Control por cable

Un avión fly-by-wire 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 para un avión de transporte; más para un caza maniobrable), lo que significa que las superficies de estabilidad que forman parte de la estructura del avión pueden hacerse más pequeñas. Estas incluyen los estabilizadores verticales y horizontales (aleta y plano de cola ) que (normalmente) están en la parte trasera del fuselaje . Si estas estructuras se pueden reducir en tamaño, se reduce el peso de la estructura del avión. Las ventajas de los controles fly-by-wire fueron explotadas primero por las fuerzas armadas y luego en el mercado de las aerolíneas comerciales. La serie de aviones de pasajeros Airbus utilizó controles fly-by-wire de plena autoridad comenzando con su serie A320, véase control de vuelo del A320 (aunque existían algunas funciones fly-by-wire limitadas en los aviones A310). ^{[ 6 ]} Boeing siguió con su 777 y diseños posteriores.

Un piloto ordena al ordenador de control de vuelo que la aeronave realice una acción determinada, como inclinarla hacia arriba o alzarla hacia un lado, moviendo la columna de control o la palanca lateral . El ordenador de control de vuelo calcula entonces qué movimientos de las superficies de control harán que el avión realice esa acción y emite esas órdenes a los controladores electrónicos de cada superficie. ^{[ 1 ]} Los controladores de cada superficie reciben estas órdenes y mueven los actuadores conectados a la superficie de control hasta que esta se encuentra en la posición indicada por el ordenador de control de vuelo. Los controladores miden la posición de la superficie de control de vuelo con sensores como los LVDT . ^{[ 7 ]}

Los sistemas de control fly-by-wire permiten que las computadoras de las aeronaves realicen tareas sin la intervención del piloto. Los sistemas de estabilidad automática funcionan de esta manera. Los giroscopios y sensores como los acelerómetros se instalan en una aeronave para detectar la rotación en los ejes de cabeceo, alabeo y guiñada . Cualquier movimiento (por ejemplo, desde un vuelo recto y nivelado) genera señales para la computadora, que puede mover automáticamente los actuadores de control para estabilizar la aeronave. ^{[ 3 ]}

La Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) ha adoptado la norma RTCA / DO-178C , titulada "Consideraciones de software en la certificación de sistemas y equipos a bordo", como estándar de certificación para software aeronáutico. Cualquier componente crítico para la seguridad en un sistema digital fly-by-wire, incluidas las aplicaciones de las leyes de la aeronáutica y los sistemas operativos informáticos , deberá estar certificado según el nivel A o B de la norma DO-178C, dependiendo de la clase de aeronave, lo cual es aplicable para prevenir posibles fallas catastróficas. ^{[ 28 ]}

Sin embargo, la principal preocupación para los sistemas fly-by-wire digitales y computarizados es la fiabilidad, incluso más que para 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 falla por cualquier motivo, el piloto podría quedar incapacitado para controlar la aeronave. Por lo tanto, prácticamente todos los sistemas de control de vuelo fly-by-wire cuentan con redundancia triple o cuádruple en sus computadoras y componentes electrónicos . Estos sistemas tienen tres o cuatro computadoras de control de vuelo que operan en paralelo y tres o cuatro buses de datos independientes que las conectan con cada superficie de control. ^{[ 29 ]}

