Por que não controles simplificados de helicópteros fly?

Os fabricantes de helicópteros parecem ter demorado a adotar sistemas fly-by-wire. Eu costumava trabalhar no grupo General Dynamics, que projetou o sistema fly-by-wire para o F-16. Essa foi a primeira aeronave de produção que tinha autoridade máxima fly-by-wire (sem sistemas 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, 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 tal cultura, onde cada membro está preocupado com a eficiência e segurança da aeronave. Eu especulo que os fabricantes de helicópteros não conseguiram acompanhar por um par de décadas, porque o financiamento era limitado.

Aqui está um artigo que descreve a experiência do Exército: Exército lento para adaptar a mosca Controles por fio para helicópteros

Financiamento à parte, 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 realizam entradas de controle de pairover e desacopladas (ou seja, voo lateral sem precisar de entradas de leme).

O primeiro helicóptero que demonstrou um ótimo sistema fly-by-wire foi o Sikorsky RAH-66. Chegou mesmo a voar lateralmente a 60 nós e a um voo para trás a 25 nós, utilizando apenas entradas de bastões cíclicos. Infelizmente, esse programa foi cancelado em 2004. O primeiro helicóptero fly-by-wire militar de produção é o Airbus NH90, que entrou em serviço em 2007. Em breve, haverá também a produção do primeiro helicóptero fly-by-wire civil: Bell 525 .

Existem dois extremos:

• Nenhum controle aumentado, ou seja, a maioria das aeronaves normais. O piloto controla as superfícies de controle e os motores diretamente.
• Controles strongmente aumentados (à esquerda, à direita, para cima e para baixo mudam exatamente assim), como quadricópteros. O piloto dá o comando de como a aeronave deve se mover, traduzida por algoritmo na superfície de controle e nas entradas do motor.

Em qualquer um dos dois extremos, o material é decentemente bem compreendido. É quando você entra no meio que começa a se tornar problemático.

Controles aumentados

Existe sempre um conflito entre uma mudança benéfica, tornando o voo mais fácil para o piloto e um maior nível de abstração dos controles de vôo. Um lugar onde isso é particularmente prevalente é na aeronave Airbus, onde mal-entendidos entre o piloto, a interface, o controle e a aeronave levaram a múltiplos 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 pura lateral (não o momento) de aumentar a potência do rotor de cauda é descompensada e exigiria novamente o ajuste do rotor principal para permanecer na posição. Qualquer resposta e entrada do piloto teria que ser tratada apropriadamente para evitar a oscilação induzida pelo piloto.

Aumento da Estabilidade é usado, por exemplo, na 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-piloto e aspectos regulatórios

Eu trabalhei em sistemas UAV que funcionam como 'todo o caminho' na automação de controle. Acho que parte do problema é a opinião conservadora sobre o papel do piloto. A Airbus tornou-se strongmente criticada por suas escolhas de design que supostamente facilitam a pilotagem do piloto. Aumentar os controles de voo é um negócio arriscado.

As mudanças são difíceis de implementar e testar caro no setor de aviação. Nós poderíamos finalmente remover o piloto e quem quer que estivesse a bordo (médico, enfermeiro) poderia simplesmente selecionar um ponto em um mapa como um local de pouso. Ao ir para o estágio de fazer push up / down / left / right ... controles como você sugere, criamos controles de vôo totalmente automáticos. É (totalmente) tecnicamente viável, já que é o que o piloto automático faz. Mudar a forma como as entradas de controle ativas são interpretadas a partir de um 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 foco estável. Apenas pequenos movimentos ao redor 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 de ambos os pedais e a alavanca lateral mudam: o rotor fornece mais sustentação, mas também mais torque, compensando isso com o aumento do empuxo do rotor de cauda, compensando o aumento de oscilação com o braço lateral.

O mixer mecânico faz isso automaticamente. É encontrado em grandes helicópteros como o CH-53, UH-60 etc, e está localizado atrás dos controles de vôo, mas antes dos atuadores de placa oscilante, e é apenas um conjunto de braços e pernas mecânicos que interligam coletivo com pedais de ligação etc. / p>

Observe que o misturador mecânico apenas altera 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 de um fly-by tipo F16 fios com computadores redundantes & tudo.

Por exemplo, considere o coletivo em pairar, variando o coletivo resultará em uma mudança na altitude, enquanto em vôo direto, a mesma coisa resultará em uma mudança na altitude ou velocidade, dependendo de como o cíclico é movido. A operação cíclica tem resultados semelhantes com base na operação de outros controles.

Este é o problema em ter controles pseudo ou acoplados - a resposta do helicóptero pode diferir daquela do pretendido. Por outro lado, o computador FBW é bastante simples - você insere os controles, que são enviados para os atuadores através do 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 isso é o único caso em que acho que os controles estão acoplados.

O conceito de controles avançados para embarcações de asas rotativas existe há muito tempo. Eu trabalhei para a McDonnell Aircraft em seu grupo de simulação durante os anos 80, quando eles estavam competindo pelo programa LHX (Light Helicopter eXperimental). Embora eu não possa dizer que essa é a primeira implementação de tais 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 braço lateral de quatro vias - basicamente um joystick 3D com rotação. Qualquer movimento horizontal dentro do plano de vôo era controlado empurrando o controlador na direção que você queria que a nave se movesse, para frente, para trás ou para os lados. O vôo vertical foi controlado pela aplicação de pressão para cima ou para baixo no controlador. A guinada da plataforma foi executada torcendo o controlador. - Referência

Resposta curta: Já temos o rotor Fly-By-Wire da Bell / Sikorsky, Airbus e provavelmente outros. Referência do Bell 525, Sikorsky V22, Airbus / Eurocopter NH90

Resposta longa: É extremamente caro e demorado obter uma nova aeronave ou sistema certificado. Até mesmo mudanças simples em aeronaves ou sistemas certificados podem ser extremamente dispendiosas e demoradas devido a uma perspectiva de conformidade regulatória, que deve incluir o teste de aeronaves e sistemas durante o ciclo de desenvolvimento, documentando cada detalhe minúsculo.

As pessoas são resistentes a mudanças em geral - fazendo mudanças em algo que conhecem, amam, respeitam e, às vezes, temem que traga o pior delas. Os pilotos são apenas pessoas com sentimentos, desejos e opiniões, como todo mundo.

No momento da redação deste artigo, no final de 2018, os sistemas Fly-By-Wire não são apenas tecnicamente viáveis, eles são maduros. A eletrônica e os servos são tão baratos que a redundância tripla é um custo adicional insignificante. Todas as nossas aeronaves comerciais e militares mais complexas de hoje (2018) possuem sistemas Fly-By-Wire, incluindo sistemas de naves rotativas e sistemas espaciais.