Fly-by-wire ( FBW ) es un sistema que sustituye 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. Las implementaciones utilizan sistemas de respaldo de control de vuelo mecánicos (como el Boeing 777 ) o son completamente electrónicas. [1]
Los sistemas mejorados de vuelo por cable interpretan las entradas de control del piloto como un resultado deseado y calculan las posiciones de la superficie de control necesarias para lograr ese resultado; esto da como resultado varias combinaciones de timón , profundidad , alerones , flaps y controles del motor en diferentes situaciones utilizando un circuito cerrado de retroalimentación . Es posible que el piloto no sea plenamente consciente de todas las salidas de control que actúan para afectar el resultado, sólo de que la aeronave está reaccionando como se esperaba. Las computadoras de vuelo por cable 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 . [2] [3]
Los sistemas de control de vuelo mecánicos e hidromecánicos son relativamente pesados y requieren un encaminamiento cuidadoso de los cables de control de vuelo a través de la aeronave mediante sistemas de poleas, manivelas, cables tensores y tuberías hidráulicas. Ambos sistemas suelen requerir respaldo redundante para hacer frente a fallas, lo que aumenta el peso. Ambos tienen una capacidad limitada para compensar las condiciones aerodinámicas cambiantes . Características peligrosas como pérdida , giro y oscilación inducida por el piloto (PIO), que dependen principalmente de la estabilidad y estructura de la aeronave en cuestión más que del sistema de control en sí, dependen de las acciones del piloto. [4]
El término "fly-by-wire" implica un sistema de control con señalización puramente eléctrica. Se utiliza en el sentido general de controles configurados por computadora, donde se interpone un sistema informático 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. [2]
Se pueden utilizar palancas laterales o yugos de control de vuelo convencionales para volar aviones FBW. [5]
Un avión FBW puede ser más ligero 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 del avión se puede relajar (ligeramente en un avión de transporte; más en un caza maniobrable), lo que significa que las superficies de estabilidad que forman parte del Por lo tanto, la estructura del avión se puede hacer más pequeña. Estos incluyen los estabilizadores verticales y horizontales (aletas y plano de cola ) que se encuentran (normalmente) en la parte trasera del fuselaje . Si estas estructuras pueden reducirse en tamaño, se reduce el peso del fuselaje. Las ventajas de los controles FBW fueron aprovechadas primero por el ejército y luego en el mercado de las aerolíneas comerciales. La serie de aviones Airbus utilizó controles FBW de autoridad total a partir de su serie A320, consulte control de vuelo A320 (aunque existían algunas funciones FBW limitadas en el A310). [6] Boeing siguió con sus diseños 777 y posteriores. [ cita necesaria ]
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. [1] Los controladores en cada superficie reciben estos comandos y luego mueven los actuadores conectados a la superficie de control hasta que se haya movido a donde la computadora de control de vuelo le ordenó. Los controladores miden la posición de la superficie de control de vuelo con sensores como los LVDT . [7]
Los sistemas de control de vuelo por cable permiten que las computadoras de la aeronave realicen tareas sin intervención del piloto. Los sistemas automáticos de estabilidad funcionan de esta manera. Giroscopios y sensores como acelerómetros están montados 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) genera señales a la computadora, que puede mover automáticamente los actuadores de control para estabilizar la aeronave. [3]
Mientras que los sistemas de control mecánicos o hidráulicos tradicionales suelen fallar gradualmente, la pérdida de todas las computadoras de control de vuelo inmediatamente hace que la aeronave se vuelva incontrolable. 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 sistema de control "mixto" con respaldo mecánico retroalimenta cualquier elevación del timón directamente al piloto y, por lo tanto, hace que los sistemas de circuito cerrado (retroalimentación) no tengan sentido. [1]
Los sistemas de las aeronaves pueden ser cuadruplex (cuatro canales independientes) para evitar la pérdida de señales en caso de fallo de uno o incluso dos canales. Los aviones de alto rendimiento que tienen controles de vuelo por cable (también llamados CCV o vehículos configurados por 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. . [3]
Las comprobaciones de seguridad previas al vuelo de un sistema fly-by-wire a menudo se realizan utilizando equipos de prueba incorporados (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. [ cita necesaria ]
Algunos aviones, como el Panavia Tornado, por ejemplo, conservan un sistema de respaldo hidromecánico muy básico para una capacidad limitada de control de vuelo en caso de pérdida de energía eléctrica; en el caso del Tornado esto permite un control rudimentario de los estabilizadores sólo para los movimientos de los ejes de cabeceo y balanceo. [8]
Las superficies de control operadas servoeléctricamente se probaron por primera vez en la década de 1930 en el Tupolev ANT-20 soviético . [9] Largos tramos de conexiones mecánicas e hidráulicas fueron reemplazados por cables y servos eléctricos.