Los múltiples ordenadores de control de vuelo redundantes supervisan continuamente la salida de los demás. Si un ordenador comienza a dar resultados anómalos por cualquier motivo, como posibles fallos de software o hardware o datos de entrada erróneos, el sistema combinado está diseñado para excluir los resultados de ese ordenador al decidir las acciones apropiadas para los controles de vuelo. Dependiendo de los detalles específicos del sistema, puede ser posible reiniciar un ordenador de control de vuelo anómalo o reincorporar sus entradas si vuelven a ser coherentes. Existe una lógica compleja para gestionar múltiples fallos, lo que puede provocar que el sistema recurra a modos de respaldo más sencillos. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Además, la mayoría de las primeras aeronaves digitales fly-by-wire también contaban con un sistema de control de vuelo analógico de respaldo, ya fuera eléctrico, mecánico o hidráulico. El transbordador espacial , además de su conjunto redundante de cuatro computadoras digitales que ejecutaban su software principal de control de vuelo, disponía de una quinta computadora de respaldo que ejecutaba un sistema de control de vuelo por software de funciones reducidas, desarrollado por separado, que podía activarse en caso de que una falla afectara a las otras cuatro computadoras. Este sistema de respaldo servía para reducir el riesgo de una falla total del sistema de control de vuelo debido a una falla en el software de vuelo de propósito general que hubiera pasado desapercibida en las otras cuatro computadoras. ^{[ 1 ] [ 26 ]}

Para los aviones comerciales, la redundancia en el control de vuelo mejora su seguridad, pero los sistemas de control fly-by-wire, que son físicamente más ligeros y requieren menos 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 con un ángulo de ataque aerodinámicamente más eficiente que un diseño convencionalmente estable. Los aviones comerciales modernos también suelen incorporar sistemas computarizados de control digital de motor de plena autoridad ( FADEC ) que controlan sus motores, tomas de aire, almacenamiento de combustible y sistema de distribución, de manera similar a como el FBW controla las superficies de control de vuelo. Esto permite variar continuamente la potencia del motor para lograr el uso más eficiente posible. ^{[ 30 ]}

La segunda generación de la familia Embraer E-Jet obtuvo una mejora de eficiencia del 1,5 % con respecto a la primera generación gracias al sistema fly-by-wire, lo que permitió una reducción de 280  ft² a 250  ft² para el estabilizador horizontal en las variantes E190/195. ^{[ 31 ]}

Airbus y Boeing difieren en sus enfoques para implementar sistemas fly-by-wire en aeronaves comerciales. Desde el Airbus A320 , los sistemas de control de la envolvente de vuelo de Airbus siempre mantienen el control de vuelo final cuando se vuela bajo la ley normal y no permiten que los pilotos violen los límites de rendimiento de la aeronave a menos que elijan volar bajo una ley alternativa. ^{[ 32 ]} Esta estrategia se ha mantenido en los aviones de pasajeros Airbus posteriores. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Sin embargo, en caso de fallas múltiples de computadoras redundantes, el A320 tiene un sistema de respaldo mecánico para su compensador de cabeceo y su timón, el Airbus A340 tiene un sistema de control de timón de respaldo puramente eléctrico (no electrónico) y, a partir del 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). ^{[ 35 ]}

Los aviones de pasajeros de Boeing, como el Boeing 777 , permiten a los pilotos anular por completo el sistema de control de vuelo computerizado, lo que permite volar la aeronave fuera de su envolvente de control de vuelo habitual.

• El Concorde fue el primer avión de producción en serie con sistema de control fly-by-wire y controles analógicos.
• El General Dynamics F-16 fue el primer avión de producción en utilizar controles digitales fly-by-wire. ^{[ 36 ]}
• El transbordador espacial contaba con un sistema de control fly-by-wire totalmente digital. Este sistema se probó por primera vez (como único sistema de control de vuelo) durante las "Pruebas de Aproximación y Aterrizaje" en planeador sin motor que comenzaron con el transbordador espacial Enterprise en 1977. ^{[ 37 ]}
• Lanzado a producción en 1984, el Airbus A320 de Airbus Industries se convirtió en el primer avión de pasajeros en volar con un sistema de control fly-by-wire totalmente digital. ^{[ 38 ]}
• Con su lanzamiento en 1993, el Boeing C-17 Globemaster III se convirtió en el primer avión de transporte militar con sistema fly-by-wire. ^{[ 39 ]}
• En 2005, el Dassault Falcon 7X se convirtió en el primer jet ejecutivo con controles fly-by-wire. ^{[ 40 ]}
• En 2002, se integró un sistema fly-by-wire totalmente digital sin bucle de retroalimentación cerrado en la primera generación de la familia Embraer E-Jet . Al cerrar el bucle (retroalimentación), la segunda generación de la familia Embraer E-Jet logró una mejora de eficiencia del 1,5 % en 2016. ^{[ 31 ]}

