Fly-by-wire

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Sistema electrónico de control de vuelo
La familia Airbus A320 fue la primera aerolínea en contar con una cabina de vidrio completa y un sistema digital de control de vuelo a cable. Los únicos instrumentos analógicos fueron el indicador magnético de radio, el indicador de presión de freno, el altímetro de reserva y el horizonte artificial, los dos últimos siendo reemplazados por un sistema de instrumentos integrados digitales en modelos de producción posteriores.

Fly-by-wire (FBW) es un sistema que reemplaza los controles de vuelo manuales convencionales de una aeronave por una interfaz electrónica. Los movimientos de los controles de vuelo se convierten en señales electrónicas transmitidas por cables, y las computadoras de control de vuelo determinan cómo mover los actuadores en cada superficie de control para proporcionar la respuesta ordenada. Puede usar sistemas mecánicos de respaldo de control de vuelo (como el Boeing 777) o usar controles de vuelo por cable.

Los sistemas totalmente mejorados fly-by-wire interpretan las entradas de control del piloto como un resultado deseado y calculan las posiciones de la superficie de control requeridas para lograr ese resultado; esto da como resultado varias combinaciones de controles de timón, elevador, alerón, flaps y motor en diferentes situaciones utilizando un circuito de retroalimentación cerrado. Es posible que el piloto no sea plenamente consciente de todas las salidas de control que actúan para efectuar el resultado, solo que la aeronave está reaccionando como se esperaba. Las computadoras fly-by-wire actúan para estabilizar la aeronave y ajustar las características de vuelo sin la participación del piloto, y para evitar que el piloto opere fuera del entorno de desempeño seguro de la aeronave.

Fundamento

Los sistemas de control de vuelo mecánicos e hidromecánicos son relativamente pesados y requieren un tendido cuidadoso de los cables de control de vuelo a través de la aeronave mediante sistemas de poleas, manivelas, cables de tensión y tuberías hidráulicas. Ambos sistemas a menudo requieren una copia de seguridad redundante para hacer frente a las fallas, lo que aumenta el peso. Ambos tienen una capacidad limitada para compensar las condiciones aerodinámicas cambiantes. Las características peligrosas como la entrada en pérdida, el giro y la oscilación inducida por el piloto (PIO), que dependen principalmente de la estabilidad y la estructura de la aeronave en cuestión más que del propio sistema de control, dependen de las acciones del piloto.

El término "fly-by-wire" implica un sistema de control con señales puramente eléctricas. Se utiliza en el sentido general de controles configurados por computadora, donde un sistema de computadora se interpone entre el operador y los actuadores o superficies de control final. Esto modifica las entradas manuales del piloto de acuerdo con los parámetros de control.

Se pueden usar palancas laterales o yugos de control de vuelo convencionales para volar aeronaves FBW.

Ahorro de peso

Un avión FBW puede ser más liviano que un diseño similar con controles convencionales. Esto se debe en parte al menor peso total de los componentes del sistema y en parte a que la estabilidad natural de la aeronave se puede relajar, un poco para una aeronave de transporte y más para un caza maniobrable, lo que significa que las superficies de estabilidad que forman parte de la por lo tanto, la estructura del avión se puede hacer más pequeña. Estos incluyen los estabilizadores verticales y horizontales (aleta y plano de cola) que están (normalmente) en la parte trasera del fuselaje. Si se puede reducir el tamaño de estas estructuras, se reduce el peso del fuselaje. Las ventajas de los controles FBW fueron explotadas primero por el ejército y luego en el mercado de las aerolíneas comerciales. La serie de aviones de pasajeros de Airbus usó controles FBW de autoridad total comenzando con su serie A320, consulte el control de vuelo A320 (aunque existían algunas funciones FBW limitadas en A310). Boeing siguió con su 777 y diseños posteriores.

