Кіріспе
Электрондық ұшуды басқару жүйесі
Fly by wire (FBW) – ұшақтың дәстүрлі қолмен басқаруын электрондық интерфейспен алмастыратын жүйе. Ұшуды басқару құрылғыларының қозғалысы сым арқылы берілетін электрондық сигналдарға айналады, ал ұшуды басқару компьютерлері әрбір басқару бетіндегі атқарушы механизмдерді қалай қозғалту керектігін анықтайды. Жүйелер механикалық ұшуды басқарудың резервтік жүйелерін пайдаланады немесе толықтай электрондық болып келеді. Күшті жақсартылған толықтай ұшу желісі жүйелері ұшқыштың басқару әрекеттерін қажетті нәтиже ретінде қарастырады және осы нәтижеге жету үшін қажетті басқару беттерінің орналасуын есептейді; бұл жабық кері байланыс циклын қолдана отырып, әртүрлі жағдайларда руль, лифт, элерон, жапсырмалар және қозғалтқыш басқаруының әртүрлі комбинацияларын қамтамасыз етеді. Ұшқыш нәтижеге әсер ететін барлық басқару шығыстарын толық білмеуі мүмкін, тек ұшақ күтілгендей әрекет ететінін сезінеді. Fly by wire компьютерлері ұшақты тұрақтандыруға, ұшқыштың қатысуынсыз ұшу сипаттамаларын реттеуге және ұшқыштың ұшақтың қауіпсіз жұмыс шегінен тыс пайдалануына жол бермеуге көмектеседі. "Fly by wire" термині таза электрлік сигналмен басқарылатын жүйені білдіреді. Ол компьютерлік конфигурацияланған басқарудың жалпы мағынасында қолданылады, онда компьютерлік жүйе оператор мен соңғы басқару механизмдері немесе беттерінің арасында орналасады. Бұл басқару параметрлеріне сәйкес ұшқыштың қолмен енгізген әрекеттерін өзгертеді.
Салмақты үнемдеу
FBW ұшағы дәстүрлі басқару жүйесі бар ұқсас конструкциядан жеңіл болуы мүмкін. Бұл, бір жағынан, жүйе компоненттерінің жалпы салмағының төмен болуына, екінші жағынан, ұшақтың табиғи тұрақтылығын азайтуға болады (көліктік ұшақ үшін аз, маневрлік истребитель үшін көп), бұл ұшақ құрылымының бөлігі болып табылатын тұрақтандыру беттерін кішіректеу жасауға мүмкіндік береді. Бұған әдетте фюзеляждың арт жағында орналасқан тік және көлденең тұрақтандырғыштар (қанат және құйрық) жатады. Егер осы құрылымдардың мөлшерін азайту мүмкін болса, ұшақтың салмағы да азаяды. FBW басқару жүйесінің артықшылықтарын алдымен әскерилер, кейін коммерциялық авиация нарығы қолданды. Airbus компаниясының ұшақтары A320 сериясынан бастап толық құқықты FBW басқаруын пайдалана бастады, A320 ұшу басқаруына қараңыз (бірақ A310 ұшағында FBW-ның кейбір шектеулі функциялары болған). Boeing компаниясы 777 және одан кейінгі үлгілерімен осы қадамды ілесіп кетті.
Жабық циклді кері байланыс басқару
Ұшқыш басқару бағанасын немесе бүйірлік таяқты жылжыту арқылы ұшуды басқару компьютеріне ұшақты белгілі бір әрекет жасауға бұйрық береді, мысалы, ұшақты жоғары көтеру немесе бір жаққа бұру. Ұшуды басқару компьютері содан кейін осы әрекетті орындау үшін қандай рульдерді қозғау керектігін есептеп, әр рульдің электрондық басқару құрылғыларына тиісті командаларды жібереді.