En 1934, Karl Otto Altvater presentó una patente sobre el sistema electrónico automático que encendía el avión cuando estaba cerca del suelo. [10]
En 1941, un ingeniero de Siemens , Karl Otto Altvater, desarrolló y probó el primer sistema de vuelo por cable para el Heinkel He 111 , en el que el avión estaba totalmente controlado por impulsos electrónicos. [11] [ ¿ fuente poco confiable? ]
El primer avión no experimental que fue diseñado y volado (en 1958) con un sistema de control de vuelo fly-by-wire fue el Avro Canada CF-105 Arrow , [12] [13] 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 de pasajeros con vuelo por cable. Este sistema también incluía componentes de estado sólido y redundancia del sistema, fue diseñado para integrarse con una navegación computarizada y un radar de seguimiento y búsqueda automática, se podía volar desde el control terrestre con enlace ascendente y descendente de datos y proporcionaba una sensación artificial (retroalimentación) al piloto. [13]
El primer banco de pruebas electrónico de vuelo por cable operado por la Fuerza Aérea de EE. UU. fue un Boeing B-47E Stratojet (Ser. No. 53-2280) [14]
El primer avión de vuelo electrónico puro sin respaldo mecánico o hidráulico fue el Vehículo de entrenamiento de aterrizaje lunar Apollo (LLTV), que voló por primera vez en 1968. [15] Este fue precedido en 1964 por el Vehículo de investigación de aterrizaje lunar (LLRV), que Fue pionero en el vuelo fly-by-wire sin respaldo mecánico. [16] El control se realizaba a través de una computadora digital con tres canales analógicos redundantes. En la URSS también voló el Sukhoi T-4 . Casi 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 [17] para el piloto del asiento derecho.
En el Reino Unido, el Avro 707 C biplaza voló con un sistema Fairey con respaldo mecánico [18] entre principios y mediados de los años 60. El programa se vio interrumpido cuando la estructura del avión se quedó sin tiempo de vuelo. [17]
En 1972, el primer avión digital de ala fija fly-by-wire sin respaldo mecánico [19] que despegó fue un F-8 Crusader , que había sido modificado electrónicamente por la NASA de Estados Unidos como avión de prueba ; el F-8 utilizó el hardware de guía, navegación y control Apollo . [20]
El Airbus A320 entró en servicio en 1988 como el primer avión de pasajeros con controles digitales de vuelo por cable. [21]
Boeing eligió controles de vuelo fly-by-wire para el 777 en 1994, apartándose de los sistemas tradicionales de cables y poleas. Además de supervisar el control de vuelo de la aeronave, el FBW ofrecía " protección envolvente ", que garantizaba que el sistema intervendría para evitar un mal manejo accidental, pérdidas o tensiones estructurales excesivas en la aeronave. 777 utilizó autobuses ARINC 629 para conectar computadoras de vuelo primarias (PFC) con unidades electrónicas de control de actuadores (ACE). Cada PFC albergaba tres microprocesadores de 32 bits, incluido un Motorola 68040 , un Intel 80486 y un AMD 29050 , todos programados en el lenguaje de programación Ada . [22]
Todos los sistemas de control de vuelo "fly-by-wire" eliminan la complejidad, la fragilidad y el peso del circuito mecánico de los sistemas de control de vuelo hidromecánicos o electromecánicos, siendo cada uno reemplazado 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 se procesan mediante un controlador electrónico, ya sea analógico o (más moderno) digital . Los pilotos automáticos de aviones y naves espaciales ahora forman parte del controlador electrónico. [ cita necesaria ]
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 antigua de un sistema de control de vuelo analógico fly-by-wire. En esta configuración, los sistemas de control de vuelo deben simular "sensación". El controlador electrónico controla dispositivos de sensación eléctrica que proporcionan las fuerzas de "sensación" apropiadas en los controles manuales. Esto se utilizó en el Concorde , el primer avión de línea fly-by-wire de producción. [a]
Un sistema de control de vuelo digital fly-by-wire se puede ampliar 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 fuerzan las entradas 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. [24]
La programación de los ordenadores 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 intentar 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 pérdidas y giros, y que limitan las velocidades y g. fuerzas sobre el avión. También se puede incluir software que estabilice las entradas de control de vuelo para evitar oscilaciones inducidas por el piloto . [25]