Funcionamiento básico

Control de retroalimentación de circuito cerrado

bucle de retroalimentación simple

Un piloto ordena a la computadora de control de vuelo que haga que la aeronave realice una determinada acción, como inclinar la aeronave hacia arriba o girar hacia un lado, moviendo la columna de control o la palanca lateral. Luego, la computadora de control de vuelo calcula qué movimientos de la superficie de control harán que el avión realice esa acción y emite esos comandos a los controladores electrónicos para cada superficie. Los controladores en cada superficie reciben estos comandos y luego mueven los actuadores conectados a la superficie de control hasta que se ha movido a donde la computadora de control de vuelo lo ordenó. Los controladores miden la posición de la superficie de control de vuelo con sensores como LVDT.

Sistemas automáticos de estabilidad

Los sistemas de control fly-by-wire permiten que las computadoras de las aeronaves realicen tareas sin intervención del piloto. Los sistemas automáticos de estabilidad funcionan de esta manera. Los giroscopios y sensores como los acelerómetros se montan en un avión para detectar la rotación en los ejes de cabeceo, balanceo y guiñada. Cualquier movimiento (desde un vuelo recto y nivelado, por ejemplo) da como resultado señales a la computadora, que puede mover automáticamente los actuadores de control para estabilizar la aeronave.

Seguridad y redundancia

Si bien los sistemas tradicionales de control mecánico o hidráulico suelen fallar gradualmente, la pérdida de todas las computadoras de control de vuelo hace que la aeronave quede incontrolable de inmediato. Por esta razón, la mayoría de los sistemas fly-by-wire incorporan computadoras redundantes (tríplex, cuádruplex, etc.), algún tipo de respaldo mecánico o hidráulico o una combinación de ambos. Un "mixto" El sistema de control con retroalimentación de respaldo mecánico envía cualquier elevación del timón directamente al piloto y, por lo tanto, hace que los sistemas de circuito cerrado (retroalimentación) no tengan sentido.

Los sistemas de aeronaves se pueden cuadruplexar (cuatro canales independientes) para evitar la pérdida de señales en caso de falla de uno o incluso dos canales. Las aeronaves de alto rendimiento que tienen controles fly-by-wire (también llamados CCV o vehículos configurados con control) pueden diseñarse deliberadamente para tener una estabilidad baja o incluso negativa en algunos regímenes de vuelo: los controles CCV de reacción rápida pueden estabilizar electrónicamente la falta de estabilidad natural.

Las comprobaciones de seguridad previas al vuelo de un sistema fly-by-wire suelen realizarse con equipos de prueba integrados (BITE). Se pueden realizar automáticamente una serie de pasos de movimiento de control, lo que reduce la carga de trabajo del piloto o del personal de tierra y acelera las comprobaciones de vuelo.

Algunos aviones, el Panavia Tornado, por ejemplo, conservan un sistema de respaldo hidromecánico muy básico para una capacidad de control de vuelo limitada en caso de pérdida de energía eléctrica; en el caso del Tornado esto permite un control rudimentario de los estabilizadores solo para los movimientos de los ejes de cabeceo y balanceo.

Historia

Avro Canada CF-105 Arrow, primer avión no experimental volado con un sistema de control de vuelo por cable
F-8C Crusader digital fly-by-wire testbed

Las superficies de control servoeléctricas se probaron por primera vez en la década de 1930 en el Tupolev ANT-20 soviético. Los tramos largos de conexiones mecánicas e hidráulicas fueron reemplazados por cables y servos eléctricos.

En 1934, Karl Otto Altvater [de] presentó una patente sobre el sistema electrónico automático, que encendió la aeronave, cuando estaba cerca del suelo.

En 1941, un ingeniero de Siemens, Karl Otto Altvater, desarrolló y probó el primer sistema fly-by-wire para el Heinkel He 111, en el que la aeronave estaba totalmente controlada por impulsos electrónicos.

El primer avión no experimental que se diseñó y voló (en 1958) con un sistema de control de vuelo fly-by-wire fue el Avro Canada CF-105 Arrow, una hazaña que no se repitió con un avión de producción (aunque el Arrow fue cancelado con cinco construidos) hasta el Concorde en 1969, que se convirtió en el primer avión comercial fly-by-wire. Este sistema también incluía componentes de estado sólido y redundancia del sistema, fue diseñado para integrarse con una navegación computarizada y un radar automático de búsqueda y seguimiento, se podía volar desde el control terrestre con enlace ascendente y descendente de datos, y proporcionaba una sensación artificial (retroalimentación) al piloto.

