FBW — метод управления самолётом¶

FBW (англ. Fly-By-Wire, «проводка-на-проводе») — система управления летательным аппаратом, в которой механическая связь между органами управления (рычагом, штурвалом, педалями) и рулевыми приводами заменена электрической или оптической линией связи. Пилот формирует команду, которая преобразуется в электрический сигнал, передаётся по проводам или волоконно-оптическим каналом на бортовой компьютер, а тот управляет гидравлическими или электрическими приводами поверхностей управления. Термин также обозначает самолёты, построенные по такой схеме.

¶История

Первые опыты с электрической передачей команд управления относятся к 1930-м годам. В СССР в 1930-е годы в ЦАГИ под руководством Владимира Челомея и в других КБ велись работы по дистанционному управлению самолётами; в 1937 году на самолёте И-16 испытывалась система с электроприводом рулей. Систематическое развитие технология получила в 1950-е годы, когда возникла проблема управляемости сверхзвуковых самолётов: на высоких скоростях аэродинамические усилия на рулях становились слишком велики для непосредственного управления руками пилота, а запасы устойчивости по курсу и тангажу сокращались.

Считается, что первым серийным самолётом с полноценной системой FBW стал американский Northrop F-5A Freedom Fighter (1963), а массовое распространение технология получила на истребителях F-16 Fighting Falcon (первый полёт в 1974 году), который был спроектирован как заведомо неустойчивый аппарат — такая схема обеспечивала повышенную манёвренность. В гражданской авиации первым крупным серийным самолётом с FBW стал Airbus A320 (первый полёт в 1987 году). В СССР и России аналогичные системы получили истребители Су-27 (1977), МиГ-29 (1977) и их модификации, а также пассажирский самолёт Сухой Суперджет 100 (2008).

¶Устройство и принцип работы

Классическая механическая система управления состоит из тяг, тросов, рычагов и компенсирующих пружин, соединяющих кабину с рулевыми поверхностями. В системе FBW этот тяжёлый и громоздкий набор заменён датчиками, бортовым компьютером и линиями связи.

Основные элементы системы:

• Датчики — измеряют положение штурвала и педалей, угловые скорости, перегрузку, положение центра масс, режим полёта.
• Бортовой компьютер — обрабатывает сигналы пилота и датчиков, формирует команды рулевым приводам, реализует законы управления (law), ограничители перегрузок и углов атаки.
• Линии связи — электрические провода, в перспективе — волоконно-оптические каналы (оптический FBW).
• Рулевые приводы — гидравлические или электрические актуаторы, непосредственно отклоняющие элероны, рули высоты, направления, интерцепторы и другие поверхности.

Система обычно строится с тройной или четверной кратностью — несколько независимых каналов обработки и передачи сигналов, чтобы при отказе одного канала управление не потерялось. Питание приводов также дублируется несколькими гидросистемами.

¶Законы управления

Особенность FBW — возможность задавать произвольные законы управления, то есть соотношение между отклонением штурвала и отклонением рулей. В механической системе это соотношение жёстко определяется кинематикой тяг. В электронной системе компьютер может менять «чувствительность» управления в зависимости от скорости, высоты, режима полёта, а также ограничивать опасные состояния — сваливание, перегрузку, перегрев двигателя.

Различают несколько поколений законов управления:

• Непосредственное управление — сигнал пилота передаётся на приводы с минимальной обработкой.
• Управление с демпфированием — компьютер гасит автоколебания неустойчивого самолёта.
• Управление с ограничителями — добавляются блокировки опасных режимов.
• Управление по нормативу перегрузки — пилот задаёт не положение рулей, а требуемую перегрузку, а компьютер подбирает отклонения поверхностей.
• Управление по вектору тяги — на самолётах с двигателями, отклоняемыми на земле (Су-37, Су-30, F-16, Eurofighter), компьютер распределяет управление между рулями и вектором тяги.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам FBW относят:

• Снижение массы самолёта — отказ от системы тяг и тросов экономит сотни килограммов.
• Повышенная манёвренность — возможность использовать заведомо неустойчивую аэродинамическую компоновку.
• Защита от опасных режимов — компьютер не позволит выйти на критический угол атаки или превысить допустимую перегрузку.
• Снижение нагрузки на пилота — автоматика компенсирует турбулентность и ветровые возмущения.
• Возможность реализации автопилота и автоматических режимов на той же аппаратной базе.

К недостаткам относят сложность и стоимость разработки, зависимость от электропитания и электроники, необходимость тщательной отработки алгоритмов на всём диапазоне режимов полёта. Отказ электроники при отсутствии резервирования может привести к потере управления, поэтому в военной и гражданской авиации применяются многочисленные дублирующие каналы.

¶Применение

Системы FBW применяются на большинстве современных боевых самолётов (Су-30, Су-35, Су-57, МиГ-35, F-22, F-35, Rafale, Eurofighter Typhoon) и гражданских авиалайнерах (Airbus A320/A330/A350, Boeing 777, Сухой Суперджет 100, Ил-114-300). Технология также используется в беспилотных летательных аппаратах, ракетах и космических аппаратах — например, в системе управления корабля «Союз» и возвращаемых капсулах.

В России разработкой систем FBW и законов управления занимаются ЦАГИ, МАКС им. М. М. Громова, ОКБ Сухого, ОКБ МиГ, НПО «Электроприбор». На Суперджете 100 применяется цифровая система управления с четырёхкратным резервированием каналов.

¶Интересные факты

• Система FBW на F-16 была настолько чувствительной, что пилоты жаловались на «слишком лёгкое» управление — компьютер компенсировал усилия, и штурвал двигался от касания пальцем.
• На Airbus A320 в 1988 году при демонстрационном полёте в Гавре самолёт зацепил деревья — одна из первых крупных аварий, связанных с работой системы управления, хотя расследование показало, что причина была не в FBW, а в действиях экипажа и особенностях закона управления.
• Оптические системы FBW (по волоконной оптике) проходят испытания в ряде стран, включая Россию — они легче и устойчивее к электромагнитным помехам.

Источники:

• «Самолётостроение России: Краткий энциклопедический словарь» / Под ред. Ю. А. Остапенко. — М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1998.
• Гулько В. И. «Управление полётом». — М.: Машиностроение, 2005.
• «Авиация: Энциклопедия» / Под ред. Г. П. Свищёва. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.
• Сухой С. В., Сухой И. И. «Самолёт Су-30: конструкция и лётные характеристики». — М.: МАКС Пресс, 2000.
• «Российская авиация: Энциклопедия» / Под ред. Ю. А. Остапенко. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2009.