными электродистанционными системами управления. Kawasaki P-1 — первый серийный самолет в мире, оснащенный такой системой управления полетом. [37]
После исключения механических схем передачи в электродистанционных системах управления полетом следующим шагом будет ликвидация громоздких и тяжелых гидравлических схем. Гидравлический контур заменен электрическим силовым контуром. Силовые цепи питают электрические или автономные электрогидравлические приводы, которые управляются цифровыми компьютерами управления полетом. Все преимущества цифрового электродистанционного управления сохраняются, поскольку компоненты электродистанционного управления строго дополняют компоненты электродистанционного управления.
Самыми большими преимуществами являются экономия веса, возможность резервирования силовых цепей и более тесная интеграция между системами управления полетом самолета и его системами авионики. Отсутствие гидравлики значительно снижает затраты на техническое обслуживание. Эта система используется в Lockheed Martin F-35 Lightning II и в резервных средствах управления полетом Airbus A380 . Boeing 787 и Airbus A350 также оснащены резервными органами управления полетом с электрическим приводом, которые остаются работоспособными даже в случае полной потери гидравлической мощности. [38]
Электропроводка значительно увеличивает вес самолета; поэтому исследователи изучают возможности внедрения беспроводных решений. Беспроводные системы очень похожи на электродистанционные системы, однако вместо использования проводного протокола для физического уровня используется беспроводной протокол. [ нужна цитата ]
Помимо снижения веса, внедрение беспроводного решения потенциально может снизить затраты на протяжении всего жизненного цикла самолета. Например, будут устранены многие ключевые точки отказа, связанные с проводами и разъемами, а значит, будет сокращено время, затрачиваемое на поиск и устранение неисправностей проводов и разъемов. Кроме того, затраты на проектирование потенциально могут снизиться, поскольку на проектирование электропроводки будет затрачено меньше времени, будет легче управлять поздними изменениями в конструкции самолета и т. д. [39]
Новая система управления полетом, называемая интеллектуальной системой управления полетом (IFCS), является расширением современных цифровых электродистанционных систем управления полетом. Целью является разумная компенсация повреждений и отказов самолета во время полета, например, автоматическое использование тяги двигателя и другой авионики для компенсации серьезных отказов, таких как потеря гидравлики, потеря руля направления, потеря элеронов, выход из строя двигателя и т. д. Несколько На авиасимуляторе были проведены демонстрации, где пилот малого самолета, прошедший обучение на Cessna , успешно приземлил сильно поврежденный полноразмерный концептуальный реактивный самолет, не имея предварительного опыта работы с крупнофюзеляжными реактивными самолетами. Эту разработку возглавляет Центр летных исследований Драйдена НАСА . [40] Сообщается, что усовершенствования в основном представляют собой обновление программного обеспечения существующих полностью компьютеризированных цифровых электродистанционных систем управления полетом. Бизнес-джеты Dassault Falcon 7X и Embraer Legacy 500 оснащены бортовыми компьютерами, которые могут частично компенсировать сценарии отказа двигателя путем регулирования уровней тяги и управляющих сигналов, но при этом требуют от пилотов соответствующей реакции. [41]