El primer avión fly-by-wire electrónico puro sin respaldo mecánico o hidráulico fue el Apollo Lunar Landing Training Vehicle (LLTV), que voló por primera vez en 1968. Fue precedido en 1964 por el Lunar Landing Research Vehicle (LLRV) que fue pionero en el vuelo fly-by-wire sin respaldo mecánico. El control era a través de una computadora digital con tres canales analógicos redundantes. En la URSS también voló el Sukhoi T-4. Aproximadamente al mismo tiempo, en el Reino Unido, se modificó una variante de entrenamiento del caza británico Hawker Hunter en el British Royal Aircraft Establishment con controles de vuelo fly-by-wire para el piloto del asiento derecho.

En el Reino Unido, el Avro 707C de dos plazas voló con un sistema Fairey con respaldo mecánico a principios y mediados de los años 60. El programa se redujo cuando la estructura del avión se quedó sin tiempo de vuelo.

En 1972, el primer avión de ala fija fly-by-wire digital sin respaldo mecánico para despegar fue un F-8 Crusader, que había sido modificado electrónicamente por la NASA de los Estados Unidos como avión de prueba; el F-8 usó el hardware de guía, navegación y control de Apollo.

El Airbus A320 entró en servicio en 1988 como el primer avión de pasajeros con controles digitales fly-by-wire.

Sistemas analógicos

Todos los "vuelo por cable" Los sistemas de control de vuelo eliminan la complejidad, la fragilidad y el peso del circuito mecánico de los sistemas de control de vuelo hidromecánicos o electromecánicos, siendo reemplazados cada uno por circuitos electrónicos. Los mecanismos de control en la cabina ahora operan transductores de señales, que a su vez generan los comandos electrónicos apropiados. A continuación, estos son procesados por un controlador electrónico, ya sea analógico o (más moderno) digital. Los pilotos automáticos de aeronaves y naves espaciales ahora son parte del controlador electrónico.

Los circuitos hidráulicos son similares excepto que las servoválvulas mecánicas se reemplazan por servoválvulas controladas eléctricamente, operadas por el controlador electrónico. Esta es la configuración más simple y temprana de un sistema de control de vuelo fly-by-wire analógico. En esta configuración, los sistemas de control de vuelo deben simular 'sentir'. El controlador electrónico controla los dispositivos de sensación eléctrica que proporcionan la "sensación" adecuada. fuerzas en los controles manuales. Esto se usó en Concorde, el primer avión comercial fly-by-wire de producción.

Sistemas digitales

The NASA F-8 Crusader with its fly-by-wire system in green and Apollo guidance computer

Un sistema de control de vuelo fly-by-wire digital puede ampliarse a partir de su homólogo analógico. El procesamiento de señales digitales puede recibir e interpretar entradas de múltiples sensores simultáneamente (como los altímetros y los tubos de Pitot) y ajustar los controles en tiempo real. Las computadoras detectan la posición y las entradas de fuerza de los controles del piloto y los sensores de la aeronave. Luego resuelven ecuaciones diferenciales relacionadas con las ecuaciones de movimiento de la aeronave para determinar las señales de comando apropiadas para que los controles de vuelo ejecuten las intenciones del piloto.

La programación de las computadoras digitales permite la protección de la envolvente de vuelo. Estas protecciones se adaptan a las características de manejo de una aeronave para mantenerse dentro de las limitaciones aerodinámicas y estructurales de la aeronave. Por ejemplo, la computadora en el modo de protección de la envolvente de vuelo puede tratar de evitar que la aeronave sea manejada peligrosamente evitando que los pilotos excedan los límites preestablecidos en la envolvente de control de vuelo de la aeronave, como aquellos que evitan entradas en pérdida y giros, y que limitar las velocidades aerodinámicas y las fuerzas g en el avión. También se puede incluir software que estabilice las entradas de control de vuelo para evitar oscilaciones inducidas por el piloto.

