Введение

Электронная система управления полетом.

Система "Fly by wire" (FBW) – это система, заменяющая традиционные механические органы управления полетом воздушного судна электронным интерфейсом. Движения органов управления преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам, а компьютеры управления полетом определяют, как перемещать исполнительные механизмы на каждой управляющей поверхности для обеспечения требуемого отклика. В реализации системы могут использоваться механические системы резервного управления или полностью электронная схема. Усовершенствованные системы "полностью с электродистанционным управлением" интерпретируют команды пилота как желаемый результат и вычисляют положения управляющих поверхностей, необходимые для его достижения; это приводит к различным комбинациям руля направления, руля высоты, элеронов, закрылков и управления двигателем в различных ситуациях с использованием замкнутого контура обратной связи. Пилот может не полностью осознавать все управляющие воздействия, влияющие на результат, а лишь то, что воздушное судно реагирует ожидаемым образом. Компьютеры системы "Fly by wire" стабилизируют самолет и корректируют его летные характеристики без участия пилота, а также предотвращают выход за пределы безопасных эксплуатационных ограничений. Термин "Fly by wire" подразумевает систему управления, в которой передача сигналов осуществляется исключительно электрическим путем. Он используется в широком смысле для обозначения систем управления, конфигурируемых компьютером, где компьютерная система располагается между оператором и конечными исполнительными механизмами или поверхностями. Это изменяет ручные команды пилота в соответствии с параметрами управления.

Экономия веса

Самолет с ЭЛС (электродистанционной системой управления) может быть легче, чем аналогичная конструкция с обычными органами управления. Это частично обусловлено меньшим общим весом компонентов системы, а частично тем, что естественная устойчивость самолета может быть ослаблена (в небольшой степени для транспортного самолета; в большей – для маневренного истребителя). Это позволяет уменьшить размеры стабилизирующих поверхностей, являющихся частью конструкции самолета. К ним относятся вертикальный и горизонтальный стабилизаторы (киль и оперение), которые (обычно) расположены в хвостовой части фюзеляжа. Уменьшение размеров этих конструкций приводит к снижению веса планера. Преимущества ЭЛС впервые были реализованы в военной авиации, а затем и в коммерческом секторе. Авиалайнеры семейства Airbus начали использовать ЭЛС с полным авторитетом управления, начиная с серии A320 (см. систему управления полетом A320), хотя некоторые ограниченные функции ЭЛС уже присутствовали на A310. Компания Boeing последовала за ними, разработав самолеты 777 и более поздние модели.

Контроль обратной связи с замкнутым циклом

Пилот подает команду борвому компьютеру управления полетом выполнить определенное действие, например, изменить тангаж самолета вверх или выполнить крен в сторону, перемещая штурвал или боковую ручку управления. Борвой компьютер управления полетом затем вычисляет, какие отклонения рулевых поверхностей приведут к выполнению этого действия, и отправляет соответствующие команды электронным приводам каждой рулевой поверхности.

Системы автоматической стабилизации

Системы управления с электродистанционным управлением позволяют бортовым компьютерам выполнять задачи без участия пилота. Автоматические системы стабилизации работают по такому принципу. В самолет устанавливаются гироскопы и датчики, такие как акселерометры, для определения угловой скорости по осям тангажа, крена и рыскания. Любое отклонение от заданного положения (например, от прямолинейного и горизонтального полета) генерирует сигналы для компьютера, который автоматически перемещает исполнительные механизмы управления для стабилизации самолета. Предполётные проверки безопасности системы с электродистанционным управлением часто выполняются с использованием встроенного тестового оборудования (BITE). Ряд проверочных перемещений органов управления может выполняться автоматически, снижая нагрузку на пилота или наземный персонал и ускоряя предполетные проверки. Некоторые самолеты, например Panavia Tornado, сохраняют простую гидромеханическую резервную систему для обеспечения ограниченной управляемости при потере электропитания; в случае Tornado это позволяет осуществлять лишь базовое управление стабилизаторами по осям тангажа и крена.

