Por que não existem controles simplificados de helicóptero fly-by-wire?

Os fabricantes de helicópteros parecem ter demorado a adotar sistemas fly-by-wire. Eu trabalhava no grupo General Dynamics, que projetou o sistema fly-by-wire para o F-16. Essa foi a primeira aeronave de produção que possuía autoridade fly-by-wire (sem sistema de backup mecânico). Quando comecei a trabalhar lá, eles estavam em processo de atualização do sistema para incorporar um computador de controle de vôo digital. A produção exigiu ampla coordenação entre várias disciplinas. Como engenheiro elétrico, eu interagia regularmente com engenheiros de software, projetistas de leis de controle, engenheiros de teste e engenheiros de "mecanização". Levou muitos anos para a empresa desenvolver essa cultura, onde cada membro se preocupava com a eficiência e a segurança da aeronave. Especulo que os fabricantes de helicópteros não o alcançaram por algumas décadas porque o financiamento era limitado.

Aqui está um artigo que descreve a experiência do Exército: Exército lento para adaptar controles fly-by-wire para helicópteros

Além do financiamento, os helicópteros são candidatos ideais para sistemas fly-by-wire. O objetivo óbvio é pegar uma aeronave marginalmente controlável e torná-la estável e manobrável. Isso reduziria drasticamente a carga de trabalho do piloto. A maioria dos sistemas fly-by-wire de helicópteros realiza pairar no viva-voz e entradas de controle dissociadas (ou seja, vôo lateral sem a necessidade de entradas de leme).

O primeiro helicóptero que demonstrou um ótimo sistema fly-by-wire foi o Sikorsky RAH-66. Ele alcançou até o vôo lateral nos nós 60 e o voo para trás nos nós 25, usando apenas entradas cíclicas. Infelizmente, esse programa foi cancelado no 2004. O primeiro helicóptero militar fly-by-wire de produção é o NHIndustries NH90, que foi o primeiro helicóptero a voar sem controles de backup mecânicos, no 2002, e entrou em serviço no 2007. O primeiro helicóptero civil fly-by-wire, o sino 525 está atualmente em desenvolvimento.

Existem dois extremos:

• Sem controles aumentados, ou seja, a maioria das aeronaves normais. O piloto controla as superfícies e os motores diretamente.
• Controles fortemente aumentados (esquerdo, direito, para cima e para baixo, exatamente como esse), como quadcopters. O piloto dá o comando de como a aeronave deve mover o que é traduzido pelo algoritmo na superfície de controle e nas entradas do motor.

Em qualquer um dos dois extremos, as coisas são decentemente bem compreendidas. É quando você entra no meio que começa a se tornar problemático.

Controles Aumentados

Sempre há um conflito entre uma mudança benéfica que facilita o vôo para o piloto e um maior nível de abstração dos controles de vôo. Um lugar em que isso é particularmente prevalecente é nas aeronaves da Airbus, onde mal-entendidos entre o piloto, a interface, o controle e a aeronave levaram a vários acidentes.

O ponto de Simon aqui - o que você quer que você controle as superfícies - é muito relevante.

Sistema Dinâmico

Helicópteros são incrivelmente dinâmicos. Por exemplo, uma rajada lateral empurrará o helicóptero para o lado, mas isso também resultaria em uma rotação desproporcional em toda a estrutura da aeronave, causada pela área da superfície da aleta do rotor de cauda. No entanto, a força lateral pura (não o momento) do aumento da potência do rotor de cauda é descompensada e exigiria o ajuste do rotor principal novamente para permanecer na posição. Qualquer resposta e entrada do piloto teria que ser tratada adequadamente para evitar a oscilação induzida pelo piloto.

O aumento da estabilidade é usado, por exemplo, no EC135:

The Auto Flight System is hierarchical in concept and on G-IWRC comprised a three axis Stability Augmentation System (SAS) and an autopilot. The SAS consisted of a Pitch and Roll SAS (P&R SAS) and yaw SAS. The helicopter was also equipped with a pitch damper. These systems are used for stabilising the attitude of the helicopter about the longitudinal, lateral and yaw axes by applying limited authority inputs to the main controls.

The SAS system is designed for ‘hands-on’ operation, which means that the pilot must provide control inputs through the cyclic control and yaw pedals in order to control the attitude of the helicopter. The SAS is automatically activated during the start procedures and can be disengaged by pressing either of the SAS DCPL switches located on top of each cyclic stick grip. Re-engagement of the SAS is through a four-way switch on the cyclic grip, labelled P&R/P – P/y RST. Eurcopter EC135 Accident Report

Papel do piloto e aspectos regulatórios

Eu trabalhei em sistemas UAV que percorrem todo o caminho na automação de controle. Eu acho que parte do problema é a opinião conservadora sobre o papel do piloto. A Airbus se tornou muito criticada por suas escolhas de design que deveriam facilitar o voo do piloto. Aumentar os controles de vôo é um negócio arriscado.