Dado que las computadoras de control de vuelo retroalimentan continuamente el entorno, se puede reducir la carga de trabajo del piloto. Esto también permite que los aviones militares tengan una estabilidad relajada. El principal beneficio de este tipo de aviones es una mayor maniobrabilidad durante los vuelos de combate y de entrenamiento, y el llamado "manejo sin preocupaciones" porque las computadoras evitan automáticamente el estancamiento, el giro y otras actuaciones indeseables. Los sistemas de control de vuelo digital permiten que los aviones de combate inherentemente inestables, como el Lockheed F-117 Nighthawk y el ala volante Northrop Grumman B-2 Spirit, vuelen de manera utilizable y segura.

Legislación

La Administración Federal de Aviación (FAA) de los Estados Unidos ha adoptado el RTCA/DO-178C, titulado "Consideraciones de software en la certificación de sistemas y equipos aerotransportados", como el estándar de certificación para software de aviación. Cualquier componente crítico para la seguridad en un sistema fly-by-wire digital, incluidas las aplicaciones de las leyes de la aeronáutica y los sistemas operativos informáticos, deberá estar certificado según DO-178C Nivel A o B, según la clase de aeronave, que se aplica para prevenir posibles fallas catastróficas.

Sin embargo, la principal preocupación para los sistemas fly-by-wire digitales computarizados es la confiabilidad, incluso más que para los sistemas de control electrónico analógico. Esto se debe a que las computadoras digitales que ejecutan el software suelen ser la única ruta de control entre el piloto y las superficies de control de vuelo de la aeronave. Si el software de la computadora falla por algún motivo, es posible que el piloto no pueda controlar una aeronave. Por lo tanto, virtualmente todos los sistemas de control de vuelo fly-by-wire son triple o cuádruplemente redundantes en sus computadoras y electrónica. Estos tienen tres o cuatro computadoras de control de vuelo que funcionan en paralelo y tres o cuatro buses de datos separados que los conectan con cada superficie de control.

Redundancia

Las múltiples computadoras de control de vuelo redundantes monitorean continuamente la salida de cada una. Si una computadora comienza a dar resultados aberrantes por cualquier motivo, lo que podría incluir fallas de software o hardware o datos de entrada defectuosos, entonces el sistema combinado está diseñado para excluir los resultados de esa computadora al decidir las acciones apropiadas para los controles de vuelo. Dependiendo de los detalles específicos del sistema, puede existir la posibilidad de reiniciar una computadora de control de vuelo aberrante, o de reincorporar sus entradas si vuelven a estar de acuerdo. Existe una lógica compleja para lidiar con fallas múltiples, lo que puede hacer que el sistema vuelva a modos de respaldo más simples.

Además, la mayoría de los primeros aviones fly-by-wire digitales también tenían un sistema de control de vuelo de respaldo eléctrico, mecánico o hidráulico analógico. El transbordador espacial tenía, además de su conjunto redundante de cuatro computadoras digitales que ejecutaban su software de control de vuelo principal, una quinta computadora de respaldo que ejecutaba un sistema de control de vuelo de software de función reducida desarrollado por separado, uno al que se le podía ordenar que hacerse cargo en caso de que una falla afectara alguna vez a todas las computadoras en los otros cuatro. Este sistema de respaldo sirvió para reducir el riesgo de que ocurriera una falla total del sistema de control de vuelo debido a una falla de software de vuelo de uso general que había pasado desapercibida en las otras cuatro computadoras.