История

Сервоэлектрические органы управления были впервые испытаны в 1930-х годах на советском самолете Туполев АНТ-20. Длинные механические и гидравлические соединения были заменены проводами и электрическими сервоприводами. В 1934 году был запатентован автоматический электронный механизм, который выпускал посадочные устройства самолета при приближении к земле. В 1941 году Карл Отто Альтватер, инженер компании Siemens, разработал и испытал первую систему электродистанционного управления (ЭДСУ) для Heinkel He 111, в которой самолет полностью управлялся электронными импульсами. Первым серийным самолетом, разработанным и поднятым в воздух (в 1958 году) с системой ЭДСУ, был Avro Canada CF-105 Arrow – достижение, не повторенное до Concorde в 1969 году, который стал первым авиалайнером с ЭДСУ. Эта система также включала твердотельные компоненты и резервирование, была спроектирована для интеграции с компьютерной навигацией и автоматической радиолокационной станцией поиска и сопровождения целей, могла управляться с земли посредством двусторонней передачи данных и обеспечивала искусственное ощущение (обратную связь) для пилота. Первым полностью электронным самолетом с ЭДСУ, не имеющим механической или гидравлической резервной системы, был тренажер посадки на Луну Apollo Lunar Landing Training Vehicle (LLTV), впервые поднятый в воздух в 1968 году. Ему предшествовал в 1964 году исследовательский аппарат посадки на Луну (Lunar Landing Research Vehicle – LLRV), который впервые опробовал ЭДСУ без механической резервной системы. Управление осуществлялось через цифровой компьютер с тремя аналоговыми резервными каналами. В СССР также летал Сухой Т-4. Примерно в то же время в Великобритании был модифицирован учебный вариант британского истребителя Hawker Hunter на Королевском авиационном исследовательском заведении с ЭДСУ для пилота на правом сиденье. В Великобритании двухместный Avro 707C был испытан с системой Fairey, имеющей механическую резервную систему, в начале – середине 1960-х годов. Программа была прекращена из-за исчерпания ресурса полета планера. Для испытаний также использовался F-8 Crusader, который был модифицирован компанией NASA как летающая лаборатория; F-8 использовал аппаратуру управления, навигации и контроля Apollo. Airbus A320 начал эксплуатацию в 1988 году как первый авиалайнер с цифровой ЭДСУ. Boeing выбрал ЭДСУ для 777 в 1994 году, отказавшись от традиционных тросовых и шкивных систем. Помимо управления полетом, ЭДСУ обеспечивала "защиту огибающей", гарантируя, что система вмешается для предотвращения случайных ошибок управления, сваливаний или чрезмерных структурных нагрузок на самолет. 777 использовал шины ARINC 629 для соединения основных бортовых компьютеров (PFC) с блоками управления исполнительными механизмами (ACE). Каждый PFC содержал три 32-битных микропроцессора, включая Motorola 68040, Intel 80486 и AMD 29050, все запрограммированные на языке Ada.

Аналоговые системы

Все системы управления полетом "fly by wire" устраняют сложность, хрупкость и вес механических цепей гидромеханических или электромеханических систем управления полетом – каждая из них заменена электронными схемами. Механизмы управления в кабине пилота теперь воздействуют на преобразователи сигналов, которые, в свою очередь, генерируют соответствующие электронные команды. Эти команды затем обрабатываются электронным контроллером – либо аналоговым, либо (в более современных системах) цифровым. Автопилоты самолетов и космических аппаратов теперь являются частью электронного контроллера. Гидравлические цепи аналогичны, за исключением того, что механические сервоклапаны заменены на электрически управляемые сервоклапаны, которыми управляет электронный контроллер. Это самая простая и ранняя конфигурация аналоговой системы управления полетом по электропроводам. В этой конфигурации системы управления полетом должны имитировать ощущение управляемости. Электронный контроллер управляет электрическими устройствами обратной связи, которые создают соответствующие усилия на органах ручного управления. Эта система использовалась в самолете "Конкорд", первом серийном авиалайнере с управлением по электропроводам.