Автоматты тұрақтандыру жүйелері
Ұшуды сым арқылы басқару жүйелері ұшақ компьютерлеріне ұшқыш араласуынсыз тапсырмаларды орындауға мүмкіндік береді. Автоматты тұрақтандыру жүйелері осы принцип бойынша жұмыс істейді. Гироскоптар және акселерометрлер сияқты сенсорлар ұшаққа орнатылып, қисаю, еңкею және бағытталған бұрылыс осьтеріндегі айналуды анықтайды. Кез келген қозғалыс (мысалы, тікелей және тегіс ұшудан) компьютерге сигнал жібереді, ол автоматты түрде басқару механизмдерін қозғалтып, ұшақты тұрақтандырады. Ұшу алдындағы қауіпсіздік тексерулері көбінесе кіріктірілген сынақ жабдығын (BITE) пайдаланып жүргізіледі. Басқару қозғалысының бірнеше қадамдары автоматты түрде орындалуы мүмкін, бұл ұшқыш немесе жердегі техникалық құрамның жұмыс жүктемесін азайтып, ұшу тексерулерін жылдамдатады. Кейбір ұшақтар, мысалы Panavia Tornado, электр қуатын жоғалтқан жағдайда ұшуды шектеулі түрде басқару үшін өте қарапайым гидромеханикалық резервтік жүйені сақтайды; Tornado жағдайында бұл тұрақтандырғыштарды тек еңкею және еңкею осі бойынша қозғалтуға мүмкіндік береді.
Тарих
Сервоэлектрлік басқару беттері алғаш рет 1930 жылдары советтік Туполев АНТ-20 ұшағында сынақтан өтті. Механикалық және гидравликалық байланыстардың ұзақ жүйелері сымдармен және электр сервомен ауыстырылды. 1934 жылы ол ұшақты жерге жақын тұрғанда автоматты түрде көтеруге арналған электрондық жүйеге патент алды. 1941 жылы Siemens компаниясының инженеры Карл Отто Альтватер Heinkel He 111 ұшағы үшін алғашқы "fly by wire" жүйесін жасап, сынақтан өткізді. Сенімсіз дереккөз: күні=2022 қаңтар. "Fly by wire" ұшу басқару жүйесімен жобаланған және ұшқан алғашқы эксперименттік емес ұшақ – 1958 жылғы Avro Canada CF 105 Arrow болды. Бұл жетістік 1969 жылғы Concorde ұшағымен қайталанды, ол алғашқы "fly by wire" жолаушы ұшағы атанды (Arrow бес данасы жасалып, жоба тоқтатылған еді). Бұл жүйеде қатты күйдегі компоненттер, жүйелік резервтік мүмкіндіктер болды, компьютерлік навигация және автоматты іздеу-бақылау радарын интеграциялау үшін жасалған, деректерді жоғары және төмен жіберу арқылы жерден басқару мүмкіндігі және ұшқышқа жасанды сезім (кері байланыс) беру қарастырылған. Механикалық немесе гидравликалық резервтік жүйесі жоқ алғашқы таза электрондық "fly by wire" ұшағы – 1968 жылы алғаш ұшқан Apollo Lunar Landing Training Vehicle (LLTV) болды. Бұған дейін, 1964 жылы Lunar Landing Research Vehicle (LLRV) ұшты, ол механикалық резервсіз "fly by wire" ұшудың негізін қалады. Басқару үш аналогты резервтік арнасы бар цифрлық компьютер арқылы жүзеге асырылды. КСРО-да Sukhoi T-4 ұшағы да сынақтан өтті. Сол кезде Ұлыбританияда British Royal Aircraft Establishment ұшақтың оң жақ пилоты үшін "fly by wire" ұшу басқару жүйесімен жаттығу нұсқасын модификациялады. Ұлыбританияда екі орындық Avro 707C 60-жылдардың басында механикалық резервтік жүйесі бар Fairey жүйесімен ұшты. Ұшақтың ұшу уақыты таусылғандықтан бағдарлама тоқтатылды. NASA (АҚШ) сынақ ұшағы ретінде электронды түрде модификацияланған F 8 Crusader ұшағы әуеге көтерілді; F 8 Apollo басқару, навигация және басқару аппараттарын пайдаланды. Airbus A320 1988 жылы цифрлық "fly by wire" басқару жүйесімен жабдықталған алғашқы жолаушы ұшағы ретінде пайдалануға берілді. Boeing 1994 жылы 777 ұшағы үшін дәстүрлі кабельдік және шкивтік жүйелерден бас тартып, "fly by wire" ұшу басқару жүйесін таңдады. Ұшақтың ұшуын бақылаудан басқа, FBW "қаптаманы қорғау" мүмкіндігін ұсынды, бұл жүйе ұшақтың кездейсоқ қате басқарылуын, тоқтауын немесе құрылымдық стрестің артығын болдырмау үшін автоматты түрде араласатын кепілдік берді. 777 негізгі ұшу компьютерлерін (PFC) актуаторды басқарудың электрондық бірліктерімен (ACE) байланыстыру үшін ARINC 629 шиналарын пайдаланды. Әрбір PFC үш 32 биттік микропроцессорды қамтыды, оның ішінде Motorola 68040, Intel 80486 және AMD 29050, барлығы Ada бағдарламалау тілінде бағдарламаланған.