Eficiencia de vuelo

Para los aviones comerciales, la redundancia del control de vuelo mejora su seguridad, pero los sistemas de control fly-by-wire, que son físicamente más livianos y requieren menos mantenimiento que los controles convencionales, también mejoran la economía, tanto en términos de costo de propiedad como de economía de vuelo. En ciertos diseños con estabilidad relajada limitada en el eje de cabeceo, por ejemplo, el Boeing 777, el sistema de control de vuelo puede permitir que la aeronave vuele en un ángulo de ataque aerodinámicamente más eficiente que un diseño estable convencional. Los aviones de pasajeros modernos también cuentan comúnmente con sistemas computarizados de control de motor digital de autoridad total (FADEC) que controlan sus motores a reacción, entradas de aire, almacenamiento de combustible y sistema de distribución, de manera similar a la forma en que FBW controla las superficies de control de vuelo. Esto permite variar continuamente la salida del motor para lograr el uso más eficiente posible.

La familia Embraer E-Jet de segunda generación obtuvo una mejora de eficiencia del 1,5 % con respecto a la primera generación del sistema fly-by-wire, lo que permitió una reducción de 280 ft.² a 250 ft.² para el estabilizador horizontal en el Variantes E190/195.

Airbus/Boeing

Airbus y Boeing difieren en sus enfoques para implementar sistemas fly-by-wire en aviones comerciales. Desde el Airbus A320, los sistemas de control de envolvente de vuelo de Airbus siempre retienen el máximo control de vuelo cuando vuelan bajo la ley normal y no permitirán que los pilotos violen los límites de rendimiento de la aeronave a menos que opten por volar bajo la ley alternativa. Esta estrategia se ha continuado en aviones Airbus posteriores. Sin embargo, en el caso de fallas múltiples de computadoras redundantes, el A320 tiene un sistema de respaldo mecánico para su compensación de cabeceo y su timón, el Airbus A340 tiene un sistema de control de timón de respaldo puramente eléctrico (no electrónico) y comenzando con En el A380, todos los sistemas de control de vuelo tienen sistemas de respaldo que son puramente eléctricos mediante el uso de un "Módulo de control de respaldo de tres ejes" (BCM).

Los aviones de pasajeros de Boeing, como el Boeing 777, permiten a los pilotos anular por completo el sistema de control de vuelo computarizado, lo que permite que la aeronave vuele fuera de su entorno de control de vuelo habitual.

Aplicaciones

Airbus juzgó volar por cable en un F-BUAD de registro A300 como se muestra en 1986, luego produjo el A320.

Control digital del motor

La llegada de los motores FADEC (Full Authority Digital Engine Control) permite la operación de los sistemas de control de vuelo y los aceleradores automáticos para que los motores estén completamente integrados. En los aviones militares modernos, otros sistemas como la estabilización automática, la navegación, el radar y el sistema de armas están integrados con los sistemas de control de vuelo. FADEC permite extraer el máximo rendimiento de la aeronave sin temor a un mal funcionamiento del motor, daños a la aeronave o grandes cargas de trabajo del piloto.

En el ámbito civil, la integración aumenta la seguridad y economía de los vuelos. Las aeronaves fly-by-wire de Airbus están protegidas de situaciones peligrosas, como la entrada en pérdida a baja velocidad o el sobreesfuerzo, gracias a la protección de la envolvente de vuelo. Como resultado, en tales condiciones, los sistemas de control de vuelo ordenan a los motores que aumenten el empuje sin la intervención del piloto. En los modos de crucero económicos, los sistemas de control de vuelo ajustan las selecciones de los aceleradores y del tanque de combustible con precisión. FADEC reduce la resistencia del timón necesaria para compensar el vuelo lateral debido al empuje desequilibrado del motor. En la familia A330/A340, el combustible se transfiere entre los tanques principales (ala y centro del fuselaje) y un tanque de combustible en el estabilizador horizontal, para optimizar el centro de gravedad de la aeronave durante el vuelo de crucero. Los controles de administración de combustible mantienen el centro de gravedad de la aeronave equilibrado con precisión con el peso del combustible, en lugar de ajustes aerodinámicos que inducen resistencia en los elevadores.

