По проводам - Fly-by-wire

Семейство Airbus A320 было первым коммерческим авиалайнером, оснащенным полностью стеклянной кабиной и цифровой системой дистанционного управления полетом. Единственными аналоговыми приборами были RMI , индикатор давления в тормозной системе, резервный высотомер и искусственный горизонт. Последние два были заменены цифровой интегрированной резервной приборной системой в более поздних серийных моделях.

Fly-by-wire ( FBW ) - это система, которая заменяет обычное ручное управление полетом самолета электронным интерфейсом. Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам, и компьютеры управления полетом определяют, как перемещать приводы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить упорядоченный отклик. Он может использовать механические резервные системы управления полетом (например, Boeing 777 ) или использовать полностью дистанционное управление.

Усовершенствованные полностью беспроводные системы интерпретируют управляющие воздействия пилота как желаемый результат и вычисляют положения поверхности управления, необходимые 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 управляющие выходы, влияющие на результат, только то, что самолет реагирует, как ожидалось. Электронные компьютеры действуют для стабилизации самолета и регулировки летных характеристик без участия пилота, а также для предотвращения действий пилота за пределами безопасных рабочих характеристик самолета .

Обоснование

Механические и гидромеханические системы управления полетом относительно тяжелые и требуют аккуратной прокладки тросов управления полетом через самолет с помощью систем шкивов, кривошипов, натяжных тросов и гидравлических труб. Обе системы часто требуют резервного копирования на случай сбоев, что увеличивает вес. Оба имеют ограниченную способность компенсировать изменение аэродинамических условий. Опасные характеристики, такие как сваливание , вращение и колебания, вызванные пилотом (PIO), которые зависят в основном от устойчивости и конструкции самолета, а не от самой системы управления, зависят от действий пилота.

Термин «по проводам» подразумевает систему управления с чисто электрическими сигналами. Он используется в общем смысле конфигурируемых компьютером средств управления, когда компьютерная система вставляется между оператором и исполнительными механизмами или поверхностями конечного управления. Это изменяет ручные вводы пилота в соответствии с параметрами управления.

Боковые джойстики или обычные хомуты управления полетом могут использоваться для управления самолетами FBW.

Экономия веса

Самолет FBW может быть легче, чем аналогичная конструкция с обычным управлением. Отчасти это связано с меньшим общим весом компонентов системы, а отчасти с тем, что естественная устойчивость самолета может быть снижена, немного для транспортного самолета и в большей степени для маневренного истребителя, что означает, что поверхности устойчивости, которые являются частью Таким образом, конструкция самолета может быть уменьшена. К ним относятся вертикальные и горизонтальные стабилизаторы (киль и хвостовое оперение ), которые (обычно) находятся в задней части фюзеляжа . Если эти конструкции могут быть уменьшены в размерах, уменьшится вес планера. Преимущества средств управления FBW сначала использовались военными, а затем на рынке коммерческих авиакомпаний. Серия авиалайнеров Airbus использовала полнофункциональные средства управления FBW, начиная с их серии A320, см. Управление полетом A320 (хотя некоторые ограниченные функции FBW существовали на A310). За ними последовал Boeing с их 777 и более поздними моделями.

Основная операция

Управление с обратной связью с обратной связью

Простой цикл обратной связи

Пилот дает команду компьютеру управления полетом заставить самолет выполнить определенное действие, например, наклонить самолет вверх или повернуть в сторону, перемещая штангу управления или боковой рычаг . Затем компьютер управления полетом вычисляет, какие движения управляющей поверхности заставят самолет выполнить это действие, и выдает эти команды электронным контроллерам для каждой поверхности. Контроллеры на каждой поверхности получают эти команды и затем перемещают исполнительные механизмы, прикрепленные к поверхности управления, до тех пор, пока она не переместится туда, где компьютер управления полетом приказал ей. Контроллеры измеряют положение поверхности управления полетом с помощью датчиков, таких как LVDT .

Системы автоматической стабилизации

Системы управления по проводам позволяют бортовым компьютерам выполнять задачи без участия пилота. Так работают автоматические системы стабилизации. Гироскопы, оснащенные датчиками , устанавливаются на самолет, чтобы определять вращение по осям тангажа, крена и рыскания . Любое движение (например, из прямого и горизонтального полета) приводит к сигналам в компьютер, который может автоматически перемещать исполнительные механизмы управления для стабилизации самолета.