The first non experimental aircraft that was designed and flown (in 1958) with a fly by wire flight control system was the Avro Canada CF 105 Arrow, a feat not repeated with a production aircraft (though the Arrow was cancelled with five built) until Concorde in 1969, which became the first fly by wire airliner. This system also included solid state components and system redundancy, was designed to be integrated with a computerised navigation and automatic search and track radar, was flyable from ground control with data uplink and downlink, and provided artificial feel (feedback) to the pilot. The first pure electronic fly by wire aircraft with no mechanical or hydraulic backup was the Apollo Lunar Landing Training Vehicle (LLTV), first flown in 1968. This was preceded in 1964 by the Lunar Landing Research Vehicle (LLRV) which pioneered fly by wire flight with no mechanical backup. Control was through a digital computer with three analog redundant channels. In the USSR, the Sukhoi T 4 also flew. At about the same time in the United Kingdom a trainer variant of the British Hawker Hunter fighter was modified at the British Royal Aircraft Establishment with fly by wire flight controls for the right seat pilot. In the UK the two seater Avro 707C was flown with a Fairey system with mechanical backup in the early to mid 60s. The program was curtailed when the air frame ran out of flight time. to take to the air was an F 8 Crusader, which had been modified electronically by NASA of the United States as a test aircraft; the F 8 used the Apollo guidance, navigation and control hardware. The Airbus A320 began service in 1988 as the first airliner with digital fly by wire controls. Boeing chose fly by wire flight controls for the 777 in 1994, departing from traditional cable and pulley systems. In addition to overseeing the aircraft's flight control, the FBW offered "envelope protection", which guaranteed that the system would step in to avoid accidental mishandling, stalls, or excessive structural stress on the aircraft. 777 used ARINC 629 buses to connect primary flight computers (PFCs) with actuator control electronics units (ACEs). Every PFC housed three 32 bit microprocessors, including a Motorola 68040, an Intel 80486, and an AMD 29050, all programmed in Ada programming language.
Аналогты жүйелер
Барлық "fly by wire" ұшуды басқару жүйелері гидромеханикалық немесе электромеханикалық ұшуды басқару жүйелерінің механикалық тізбегінің күрделілігін, нәзіктігін және салмағын жояды – олардың әрқайсысы электрондық тізбектермен алмастырылады. Кабинадағы басқару механизмдері сигнал түрлендіргіштерін іске қосады, олар өз кезегінде тиісті электрондық командаларды жасайды. Бұл командалар электрондық контроллермен өңделеді – аналогты немесе (көбінесе) цифрлық. Ұшақтар мен ғарыш кемелерінің автопилоттары енді электрондық контроллердің құрамына кіреді. Гидравликалық тізбектер де ұқсас, бірақ механикалық сервоклапандар электрондық контроллермен басқарылатын электрлік сервоклапандармен ауыстырылады. Бұл аналогты "fly by wire" ұшуды басқару жүйесінің ең қарапайым және алғашқы конфигурациясы. Осы конфигурацияда ұшуды басқару жүйелері "сезімді" имитациялауы керек. Электрондық контроллер қолмен басқару құралдарына тиісті "сезімдік" күштерді беру үшін электрлік сезімдік құрылғыларды басқарады. Бұл алғашқы "fly by wire" жолаушылар ұшағы Конкордта қолданылған.