Dado que las computadoras de control de vuelo retroalimentan continuamente el entorno, se pueden reducir las cargas de trabajo del piloto. [25] Esto también permite que los aviones militares tengan una estabilidad relajada . La principal ventaja de este tipo de aviones es una mayor maniobrabilidad durante los vuelos de combate y entrenamiento, y el llamado "manejo sin preocupaciones", ya que los ordenadores evitan automáticamente las pérdidas, los giros y otras actuaciones indeseables. Los sistemas de control de vuelo digitales (DFCS) permiten que 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. [24]
La Administración Federal de Aviación (FAA) de Estados Unidos ha adoptado la RTCA / DO-178C , titulada "Consideraciones de software en la certificación de sistemas y equipos aerotransportados", como estándar de certificación para software de aviación. Cualquier componente crítico para la seguridad en un sistema digital de vuelo por cable, 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 es aplicable para evitando posibles fallos catastróficos. [26]
Sin embargo, la principal preocupación de los sistemas computarizados, digitales y de control electrónico es la confiabilidad, incluso más que la de los sistemas de control electrónico analógicos. Esto se debe a que las computadoras digitales que ejecutan el software suelen ser la única vía 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, prácticamente todos los sistemas de control de vuelo fly-by-wire son triple o cuádruple 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. [ cita necesaria ]
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, incluyendo potencialmente 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 abordar múltiples fallas, que pueden hacer que el sistema vuelva a modos de respaldo más simples. [24] [25]
Además, la mayoría de los primeros aviones digitales de vuelo por cable también tenían un sistema de control de vuelo de respaldo analógico eléctrico, mecánico o hidráulico. 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 funciones reducidas desarrollado por separado, uno al que se le podía ordenar que asumirá el control en caso de que un fallo afectara a todos los ordenadores de los otros cuatro. Este sistema de respaldo sirvió para reducir el riesgo de que alguna vez ocurriera una falla total del sistema de control de vuelo debido a una falla del software de vuelo de propósito general que había pasado desapercibida en las otras cuatro computadoras. [1] [24]
Para los aviones de línea, la redundancia del control de vuelo mejora su seguridad, pero los sistemas de control de vuelo por cable, que son físicamente más livianos y tienen menores demandas de mantenimiento que los controles convencionales, también mejoran la economía, tanto en términos de costo de propiedad como de economía en 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 convencionalmente estable. Los aviones de pasajeros modernos también suelen contar con sistemas computarizados de control digital de motor de autoridad total ( FADEC ) que controlan sus motores a reacción , las entradas de aire, el sistema de almacenamiento y distribución de combustible, de manera similar a la forma en que FBW controla las superficies de control de vuelo. Esto permite variar continuamente la potencia del motor para lograr el uso más eficiente posible. [27]
La familia Embraer E-Jet de segunda generación obtuvo una mejora de eficiencia del 1,5% con respecto a la primera generación gracias al sistema fly-by-wire, que permitió una reducción de 280 pies² a 250 pies² para el estabilizador horizontal en el E190/195. variantes. [28]
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 conservan el control de vuelo máximo cuando vuelan bajo la ley normal y no permitirán a los pilotos violar los límites de desempeño de la aeronave a menos que opten por volar bajo una ley alternativa. [29] Esta estrategia ha continuado en posteriores aviones Airbus. [30] [31] Sin embargo, en caso de fallas múltiples de las computadoras redundantes, el A320 tiene un sistema de respaldo mecánico para su ajuste de cabeceo y su timón, el Airbus A340 tiene un respaldo puramente eléctrico (no electrónico). sistema de control de timón y, comenzando con 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). [32]
Los aviones de pasajeros Boeing, como el Boeing 777 , permiten a los pilotos anular completamente el sistema de control de vuelo computarizado, lo que permite que el avión vuele fuera de su envolvente de control de vuelo habitual.