As mudanças são difíceis de implementar e os testes são caros no setor de aviação. Finalmente, poderíamos remover o piloto e quem estivesse a bordo (médico, enfermeiro) poderia simplesmente selecionar um ponto no mapa como local de pouso. Indo para o estágio de fazer controles push up / down / left / right ... como você sugere, criamos controles de vôo totalmente automáticos. É (inteiramente) tecnicamente viável, já que é isso que o piloto automático faz. Alterar como as entradas de controle ativas são interpretadas do ponto de vista de uso, licenciamento, treinamento e execução é uma história totalmente diferente.

Sim, os controles fly by wire são aplicados em helicópteros. Mas há uma solução mais simples e muito mais antiga para a dança multidimensional de controle de vôo em helicópteros: o misturador mecânico.

Considere um helicóptero em um hover estável. Apenas pequenos movimentos em torno do ponto neutro dos controles de vôo são necessários para compensar pequenas variações no fluxo de ar. Agora puxe o coletivo para ganhar altura, e o ponto neutro dos pedais e da alavanca lateral muda: o rotor fornece mais sustentação, mas também mais torque, compensa isso com o aumento do impulso do rotor de cauda, ​​compensa o balanço maior com a alavanca lateral.

O misturador mecânico faz exatamente isso, automaticamente. Ele é encontrado em grandes helicópteros como CH-53, UH-60 etc., e está localizado atrás dos controles de vôo, mas antes dos atuadores da placa oscilante, e é apenas um conjunto de braços e pernas mecânicos que se interconectam coletivos com a ligação de pedais, etc.

Observe que o misturador mecânico altera apenas o ponto de compensação dos controles de vôo, mas não a estabilidade estática do helicóptero ou os efeitos de acoplamento cruzado da inércia do rotor, etc. Para isso, você precisaria do tipo F-16 computadores redundantes e tudo.

A principal consequência de ter controles independentes em um helicóptero é que o mesmo movimento de controle terá resultados diferentes, dependendo do movimento de outros controles.

Por exemplo, considere o coletivo em foco, variar o coletivo resultará em uma mudança de altitude, enquanto no vôo para frente, a mesma coisa resultará em uma mudança de altitude ou velocidade, dependendo de como o cíclico é movido. A operação de cíclico tem resultados semelhantes com base na operação de outros controles.

Esse é o problema de ter controles pseudo ou acoplados - a resposta do helicóptero pode diferem do pretendido. Por outro lado, o computador FBW é bem direto - você insere os controles, que são enviados aos atuadores pelo computador. O computador não precisa adivinhar o que você quer fazer aqui.

Eu acho que existem alguns helicópteros onde coletivo em movimento ajusta automaticamente o torque, embora este seja o único caso em que acho que os controles estão acoplados.

O conceito de controles avançados para embarcações com asas rotativas existe há muito tempo. Trabalhei para a McDonnell Aircraft em seu grupo de simulação durante o 80, quando eles estavam competindo pelo Programa LHX (Light Helicopter eXperimental). Embora eu não possa dizer que essa é a primeira implementação desses controles, ela deve ser uma das primeiras.

Os controles de vôo basicamente removeram o cíclico e o coletivo e o substituíram por um controlador de armas laterais de quatro direções - basicamente um joystick 3D com rotação. Qualquer movimento horizontal dentro do plano de vôo era controlado empurrando o controlador na direção em que você queria que a nave se movesse, para frente, para trás ou para os lados. O vôo vertical era controlado aplicando pressão para cima ou para baixo no controlador. A guinada da plataforma foi realizada girando o controlador. -Referência

Embora eu ame aeronaves há muitos anos e ainda não tenha obtido meu PPL, costumava pilotar os simuladores de asa fixa e me divertia. Mas nunca tendo pilotado um helicóptero controlado tradicionalmente, achei muito intuitivo pilotar o LHX.

Resposta curta: Já possuímos rotores Fly-By-Wire da Bell / Sikorsky, Airbus e provavelmente outros. Faça referência ao Bell 525, Sikorsky V22, Airbus / Eurocopter NH90

Resposta longa: é extremamente caro e demorado obter uma nova aeronave ou sistema certificado. Mesmo mudanças simples em uma aeronave ou sistemas certificados podem ser extremamente caras e demoradas em relação a uma perspectiva de conformidade regulamentar, que deve incluir o teste das referidas aeronaves e sistemas durante o ciclo de desenvolvimento enquanto documenta todos os pequenos detalhes.

As pessoas são resistentes às mudanças em geral - fazer mudanças em algo que conhecem, amam, respeitam e, às vezes, o medo trará o pior nelas. Pilotos são apenas pessoas com sentimentos, desejos e opiniões, como todo mundo.

No momento da redação deste artigo, no final do 2018, os sistemas Fly-By-Wire não eram apenas tecnicamente viáveis, eles estavam maduros. A eletrônica e os servos são tão baratos que a redundância tripla é um custo adicional trivial. Atualmente, todas as nossas aeronaves comerciais e militares mais complexas (2018) possuem sistemas Fly-By-Wire, incluindo embarcações de rotor e sistemas espaciais.