Цифровые системы

Цифровая система управления полетом по проводам (fly by wire) может быть создана на основе аналоговой системы. Цифровая обработка сигналов позволяет одновременно принимать и интерпретировать данные от множества датчиков (например, высотомеров и трубок Пито) и корректировать органы управления в реальном времени. Компьютеры считывают положение и усилие, прикладываемое к органам управления пилотом и датчикам самолета. Затем они решают дифференциальные уравнения, описывающие динамику полета, чтобы определить необходимые управляющие сигналы для выполнения пилотских команд. Программирование цифровых компьютеров обеспечивает защиту летного контура. Эти защиты адаптированы к летным характеристикам самолета, чтобы оставаться в пределах его аэродинамических и прочностных ограничений. Например, компьютер в режиме защиты летного контура может предотвратить опасное управление самолетом, не допуская превышения пилотом заданных пределов, таких как предотвращение сваливания и штопора, а также ограничение скорости и перегрузок. Также может быть предусмотрено программное обеспечение для стабилизации управляющих воздействий и предотвращения колебаний, вызванных действиями пилота. Поскольку компьютеры управления полетом непрерывно отслеживают окружающую обстановку, рабочая нагрузка на пилота снижается. Тем не менее, важнейшей характеристикой компьютеризированных цифровых систем управления по проводам является надежность, которая даже более критична, чем для аналоговых электронных систем управления. Это связано с тем, что цифровые компьютеры, работающие под управлением программного обеспечения, зачастую являются единственным каналом управления между пилотом и рулевыми поверхностями самолета. В случае сбоя программного обеспечения компьютер может выйти из строя, и пилот может потерять управление самолетом. Поэтому практически все системы управления полетом по проводам имеют тройное или четверное резервирование компьютеров и электроники: три или четыре компьютера управления полетом работают параллельно, и их соединяют с каждой рулевой поверхностью три или четыре независимые шины данных.

Избыточность

Многочисленные резервные компьютеры управления полетом непрерывно контролируют выходные данные друг друга. Если один из компьютеров по какой-либо причине, включая аппаратные или программные сбои, либо некорректные входные данные, начинает выдавать неверные результаты, то комбинированная система разработана таким образом, чтобы исключить данные этого компьютера при определении оптимальных действий для органов управления полетом. В зависимости от конкретной реализации системы, может быть предусмотрена возможность перезагрузки неисправного компьютера управления полетом или повторного включения его данных, если они придут в соответствие с остальными. Существует сложная логика обработки множественных отказов, которая может привести к переходу системы в более простые резервные режимы. Семейство самолетов Embraer E-Jet второго поколения получило увеличение эффективности на 1,5% по сравнению с первым поколением благодаря системе электродистанционного управления (fly-by-wire), что позволило уменьшить площадь горизонтального стабилизатора с 280 до 250 квадратных футов на модификациях E190/195.

Airbus/Boeing

Airbus и Boeing различаются в подходах к реализации систем управления с электродистанционным управлением (fly by wire) в коммерческих самолетах. Начиная с Airbus A320, системы управления полетной оболочкой Airbus всегда сохраняют приоритетный контроль над полетом в нормальном режиме и не допускают превышения пилотами эксплуатационных ограничений самолета, если они сознательно не переключатся в альтернативный режим. Эта стратегия была продолжена на всех последующих авиалайнерах Airbus. Однако, в случае множественных отказов резервных компьютеров, A320 располагает механической резервной системой управления предкрылками и рулем направления, Airbus A340 – чисто электрической (не электронной) резервной системой управления рулем направления, а начиная с A380, все системы управления полетом оснащены чисто электрическими резервными системами, реализованными посредством "трехосевого модуля резервного управления" (BCM). Авиалайнеры Boeing, например Boeing 777, позволяют пилотам полностью отключать автоматизированную систему управления полетом, что дает возможность выводить самолет за пределы обычной области управляемости.