Безопасность и резервирование

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 беспроводных систем включают в себя резервные компьютеры (триплекс, квадруплекс и т. Д.), Какое-либо механическое или гидравлическое резервное копирование или их комбинацию. «Смешанная» система управления с механической резервной обратной связью передает любой подъем руля направления непосредственно пилоту и, следовательно, делает бессмысленными системы с обратной связью.

Системы самолета могут быть квадруплексными (четыре независимых канала) для предотвращения потери сигналов в случае выхода из строя одного или даже двух каналов. Высокопроизводительные летательные аппараты с электронным управлением (также называемые CCV или управляемые транспортные средства) могут быть специально спроектированы так, чтобы иметь низкую или даже отрицательную устойчивость в некоторых режимах полета - быстро реагирующие средства управления CCV могут электронным способом стабилизировать отсутствие естественной устойчивости. .

Предполетные проверки безопасности проводной системы часто выполняются с использованием встроенного испытательного оборудования (BITE). Ряд шагов управления может выполняться автоматически, что снижает нагрузку на пилота или наземного экипажа и ускоряет летные проверки.

Некоторые самолеты, например Panavia Tornado , сохраняют очень простую гидромеханическую резервную систему для ограниченных возможностей управления полетом при потере электроэнергии; в случае Tornado это позволяет элементарно управлять стабилизаторами только для движений осей тангажа и крена.

История

Avro Canada CF-105 Arrow , первый неэкспериментальный самолет с системой дистанционного управления
Цифровой испытательный стенд F-8C Crusader для летных испытаний

Рули с сервоэлектрическим приводом были впервые испытаны в 1930-х годах на советском Туполеве АНТ-20 . Длинные участки механических и гидравлических соединений были заменены проводами и электрическими сервоприводами.

В 1941 году инженер компании Siemens Карл Отто Альтватер разработал и испытал первую систему управления полетом для Heinkel He-111 , в которой самолет полностью управлялся электронными импульсами.

В 1934 году Карл Отто Альтватер подал патент на автоматически-электронную систему, которая зажигала самолет, когда он находился близко к земле.

Первым летательным аппаратом с чисто электронным управлением по проводам без механической или гидравлической поддержки был учебно-тренировочный аппарат Apollo Lunar Landing Vehicle (LLTV), первый полет которого состоялся в 1968 году.

Первым неэкспериментальным самолетом, который был спроектирован и использовался (в 1958 г.) с системой дистанционного управления полетом, был Avro Canada CF-105 Arrow , подвиг, не повторенный с серийным самолетом (хотя Arrow был отменен с пятью построенный) до Concorde в 1969 году, который стал первым авиалайнером, работающим по проводам. Эта система также включала в себя твердотельные компоненты и систему резервирования, была разработана для интеграции с компьютеризированной навигацией и автоматическим поисковым и отслеживающим радаром, была управляема с земли с передачей данных по восходящей и нисходящей линии связи и обеспечивала искусственное ощущение (обратную связь) пилоту.

В Великобритании двухместный Avro 707 C летал с системой Fairey с механическим дублированием в начале и середине 60-х годов. Программа была свернута, когда у самолета закончилось время полета.

В 1972 году первым цифровым самолетом с неподвижным крылом без механической поддержки, способным подняться в воздух, был F-8 Crusader , который был модифицирован в электронном виде НАСА США в качестве испытательного самолета ; F-8 использовал аппаратные средства наведения, навигации и управления Apollo .

Этому предшествовала установка в 1964 году исследовательского аппарата для посадки на Луну (LLRV), которая впервые использовала проводной полет без механической поддержки. Управление осуществлялось через цифровой компьютер с тремя аналоговыми резервными каналами. В СССР также летали Сухой Т-4 . Примерно в то же время в Великобритании учебно-тренировочный вариант британского истребителя Hawker Hunter был модифицирован в British Royal Aircraft Establishment с помощью электронного управления полетом для пилота с правым сиденьем.

Airbus A320 начал службу в 1988 году в качестве первого авиалайнера с цифровым управлением летать по проводам.