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La llegada de los motores FADEC (Full Authority Digital Engine Control) permite que el funcionamiento de los sistemas de control de vuelo y los aceleradores automáticos de los motores estén completamente integrados. En los aviones militares modernos, otros sistemas como la autoestabilización, 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 altas cargas de trabajo del piloto. [ cita necesaria ]
En el ámbito civil, la integración aumenta la seguridad y la economía de los vuelos. Los aviones Airbus fly-by-wire están protegidos de situaciones peligrosas como pérdida a baja velocidad o sobrecargas 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 intervención del piloto. En los modos de crucero económicos, los sistemas de control de vuelo ajustan con precisión los aceleradores y las selecciones del tanque de combustible. 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 fuselaje central) y un tanque de combustible en el estabilizador horizontal, para optimizar el centro de gravedad del avión durante el vuelo de crucero. Los controles de gestión de combustible mantienen el centro de gravedad de la aeronave ajustado con precisión al peso del combustible, en lugar de ajustes aerodinámicos que inducen resistencia en los elevadores. [ cita necesaria ]
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A veces se utiliza la tecnología fly-by-optic en lugar de fly-by-wire porque ofrece una mayor velocidad de transferencia de datos, 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 "vuelo por luz" debido al uso de fibra óptica. Los datos generados por el software e interpretados por el responsable del tratamiento siguen siendo los mismos. El vuelo por luz tiene el efecto de disminuir las perturbaciones electromagnéticas en los sensores en comparación con los sistemas de control de vuelo por cable más comunes. El Kawasaki P-1 es el primer avión de producción del mundo equipado con un sistema de control de vuelo de este tipo. [37]
Habiendo eliminado los circuitos de transmisión mecánica en los sistemas de control de vuelo fly-by-wire, el siguiente paso es eliminar los circuitos hidráulicos pesados y voluminosos. 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 digitales. Se conservan todos los beneficios del fly-by-wire digital, ya que los componentes de power-by-wire son estrictamente complementarios a los componentes del fly-by-wire.
Los mayores beneficios son el ahorro de peso, la posibilidad de circuitos de energía redundantes y una integración más estrecha entre los sistemas de control de vuelo de la aeronave y sus sistemas de aviónica. La ausencia de sistema hidráulico reduce enormemente 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 eléctricos que permanecen operativos incluso en caso de una pérdida total de energía hidráulica. [38]
El cableado añade una cantidad considerable de peso a una aeronave; por lo tanto, los investigadores están explorando la implementación de soluciones de vuelo inalámbrico. 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. [ cita necesaria ]
Además de reducir el peso, la implementación de una solución inalámbrica tiene el potencial de reducir los costos durante todo el ciclo de vida de una aeronave. Por ejemplo, se eliminarán muchos puntos clave de falla 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 dedicaría menos tiempo al diseño de las instalaciones de cableado, los cambios tardíos en el diseño de una aeronave serían más fáciles de gestionar, etc. [39]
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 por cable. El objetivo es compensar de forma inteligente los daños y fallos de la aeronave durante el vuelo, utilizando automáticamente el empuje del motor y otros sistemas de aviónica para compensar fallos graves como la pérdida del sistema hidráulico, la pérdida del timón, la pérdida de los alerones, la pérdida de un motor, etc. 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 de tamaño completo muy dañado, sin experiencia previa con aviones a reacción de gran fuselaje. Este desarrollo está encabezado por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA . [40] Se informa que las mejoras son principalmente actualizaciones de software a los sistemas de control de vuelo 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 avería del motor ajustando los niveles de empuje y las entradas de control, pero aún requieren que los pilotos respondan adecuadamente. [41]