Приложения

Конкорд был первым серийным самолетом с аналоговой системой управления по проводам. McDonnell Douglas F/A 18 стал первым серийным самолетом, использующим цифровую систему управления по проводам. Космический шаттл был оснащен полностью цифровой системой управления по проводам. Эта система впервые была опробована (в качестве единственной системы управления полетом) во время беспилотных планерирующих испытаний "Подход и посадка", начатых на космическом шаттле "Энтерпрайз" в 1977 году. В 1984 году Airbus A320 стал первым авиалайнером, совершившим полет с полностью цифровой системой управления по проводам. С началом эксплуатации в 1993 году Boeing C-17 Globemaster III стал первым военно-транспортным самолетом с системой управления по проводам. В 2005 году Dassault Falcon 7X стал первым бизнес-джетом с системой управления по проводам. Полностью цифровая система управления по проводам без замкнутого контура обратной связи была интегрирована в 2002 году в семейство самолетов Embraer E-Jet первого поколения. Замыкание контура (обратной связи) позволило семейству Embraer E-Jet второго поколения добиться повышения эффективности на 1,5% в 2016 году.

Электроснабжение по проводу

После устранения механических цепей управления в системах управления полетом с электродистанционным управлением (fly by wire), следующим шагом является устранение громоздких и тяжелых гидравлических систем. Гидравлическая система заменяется электрической силовой системой. Эта силовая система питает электрические или автономные электрогидравлические исполнительные механизмы, управляемые цифровыми компьютерами управления полетом. Все преимущества цифрового электродистанционного управления сохраняются, поскольку силовые компоненты строго дополняют компоненты управления с помощью проводов. Основные преимущества – снижение веса, возможность резервирования силовых цепей и более тесная интеграция между системами управления полетом самолета и его авионикой. Отсутствие гидравлики значительно снижает затраты 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 оснащены электрическими резервными системами управления полетом, которые остаются работоспособными даже при полной потере гидравлической мощности.

Беспроводная передача

Проводка значительно увеличивает вес самолета; поэтому исследователи изучают возможность внедрения беспроводных систем управления. Беспроводные системы управления очень похожи на проводные системы, однако вместо проводного протокола на физическом уровне используется беспроводной протокол. Помимо снижения веса, внедрение беспроводного решения может снизить затраты на протяжении всего жизненного цикла самолета. Например, будет устранено множество ключевых точек отказа, связанных с проводами и разъемами, что сократит время, затрачиваемое на поиск и устранение неисправностей в проводке и разъемах. Кроме того, инженерные затраты потенциально могут снизиться, поскольку потребуется меньше времени на проектирование проводки, а внесение изменений в конструкцию самолета на поздних этапах станет проще.

Интеллектуальная система управления полетом

Новая система управления полетом, называемая интеллектуальной системой управления полетом (IFCS), является развитием современных цифровых систем электродистанционного управления (ЭДСУ). Её цель – интеллектуальная компенсация повреждений и отказов самолета в полете, например, автоматическое использование тяги двигателя и других систем авионики для компенсации серьезных неисправностей, таких как потеря гидравлической системы, руля направления, элеронов, двигателя и т.п. Ряд демонстраций был проведен на авиасимуляторе, где пилот, обученный на небольшом самолете Cessna, успешно посадил сильно поврежденный полноразмерный экспериментальный реактивный самолет, не имея предварительного опыта управления крупными реактивными лайнерами. Разработка возглавляется Центром летных исследований Драйдена NASA. Сообщается, что улучшения в основном заключаются в обновлениях программного обеспечения существующих полностью компьютеризированных цифровых систем ЭДСУ. Бизнес-джеты Dassault Falcon 7X и Embraer Legacy 500 оснащены бортовыми компьютерами, способными частично компенсировать ситуации отказа двигателя путем регулировки тяги и управляющих воздействий, однако они все равно требуют от пилотов принятия соответствующих мер.