Аналоговые системы

Все системы управления полетом "по проводам" исключают сложность, хрупкость и вес механической схемы 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 электронные команды. Затем они обрабатываются электронным контроллером - аналоговым или (что более современно) цифровым . Автопилоты самолетов и космических аппаратов теперь являются частью электронного контроллера.

Гидравлические контуры аналогичны, за исключением того, что механические сервоклапаны заменены сервоклапанами с электрическим управлением, управляемыми электронным контроллером. Это простейшая и самая ранняя конфигурация аналоговой беспроводной системы управления полетом. В этой конфигурации системы управления полетом должны имитировать "ощущение". Электронный контроллер управляет электрическими чувствительными устройствами, которые обеспечивают соответствующие «ощущаемые» силы на ручных органах управления. Это было использовано в Concorde , первом серийном авиалайнере с электроприводом.

Цифровые системы

НАСА F-8 Crusader с его системой дистанционного управления в зеленом цвете и компьютером наведения Apollo

Цифровая электродистанционная система управления полетом может быть расширена от аналогового аналога. Цифровая обработка сигналов может одновременно принимать и интерпретировать входные данные от нескольких датчиков (таких как высотомеры и трубки Пито ) и настраивать элементы управления в режиме реального времени. Компьютеры определяют положение и силу, поступающую 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.

Программирование цифровых вычислительных машин обеспечивает защиту полетного конверта . Эти средства защиты адаптированы к характеристикам управляемости самолета, чтобы оставаться в пределах аэродинамических и конструктивных ограничений самолета. Например, компьютер в режиме защиты диапазона полета может попытаться предотвратить опасное управление самолетом, не позволяя пилотам превышать предустановленные пределы диапазона управления полетом, такие как те, которые предотвращают сваливание и вращение, и которые ограничивают воздушную скорость и g. силы на самолете. Также может быть включено программное обеспечение, которое стабилизирует входные сигналы управления полетом, чтобы избежать колебаний, вызванных пилотом .

Поскольку компьютеры управления полетом постоянно обращаются к окружающей среде, рабочая нагрузка пилота может быть уменьшена. Это также дает возможность военным самолетам с расслабленной стабильностью . Основное преимущество такого самолета - большая маневренность во время боевых и тренировочных полетов и так называемое «беззаботное управление», поскольку компьютеры автоматически предотвращают сваливание, вращение и другие нежелательные характеристики. Цифровые системы управления полетом позволяют летать изначально нестабильным боевым самолетам, таким как Lockheed F-117 Nighthawk и летающее крыло Northrop Grumman B-2 Spirit, в удобных и безопасных манерах.

Законодательство

Федеральное управление гражданской авиации (FAA) США приняли RTCA / DO-178C , под названием «Программное обеспечение Соображение Airborne Systems и сертификацию оборудования», в качестве стандарта сертификации авиационного программного обеспечения. Любая безопасность критичных компонентов в системе цифровой Муха по проводам , включая применения законов о аэронавтике и компьютерных операционных систем , должны быть сертифицированы для DO-178C уровня А или В, в зависимости от класса самолета, который применим для предотвращение потенциальных катастрофических отказов.

Тем не менее, главная проблема компьютеризированных цифровых систем с прямым управлением - надежность, даже больше, чем у аналоговых электронных систем управления. Это связано с тем, что цифровые компьютеры, на которых выполняется программное обеспечение, часто являются единственным путем управления между пилотом и поверхностями управления полетом самолета . Если программное обеспечение компьютера выйдет из строя по какой-либо причине, пилот может оказаться не в состоянии управлять самолетом. Таким образом, практически все электронные системы управления полетом имеют трех- или четырехкратное резервирование в своих компьютерах и электронике . У них есть три или четыре компьютера управления полетом, работающих параллельно, и три или четыре отдельные шины данных, соединяющие их с каждой поверхностью управления.

