Система управления полетом/FCS

Традиционная система управления полетом самолета с неподвижным крылом состоит из управляемой поверхности, соответствующего управления в кабине, соединительных рычагов и механизмов для управления направлением полета самолета. Управление двигателем самолета — также управление полетом, поскольку оно изменяет скорость.

Образец современных средств управления полетом был впервые предложен французским авиационным деятелем Робертом Эсно-Пелтери, а его коллега французский авиатор Луи Блерио популяризировал формат управления Эсно-Пелтери первоначально на моноплане Луи Блерио VIII в апреле 1908 года, и закрепил его в полете над Ла-Маншем на Блерио XI в июле 1909. 

Основы управления самолетом объясняются в области науки как динамике полета. Далее речь пойдет о  механизмах управления полетом. 

Управление в кабине пилота

Основные элементы управления

Как правило, основные органы управления полетом в кабине расположены следующим образом:

• рычаг управления , центральная или боковая ручка управления (их называют контроллер или джойстик), управляют креном и тангажем самолета, перемещая элероны (или активируя деформацию крыла на некоторых первых самолетах) при повороте или отклонении влево и вправо, а также перемещает руль высоты при движении назад или вперед;

• педали руля направления, управляют отклонением, которое перемещает руль. Например, перемещение левой ноги вперед переместит руль направления влево.

• управление дроссельной заслонкой для управления частотой вращения двигателя или тягой для приведенного в действие двигателя самолета.

Рулевое управление сильно отличаются у разных самолетов. Есть типы управления, где крен контролируется вращением по или против часовой стрелки (например, рулевое управление автомобилем), а шаг контролируется наклоном к себе или от себя, но в других шаг контролируется перемещением в приборную панель и из нее (как у большинства самолетов «Cessna», таких как 152 и 172), а в некоторых контроль осуществляется скольжением всего рулевого управления влево и вправо (например, «Cessna» 162). Центральные ручки также у разных самолетов — разные. Некоторые из них непосредственно соединены с управляемыми поверхностями с помощью кабелей, у других (самолеты «fly-by-wire») — компьютер, который управляет электрическими приводами.

Даже когда самолет использует различные поверхности управления полетом, такие как V-образное оперение, флапероны или элевоны, чтобы избежать путаницы у пилота, система управления полетом самолета все равно будет спроектирована так, чтобы были: рычаг или штурвал управляли тангажом и креном, педали руля направления. 

В некоторых самолетах поверхности управления не управляются с помощью рулевого управления. В сверхлегких самолетах и моторизованных дельтапланах, вообще нет такого механизма. Вместо этого пилот просто захватывает подъемную поверхность рукой (используя жесткую раму, которая свисает с ее нижней стороны) и передвигает ее.

Вторичные элементы управления

В дополнение к основным элементам управления полетом для крена, тангажа и направления, часто имеются дополнительные элементы управления, позволяющие пилоту лучше контролировать полет или облегчить рабочую нагрузку. Наиболее распространенным средством управления является руль или другое устройство для управления рулем высоты, так что пилоту не нужно поддерживать постоянное давление назад или вперед, чтобы удерживать определенное положение тангажа. У многих самолетов есть закрылки, управляемые переключателем или механическим рычагом, а в некоторых случаях они полностью автоматические, управляются компьютером, который изменяют форму крыла для улучшения управления на более низких скоростях для взлета и посадки. Существуют и другие вторичные системы управления полетом: предкрылки, спойлеры, аэродинамический тормоз и крылья переменной стреловидности.

Механические

Механические или ручные системы управления полетом — основной метод управления самолетом. Их использовали на первых самолетах и сейчас используются на небольших самолетах, где аэродинамические силы менее мощные. Ручная система управления полетом использует набор механических деталей, таких как толкатели, кабели напряжения, шкивы, противовесы, а иногда цепи для передачи усилий, приложенных к элементам управления кабины, непосредственно на поверхности управления. Талрепы часто используются для регулировки натяжения кабеля управления. Замки против порывов ветра часто используются на припаркованных самолетах с механическими системами для защиты поверхностей управления от повреждения ветром. У некоторые самолетов замки против порыва ветра — часть системы управления.

Увеличение площади поверхности управления у больших самолетов, или более высокие нагрузки, вызванные высокими скоростями полета у маленьких, приводят к значительному увеличению сил, необходимых для управления их движением, поэтому были разработаны сложные механические системы для извлечения максимального передаточного отношения с целью уменьшения сил, требуемых от пилотов.

Некоторые механические системы управления полетом используют сервокомпинсаторы, которые обеспечивают аэродинамическую поддержку. Сервокомпенсаторы рулевая поверхность, составляющая часть поверхности основного органа управления, отклонение которой в сторону, противоположную отклонению основного органа управления, позволяет уменьшить шарнирный момент. Это устройство использовалось в ранних поршневых транспортных самолетах и в ранних реактивных перевозках. У Boeing 737 есть эта система, она включится если по какой-либо причине гидравлическая система выйдет из строя.