Цифрлық жүйелер
Цифрлық ұшқыш арқылы сымдық ұшуды басқару жүйесі аналогтық жүйеге қарағанда кеңейтілген мүмкіндіктерге ие. Цифрлық сигналды өңдеу бір мезгілде әртүрлі сенсорлардан (мысалы, биіктік өлшегіштер мен Пито түтікшелерінен) келетін деректерді қабылдап, түсіндіріп, басқаруды нақты уақытта реттеуге мүмкіндік береді. Компьютерлер ұшқыштан басқару сигналдарын және ұшақ сенсорларынан келетін позиция мен күш туралы мәліметтерді анықтайды. Содан кейін олар ұшақтың қозғалыс теңдеулеріне байланысты дифференциалдық теңдеулерді шешіп, ұшқыштың ниеттерін орындау үшін ұшуды басқаруға арналған тиісті командалық сигналдарды анықтайды. Цифрлық компьютерлердің бағдарламалауы ұшу шектерін қорғауға мүмкіндік береді. Бұл қорғау шаралары ұшақтың аэродинамикалық және конструкциялық шектеулерінде жұмыс істеуі үшін, оның басқару ерекшеліктеріне сәйкес жасалады. Мысалы, ұшу шектерін қорғау режиміндегі компьютер ұшқыштардың ұшақты қауіпті жағдайға түсіруіне жол бермеу үшін, ұшуды басқару шегіндегі алдын ала белгіленген шектерден асып кетуіне, мысалы, тоқтаулар мен айналуларға, сондай-ақ ұшақтағы жылдамдық пен күштің шектеулеріне жетпеу арқылы алдын алады. Бұдан өзге, ұшқыштардың тудыратын тербелістерін болдырмау үшін ұшуды басқару сигналдарын тұрақтандыруға арналған бағдарламалық жасақтама да қосылуы мүмкін. Ұшуды басқару компьютерлері үздіксіз түрде қоршаған ортадан мәлімет алып отыратындықтан, ұшқыштардың жұмыс жүктемесі азаяды. Дегенмен, компьютерлік, цифрлық, сым арқылы ұшу жүйелері үшін ең маңызды мәселе – сенімділік, ол аналогтық электрондық басқару жүйелерінен де жоғары. Себебі, бағдарламалық қамтамасыз етуді іске қосатын цифрлық компьютерлер көбінесе ұшқыш пен ұшақтың басқару беттері арасындағы жалғыз басқару арнасы болып табылады. Компьютерлік бағдарлама кез келген себеппен істен шықса, ұшқыш ұшақты басқара алмай қалуы мүмкін. Сондықтан, дерлік барлық сым арқылы ұшуды басқару жүйелерінде компьютерлер мен электроника үш немесе төрт еселенген. Яғни, үш немесе төрт ұшуды басқару компьютері параллель жұмыс істейді және оларды әрбір басқару бетімен байланыстыратын үш немесе төрт жеке дерек шинасы болады.