Резервирование

Несколько дублированных компьютеров управления полетом непрерывно контролируют выходные данные друг друга. Если один компьютер по какой-либо причине начинает выдавать ошибочные результаты, потенциально включая сбои программного или аппаратного обеспечения или некорректные входные данные, то комбинированная система предназначена для исключения результатов с этого компьютера при принятии решения о соответствующих действиях для органов управления полетом. В зависимости от конкретных деталей системы может существовать возможность перезагрузки ошибочного компьютера управления полетом или повторного включения его входных данных, если они вернутся к соглашению. Существует сложная логика для работы с множественными сбоями, которые могут побудить систему вернуться к более простым режимам резервного копирования.

Кроме того, большинство первых цифровых самолетов с дистанционным управлением также имело аналоговую электрическую, механическую или гидравлическую резервную систему управления полетом. В дополнение к резервному набору из четырех цифровых компьютеров, на котором запущено основное программное обеспечение для управления полетом, Space Shuttle имеет пятый резервный компьютер, на котором запущена отдельно разработанная программная система управления полетом с ограниченными функциями - та, на которую можно дать команду взять на себя ответственность в случае, если неисправность затронет все компьютеры в остальных четырех. Эта резервная система служит для снижения риска полного отказа системы управления полетом из-за сбоя программного обеспечения общего назначения, который не был замечен на других четырех компьютерах.

Эффективность полета

Для авиалайнеров избыточность управления полетом повышает их безопасность, но системы управления полетом по проводам, которые физически легче и требуют меньшего обслуживания, чем обычные элементы управления, также улучшают экономию как с точки зрения стоимости владения, так и с точки зрения экономии в полете. В некоторых конструкциях с ограниченной релаксационной устойчивостью по оси тангажа, например, в Боинге 777, система управления полетом может позволить летательному аппарату летать под более аэродинамически эффективным углом атаки, чем при традиционной устойчивой конструкции. Современные авиалайнеры также обычно имеют компьютеризированные полномасштабные цифровые системы управления двигателем ( FADEC ), которые управляют их реактивными двигателями , воздухозаборниками, системой хранения и распределения топлива аналогично тому, как FBW управляет поверхностями управления полетом. Это позволяет постоянно изменять мощность двигателя для наиболее эффективного использования.

Семейство Embraer E-Jet второго поколения получило повышение эффективности на 1,5% по сравнению с первым поколением за счет системы автономного управления, что позволило уменьшить с 280 футов² до 250 футов² для горизонтального стабилизатора на E190 / 195. варианты.

Аэробус / Боинг

Основная статья: Режимы управления полетом

Airbus и Boeing различаются подходами к внедрению систем электросвязи на коммерческих самолетах. Начиная с Airbus A320 , системы управления диапазоном полета Airbus всегда сохраняют окончательный контроль полета при полетах в соответствии с обычными законами и не позволяют пилотам нарушать ограничения летных характеристик самолета, если они не решат летать по альтернативному закону. Эта стратегия была продолжена на последующих авиалайнерах Airbus. Однако в случае нескольких отказов резервных компьютеров у A320 действительно есть механическая резервная система для триммирования тангажа и руля направления, у Airbus A340 есть чисто электрическая (не электронная) резервная система управления рулем направления, начиная с На А380 все системы управления полетом имеют резервные системы, которые являются чисто электрическими за счет использования «трехосного резервного модуля управления» (BCM).

Авиалайнеры Boeing, такие как Boeing 777 , позволяют пилотам полностью игнорировать компьютеризированную систему управления полетом, позволяя самолету летать за пределами его обычного диапазона управления полетом.

Приложения

Airbus проводил испытания самолета A300 в 1986 году, а затем произвел A320 .

Цифровое управление двигателем

Основная статья: FADEC

Появление двигателей FADEC (Full Authority Digital Engine Control) позволяет полностью интегрировать системы управления полетом и автоматические тяги двигателей. На современных военных самолетах другие системы, такие как автостабилизация, навигация, радар и система вооружения, интегрированы с системами управления полетом. FADEC позволяет добиться максимальной производительности от самолета, не опасаясь неправильной работы двигателя, повреждения самолета или большой нагрузки на пилота.