El sistema fly-by-optics se utiliza a veces en lugar del fly-by-wire porque ofrece una mayor velocidad de transferencia de datos, inmunidad a las interferencias electromagnéticas y menor peso. En la mayoría de los casos, simplemente se cambian los cables eléctricos por cables de fibra óptica . A veces se le denomina "fly-by-light" debido al uso de fibra óptica. ^{[ 42 ]} Los datos generados por el software e interpretados por el controlador permanecen inalterados. El fly-by-light reduce las perturbaciones electromagnéticas en los sensores en comparación con los sistemas de control fly-by-wire más comunes. El Kawasaki P-1 es el primer avión de producción en el mundo equipado con un sistema de control de vuelo de este tipo. ^{[ 43 ]}

Tras eliminar los circuitos de transmisión mecánica en los sistemas de control de vuelo fly-by-wire, el siguiente paso consiste en sustituir los voluminosos y pesados ​​circuitos hidráulicos por circuitos de alimentación eléctrica. Estos circuitos alimentan actuadores eléctricos o electrohidráulicos autónomos, controlados por los ordenadores de control de vuelo digitales. Se conservan todas las ventajas del fly-by-wire digital, ya que los componentes power-by-wire son estrictamente complementarios a los componentes fly-by-wire.

Las principales ventajas son el ahorro de peso, la posibilidad de circuitos de alimentación redundantes y una mayor integración entre los sistemas de control de vuelo de la aeronave y sus sistemas de aviónica. La ausencia de hidráulica reduce considerablemente 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 alimentados eléctricamente que permanecen operativos incluso en caso de una pérdida total de la energía hidráulica. ^{[ 44 ]}

El cableado añade un peso considerable a una aeronave; por lo tanto, los investigadores están explorando la implementación de soluciones fly-by-wireless. 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.

Además de reducir el peso, la implementación de una solución inalámbrica tiene el potencial de reducir los costos a lo largo del ciclo de vida de una aeronave. Por ejemplo, se eliminarán muchos puntos críticos de falla asociados con cables y conectores, lo que reducirá las horas dedicadas a la resolución de problemas en estos. Asimismo, los costos de ingeniería podrían disminuir, ya que se dedicaría menos tiempo al diseño de las instalaciones de cableado, los cambios tardíos en el diseño de la aeronave serían más fáciles de gestionar, etc. ^{[ 45 ]}

Un sistema de control de vuelo más reciente, llamado sistema de control de vuelo inteligente (IFCS), es una extensión de los modernos sistemas de control de vuelo digitales fly-by-wire. El objetivo es compensar de forma inteligente los daños y fallos de la aeronave durante el vuelo, como el uso automático del empuje del motor y otros sistemas de aviónica para compensar fallos graves como la pérdida de la hidráulica, la pérdida del timón, la pérdida de los alerones, la pérdida de un motor, etc. Se realizaron varias demostraciones en un simulador de vuelo donde un piloto de aeronaves pequeñas entrenado por Cessna aterrizó con éxito un concepto de avión a reacción de tamaño real gravemente dañado, sin experiencia previa con aviones a reacción de fuselaje grande. Este desarrollo está siendo liderado por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA . ^{[ 46 ]} Se informa que las mejoras son principalmente actualizaciones de software para los sistemas de control de vuelo digitales fly-by-wire totalmente computarizados existentes. Los aviones ejecutivos Dassault Falcon 7X y Embraer Legacy 500 tienen computadoras de vuelo que pueden compensar parcialmente los escenarios de falla de motor ajustando los niveles de empuje y las entradas de control, pero aún requieren que los pilotos respondan adecuadamente. ^{[ 47 ]}