Артықшылық
Ұшуды басқарудың бірнеше резервтік компьютерлері бір-бірінің жұмысын үздіксіз бақылайды. Егер бір компьютер қандай да бір себеппен, мысалы, бағдарламалық немесе аппараттық іркілістер немесе бұрмаланған деректер салдарынан қате нәтижелерді көрсетсе, біріктірілген жүйе сол компьютердің нәтижелерін ұшуды басқару үшін қажетті шараларды анықтау кезінде ескермейді. Жүйенің нақты сипаттамасына байланысты, қате компьютерді қайта іске қосуға немесе оның деректері қалыпқа келген жағдайда оларды қайтадан қосуға мүмкіндік болуы мүмкін. Егер бірнеше іркіліс орын алса, күрделі логика оларды шешуге көмектеседі, соның салдарынан жүйе қарапайым резервтік режимдерге көшуі мүмкін. «Fly by wire» жүйесінің арқасында Embraer E Jet отбасысының екінші буыны бірінші буынға қарағанда 1,5% тиімдірек болды, бұл E190/195 модельдеріндегі көлденең стабилизатордың ауданын 280 фут²-тан 250 фут²-қа дейін азайтуға мүмкіндік берді.
Airbus/Boeing компаниясы
Airbus пен Boeing коммерциялық ұшақтардағы fly by wire жүйелерін енгізу тәсілдері әртүрлі. Airbus A320-ден бастап, Airbus ұшу шектеулерін бақылау жүйелері қалыпты режимде ұшқан кезде әрдайым соңғы бақылауды өздерінде сақтайды және ұшқыштарға ұшақтың техникалық мүмкіндіктерінің шегінен шығуға рұқсат бермейді, егер олар баламалы режимде ұшуды қаласа. Бұл стратегия келесі Airbus ұшақтарында да сақталды. Дегенмен, егер бірнеше қосымша компьютерлер істен шықса, A320 ұшағында оның биіктік және рульдік басқаруларына механикалық резервтік жүйе қарастырылған, ал Airbus A340 ұшағында рульдік басқару үшін электрлік (электрондық емес) резервтік жүйе бар. A380 ұшағынан бастап, барлық ұшуды басқару жүйелері "үш осьті резервтік басқару модулі" (BCM) арқылы толығымен электрлік резервтік жүйелермен жабдықталған. Boeing 777 сияқты Boeing авиалайнерлері ұшқыштарға компьютерлік ұшуды басқару жүйесін толығымен иеленуге мүмкіндік береді, соның арқасында ұшақты оның қалыпты ұшу шектеулерінен тыс ұшуға болады.
Қолданбалар
Конкорд – аналогты басқарумен жұмыс істейтін алғашқы өндірістік ұшақ. McDonnell Douglas F/A 18 – цифрлық «ұшқыштарды сым арқылы басқару» (fly by wire) жүйесін қолданған алғашқы өндірістік ұшақ. Ғарыш кеңістігіндегі Шаттл толық цифрлық «ұшқыштарды сым арқылы басқару» жүйесіне ие болды. Бұл жүйе алғаш рет 1977 жылы «Космикалық Шаттл Энтерпрайз» ғарыш кемесінде жүргізілген «Жақын қадам және қону сынақтары» барысында (бірден-бір ұшуды басқару жүйесі ретінде) сынақтан өтті. 1984 жылы өндіріске жіберілген Airbus Industries Airbus A320 әуе кемесі толық цифрлық «ұшқыштарды сым арқылы басқару» жүйесімен ұшқан алғашқы әуе лайнері болды. 1993 жылы Boeing C 17 Globemaster III ұшырылып, «ұшқыштарды сым арқылы басқару» жүйесіне ие алғашқы әскери-көліктік ұшақ атанды. 2005 жылы Dassault Falcon 7X «ұшқыштарды сым арқылы басқару» жүйесімен жабдықталған алғашқы бизнес-авиация ұшағы болды. 2002 жылы Embraer E Jet ұшақтарының бірінші буынына жабық кері байланыссыз толық цифрлық «ұшқыштарды сым арқылы басқару» жүйесі енгізілді. 2016 жылы кері байланыс тізбегін жабық қылып (кері байланыс арқылы), Embraer E Jet ұшақтарының екінші буыны тиімділігін 1,5%-ға арттырды.