В гражданской сфере интеграция повышает безопасность и экономичность полетов. Самолеты Airbus, работающие по проводам, защищены от опасных ситуаций, таких как сваливание на малой скорости или перенапряжение, с помощью защиты зоны полета . В результате в таких условиях системы управления полетом дают команду двигателям увеличивать тягу без вмешательства пилота. В экономичных крейсерских режимах системы управления полетом точно регулируют дросселирование и выбор топливного бака. FADEC снижает сопротивление руля направления, необходимое для компенсации бокового полета из-за неуравновешенной тяги двигателя. В семействе A330 / A340 топливо передается между основными (крыло и центральная часть фюзеляжа) баками и топливным баком в горизонтальном стабилизаторе, чтобы оптимизировать центр тяжести самолета во время крейсерского полета. Элементы управления подачей топлива обеспечивают точное выравнивание центра тяжести самолета с учетом веса топлива, а не аэродинамические обрезки лифтов, вызывающие лобовое сопротивление.

Дальнейшее развитие

Облетная оптика

Кавасаки Р-1

Иногда вместо беспроводной связи используется оптика Fly-by-optics, поскольку она обеспечивает более высокую скорость передачи данных, невосприимчивость к электромагнитным помехам и меньший вес. В большинстве случаев кабели просто меняют с электрических на оптоволоконные . Иногда его называют «пролетом мимо света» из-за использования волоконной оптики. Данные, генерируемые программным обеспечением и интерпретируемые контроллером, остаются прежними. Функция Fly-by-light снижает электромагнитные помехи для датчиков по сравнению с более распространенными системами управления Fly-by-Wire. Кавасаки Р-1 является первым серийным самолетом в мире , чтобы быть оснащен системой управления полетом такого.

Электропитание по проводам

После устранения цепей механической трансмиссии в системах управления полетом по проводам следующим шагом является устранение громоздких и тяжелых гидравлических цепей. Гидравлический контур заменен электрической цепью. Силовые цепи питают электрические или автономные электрогидравлические приводы, которые управляются цифровыми компьютерами управления полетом. Все преимущества цифрового беспроводного подключения сохраняются, поскольку компоненты с автономным питанием строго дополняют компоненты с автономным управлением.

Самыми большими преимуществами являются снижение веса, возможность резервирования цепей питания и более тесная интеграция между системами управления полетом самолета и его системами авионики. Отсутствие гидравлики значительно снижает затраты на обслуживание. Эта система используется в самолетах Lockheed Martin F-35 Lightning II и в резервных средствах управления полетом Airbus A380 . В Boeing 787 и Airbus A350 также есть резервные органы управления полетом с электроприводом, которые остаются работоспособными даже в случае полной потери гидравлической мощности.

Беспроводная связь

Электропроводка значительно увеличивает вес самолета; поэтому исследователи изучают возможность внедрения беспроводных решений. Системы Fly-by-wireless очень похожи на системы fly-by-wire, однако вместо использования проводного протокола для физического уровня используется беспроводной протокол.

Помимо снижения веса, внедрение беспроводного решения может снизить затраты на протяжении всего жизненного цикла самолета. Например, многие ключевые точки отказа, связанные с проводами и разъемами, будут устранены, что позволит сократить часы, затрачиваемые на поиск и устранение неисправностей проводов и разъемов. Кроме того, инженерные расходы потенциально могут снизиться, поскольку меньше времени будет потрачено на проектирование монтажных схем, будет легче управлять поздними изменениями в конструкции самолета и т. Д.

Интеллектуальная система управления полетом

Новая система управления полетом, называемая интеллектуальной системой управления полетом (IFCS), является расширением современных цифровых систем управления полетом по проводам. 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, потеря двигателя и т. Д. Были проведены демонстрации на симуляторе полета, на котором пилот небольшого самолета, обученный Cessna, успешно приземлил сильно поврежденный полноразмерный концептуальный самолет, не имея предварительного опыта работы с крупнокалиберными реактивными самолетами. Эту разработку возглавляет Центр летных исследований NASA Dryden . Сообщается, что усовершенствования в основном представляют собой обновления программного обеспечения существующих полностью компьютеризированных цифровых систем управления полетом по проводам. В Dassault Falcon 7X и Embraer Legacy 500 бизнес - джетов имеют полета компьютеров , которые могут частично компенсировать сценариев двигателя, путем регулирования уровня тяги и управляющих входов, но по- прежнему требуют пилотов реагировать соответствующим образом .

Смотрите также

Примечание

использованная литература

внешние ссылки