Otros desarrollos

Fly-by-optics

Kawasaki P-1

A veces se usa fly-by-optics en lugar de fly-by-wire porque ofrece una velocidad de transferencia de datos más alta, inmunidad a las interferencias electromagnéticas y un peso más ligero. En la mayoría de los casos, los cables simplemente se cambian de cables eléctricos a cables de fibra óptica. A veces se le conoce como "volar por la luz" debido a su uso de fibra óptica. Los datos generados por el software e interpretados por el controlador siguen siendo los mismos. Fly-by-light tiene el efecto de disminuir las perturbaciones electromagnéticas de los sensores en comparación con los sistemas de control fly-by-wire más comunes. El Kawasaki P-1 es el primer avión de producción en el mundo equipado con un sistema de control de vuelo de este tipo.

Alimentación por cable

Habiendo eliminado los circuitos de transmisión mecánica en los sistemas de control de vuelo fly-by-wire, el siguiente paso es eliminar los voluminosos y pesados circuitos hidráulicos. El circuito hidráulico se sustituye por un circuito de potencia eléctrica. Los circuitos de potencia alimentan actuadores eléctricos o electrohidráulicos autónomos que están controlados por las computadoras de control de vuelo digital. Todos los beneficios de fly-by-wire digital se conservan ya que los componentes de alimentación por cable son estrictamente complementarios a los componentes de fly-by-wire.

Los mayores beneficios son el ahorro de peso, la posibilidad de circuitos de alimentación redundantes y una integración más estrecha entre los sistemas de control de vuelo de la aeronave y sus sistemas de aviónica. La ausencia de hidráulica reduce en gran medida los costes de mantenimiento. Este sistema se utiliza en el Lockheed Martin F-35 Lightning II y en los controles de vuelo de respaldo del Airbus A380. El Boeing 787 y el Airbus A350 también incorporan controles de vuelo de respaldo alimentados eléctricamente que permanecen operativos incluso en el caso de una pérdida total de energía hidráulica.

Vuelo inalámbrico

El cableado agrega una cantidad considerable de peso a un avión; por lo tanto, los investigadores están explorando la implementación de soluciones fly-by-wireless. Los sistemas fly-by-wireless son muy similares a los sistemas fly-by-wire, sin embargo, en lugar de utilizar un protocolo cableado para la capa física, se emplea un protocolo inalámbrico.

Además de reducir el peso, la implementación de una solución inalámbrica tiene el potencial de reducir los costos a lo largo del ciclo de vida de una aeronave. Por ejemplo, se eliminarán muchos puntos de falla clave asociados con cables y conectores, por lo que se reducirán las horas dedicadas a solucionar problemas de cables y conectores. Además, los costos de ingeniería podrían disminuir potencialmente porque se gastaría menos tiempo en diseñar instalaciones de cableado, los cambios tardíos en el diseño de una aeronave serían más fáciles de administrar, etc.

Sistema de control de vuelo inteligente

Un sistema de control de vuelo más nuevo, llamado sistema de control de vuelo inteligente (IFCS), es una extensión de los modernos sistemas digitales de control de vuelo fly-by-wire. El objetivo es compensar de manera inteligente los daños y fallas de la aeronave durante el vuelo, como el uso automático del empuje del motor y otra aviónica para compensar fallas graves como la pérdida del sistema hidráulico, la pérdida del timón, la pérdida de alerones, la pérdida de un motor, etc. Varios Se realizaron demostraciones en un simulador de vuelo en el que un piloto de avión pequeño entrenado en Cessna aterrizó con éxito un concepto de avión a reacción de tamaño completo muy dañado, sin experiencia previa con aviones a reacción de fuselaje grande. Este desarrollo está siendo encabezado por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA. Se informa que las mejoras son en su mayoría actualizaciones de software a los sistemas de control de vuelo fly-by-wire digitales totalmente computarizados existentes. Los aviones de negocios Dassault Falcon 7X y Embraer Legacy 500 tienen computadoras de vuelo que pueden compensar parcialmente los escenarios de pérdida de motor ajustando los niveles de empuje y las entradas de control, pero aún requieren que los pilotos respondan adecuadamente.

Nota

  1. ^ El Tay-Viscount fue el primer aerolineador con mandos eléctricos