Электрмен жабдықтау
Ұшуды сыммен басқару жүйелеріндегі механикалық беріліс тізбектерін жоюдан кейін, келесі қадам – көлемді және ауыр гидравликалық тізбектерді жою. Гидравликалық тізбек электр қуаты тізбегімен алмастырылады. Қуат тізбектері ұшуды басқарудың цифрлық компьютерлерімен басқарылатын электрлік немесе автономды электр-гидравликалық атқарушы механизмдерді қуатпен жабдықтайды. Қуатпен басқару компоненттері ұшуды сыммен басқару компоненттеріне толықтыратындықтан, цифрлық ұшуды сыммен басқарудың барлық пайдалы қасиеттері сақталады. Ең маңызды артықшылықтары – салмақты азайту, қосымша қуат тізбектерінің болуы және ұшақтың ұшуды басқару жүйелері мен оның авиациялық электроника жүйелері арасындағы жақын интеграция. Гидравликаның болмауы техникалық қызмет көрсету шығындарын едәуір төмендетеді. Бұл жүйе Lockheed Martin F-35 Lightning II және Airbus A380 ұшақтарының қосалқы ұшу басқаруында қолданылады. Boeing 787 және Airbus A350 ұшақтары да гидравликалық қуаттың толық жоғалуы жағдайында да жұмыс істейтін электр қуатымен жұмыс істейтін қосалқы ұшу басқару жүйесін қамтиды.
Fly-by-wireless (байланысты ұшатын)
Қылжымалы құрылғылар ұшақтың салмағын едәуір арттырады; сондықтан зерттеушілер сымсыз басқару жүйелерін енгізуді қарастырып жатыр. Сымсыз басқару жүйелері сымды басқару жүйелеріне өте ұқсас, бірақ физикалық деңгейде сымды протоколдың орнына сымсыз протокол қолданылады. Салмақты азайтумен қатар, сымсыз шешімді енгізу ұшақтың өмірлік циклы бойындағы шығындарды азайтуға әлеуетті мүмкіндік береді. Мысалы, сымдар мен қосылыстармен байланысты көптеген түйінді қателер жойылады, соның салдарынан сымдар мен қосылыстарды іздеуге жұмсалатын уақыт қысқарады. Бұдан өзге, инженерлік шығындар да азаюы мүмкін, себебі сымдарды орнатуға кететін уақыт азаяды, сондай-ақ ұшақтың дизайнына енгізілетін кейінгі өзгерістерді басқару оңайлатылады және т.б.
Ақылды ұшуды басқару жүйесі
Интеллектуалды ұшуды басқару жүйесі (IFCS) деп аталатын жаңа ұшуды басқару жүйесі – қазіргі заманғы цифрлық ұшқыштарды басқару жүйелерінің дамуы болып табылады. Оның мақсаты – ұшу кезінде ұшақтағы зақымданулар мен бұзушылықтарды интеллектуалды түрде толықтыру, мысалы, гидравликаның жоғалуы, рульдің, элерондардың немесе қозғалтқыштың істен шығуы сияқты ауыр жағдайларда қозғалтқыштың итермелеуін және басқа да авиаэлектрониканы автоматты түрде пайдалану арқылы өтеу. Ұшу симуляторында бірнеше демонстрациялар жасалды, онда Cessna ұшағымен оқытылған пилот, ірі корпусты ұшақтармен бұрын тәжірибесі болмаса да, қатты зақымдалған толық көлемді концепт ұшағын сәтті қондырды. Бұл әзірлемеге NASA Dryden Ұшу зерттеу орталығы жетекшілік етеді. Хабарламаға сәйкес, жаңартулар көбінесе қазіргі толыққанды компьютерленген цифрлық ұшқыштарды басқару жүйелеріне жасалатын бағдарламалық қамтамасыз ету жаңартулары болып табылады. Dassault Falcon 7X және Embraer Legacy 500 бизнес-ұшақтарындағы ұшқыштық компьютерлер қозғалтқыш істен шыққан жағдайларда итермелеу деңгейін және басқару сигналдарын реттеу арқылы ішінара толықтыра алады, бірақ бұл жағдайда пилоттардың тиісті әрекет етуі қажет.