Гидромеханические

Сложность и объем механических систем управления полетом значительно возрастают с размерами и эксплуатационными характеристиками самолета. Гидравлические управляющие поверхности помогают преодолеть эти ограничения. С гидравлическими системами управления полетом, размер и производительность самолета ограничены экономикой, а не мышечной силой пилота. Сначала использовались только частично форсированные системы, в которых пилот все еще мог ощущать некоторые аэродинамические нагрузки на поверхности управления.

Гидромеханическая система управления полетом состоит из двух частей:

• Механическая схема, которая связывает органы управления кабины с гидравлическими схемами. Как и механическая система управления полетом, она состоит из стержней, тросов, шкивов, а иногда и цепей.

• Гидравлический контур, который имеет гидравлические насосы, резервуары, фильтры, трубы, клапаны и приводы. Приводы приводятся в действие гидравлическим давлением, создаваемым насосами в гидравлическом контуре. Приводы преобразовывают гидравлическое давление в движения поверхности управления. Электрогидравлические сервоклапаны управляют движением исполнительных механизмов.

Действия пилота запускают механическую цепочку, которая открывает соответствующий сервоклапаны в гидравлической цепи. Гидравлическая цепь приводит в действие приводы, которые затем перемещают управляемые поверхности. При движении исполнительного механизма сервоклапан закрывается механическим рычагом обратной связи, который останавливает движение управляемой поверхности в нужном положении.

Такое расположение применялось в более старых реактивных транспортных средствах и в некоторых высокопроизводительных самолетах. Например: Ан-225 и Локхид SR-71.

Искусственные устройства ощущения

С чисто механическими системами управления полетом аэродинамические силы на поверхностях управления передаются через механизмы и ощущаются непосредственно пилотом, создавая тактильную обратную связь скорости полета. Однако в гидромеханических системах управления полетом нагрузка на поверхности не ощущается, и существует риск перенапряжения самолета из-за чрезмерного перемещения поверхности управления. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать искусственные системы ощущений. Например, для управления реактивным бомбардировщиком RAF Avro Vulcan и сверхзвуковым перехватчиком Rcaf Avro Canada CF-105 Arrow (оба образца 1950-х годов) необходимая обратная связь по силе была достигнута пружинным устройством. Точка опоры этого устройства была перемещена пропорционально квадрату скорости воздуха, чтобы дать повышенное сопротивление при более высоких скоростях. Для управления американским истребителем Vought F-8 Crusader и боевыми самолетами LTV A-7 Corsair II в оси тангажа ручки управления использовался противовес, дающий обратную связь по силе, пропорциональной нормальному ускорению самолета.

Вибросигнализатор штурвала

Вибросигнализатор штурвала — это устройство, которое прикреплено к штурвалу и встряхивает его, когда самолет собирается остановиться. Также в некоторых самолетах, таких как McDonnell Douglas DC-10, есть резервный источник электропитания, который пилот может включить, чтобы повторно активировать вибросигнализатор штурвала в случае потери с ним гидравлического соединения.

Электродистанционная система управления

В большинстве современных систем питание приводов управления обеспечивается гидравлическими системами высокого давления. В электродистанционных системах клапаны, контролирующие процесс управления, активизируются с помощью электрических сигналов. В электродистанционных системах, энергия к приводам предается по электрическими кабелями. Они легче гидравлических труб, проще в установке и обслуживании, а также более надежны.

Электродистанционная системаа управления (FBW) заменяет электронным интерфейсом ручное управление полетом самолета. Движения органов управления полетом преобразуются в электронные сигналы, передаваемые по проводам (отсюда и термин "управление по проводам"), и компьютеры управления полетом определяют, как перемещать исполнительные механизмы на каждой поверхности управления, чтобы обеспечить ожидаемый отклик. Команды от компьютеров также вводятся без ведома пилота для стабилизации самолета и выполнения других задач. Электроника систем управления полетом самолета является частью области, известной как авионика.

Дистанционная оптическая система управления — следующий шаг в развитии систем управления, он будет использовать опто-волоконные кабели.

Существует несколько технологических исследований и разработок, направленных на интеграцию функций систем управления полетом, таких как элероны, руль высоты, элевоны, закрылки и флапероны в крыльях для выполнения аэродинамической цели с меньшими: массой, стоимостью, сопротивлением, инерцией (для более быстрого и сильного отклика управления), сложностью (механическая простота, меньшее количество движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и эффективной площадью рассеяния для скрытности. Существует 2 самых перспективных подхода в этой области: гибкие крылья и флюидика.

Гибкие крылья

В гибких крыльях большая или вся поверхность крыла может менять форму в полете, чтобы отклонить воздушный поток, что очень похоже на орнитоптер. Адаптивные управляемые крылья — это военные и коммерческие разработки. Адаптивное управляемое крыло Боинга X-53 было разработано усилиями ВВС США, НАСА и Боинг.

Флюидика

В флюидике сила  вырабатывается в процессе управлением циркуляцией, в котором большие более сложные механические части заменяются меньшими более простыми системами (щелями, которые пропускают воздушные потоки), где силы потока воздуха высокой мощности отклоняют концентрированными струями поверхности, чтобы изменить направление транспортных средств. В этой случае, активное регулирование потока или флюидика обещает простоту и более низкую цены, инерцию и время на ответ. Что было продемонстрировано на беспилотнике Demon, который впервые полетел в Великобритании в сентябре 2010 года.