Система управления полетом

Система управления полетом ( FMS ) является фундаментальным компонентом авиалайнера современного авионики . FMS — это специализированная компьютерная система, которая автоматизирует широкий спектр задач в полете, снижая нагрузку на летный экипаж до такой степени, что современные гражданские самолеты больше не имеют бортинженеров или штурманов . Основной функцией является управление планом полета в полете. Используя различные датчики (такие как GPS и INS , часто подкрепленные радионавигацией ) для определения положения самолета, FMS может направлять самолет по плану полета. Из кабины FMS обычно управляется через блок дисплея управления (CDU), который включает в себя небольшой экран и клавиатуру или сенсорный экран. FMS отправляет план полета для отображения в электронную систему пилотажных приборов (EFIS), навигационный дисплей (ND) или многофункциональный дисплей (MFD). FMS можно резюмировать как двойную систему, состоящую из компьютера управления полетом (FMC) , CDU и перекрестной шины.

Современная FMS была представлена на Боинге 767 , хотя более ранние навигационные компьютеры существовали. ^{[ 1 ]} Сейчас системы, подобные FMS, существуют на таких маленьких самолетах, как Cessna 182 . В своем развитии FMS имела много разных размеров, возможностей и средств управления. Однако некоторые характеристики являются общими для всех FMS.

База данных навигации

Все FMS содержат навигационную базу данных. База данных навигации содержит элементы, из которых строится план полета. Они определены стандартом ARINC 424 . База данных навигации (NDB) обычно обновляется каждые 28 дней, чтобы гарантировать актуальность ее содержимого. Каждая FMS содержит только подмножество данных ARINC/ AIRAC , соответствующее возможностям FMS.

NDB содержит всю информацию, необходимую для построения плана полета, включая:

Путевые точки/перекрестки
Воздушные трассы
Радионавигационные средства, включая дальномерное оборудование (DME), всенаправленный диапазон ОВЧ (VOR), ненаправленные маяки (NDB) и системы посадки по приборам (ILS).
Аэропорты
Взлетно-посадочные полосы
Стандартное вылет по приборам (SID)
Стандартное прибытие в терминал (STAR)
Схемы ожидания (только как часть IAP, хотя могут быть введены по команде УВД или по усмотрению пилота)
Процедура инструментального захода на посадку (IAP)

Путевые точки также могут определяться пилотом(ами) на маршруте или посредством ссылки на другие путевые точки с вводом места в форме путевой точки (например, VOR, NDB, ILS, аэропорт или путевая точка/перекресток).

План полета

План полета обычно определяется на земле перед вылетом либо пилотом небольших самолетов, либо профессиональным диспетчером авиалайнеров. Он вводится в FMS либо путем его ввода, выбора из сохраненной библиотеки общих маршрутов (маршруты компании), либо через канал передачи данных ACARS с диспетчерским центром авиакомпании.

Во время предполетной подготовки вводится другая информация, необходимая для управления планом полета. Сюда может входить информация о характеристиках, такая как полная масса, масса топлива и центр тяжести. Он будет включать высоты, включая начальную крейсерскую высоту. Для самолетов, не имеющих GPS , также требуется начальная позиция.

Пилот использует FMS для изменения плана полета в полете по разным причинам. Продуманная инженерная конструкция сводит к минимуму количество нажатий клавиш, чтобы минимизировать рабочую нагрузку пилота в полете и исключить любую вводящую в заблуждение информацию (опасно вводящую в заблуждение информацию). FMS также отправляет информацию о плане полета для отображения на навигационном дисплее (ND) электронной системы пилотажных приборов ( EFIS ). План полета обычно отображается в виде пурпурной линии с отображением других аэропортов, радиосредств и путевых точек.

Некоторые FMS могут рассчитывать специальные планы полета, часто для тактических требований, таких как схемы поиска, сближение, орбиты танкеров-заправщиков в полете и расчетные точки выпуска воздуха (CARP) для точных прыжков с парашютом.

Определение позиции

В полете основной задачей FMS является определение местоположения , т. е. определение местоположения самолета и точности этого положения. Простая FMS использует один датчик, обычно GPS, для определения местоположения. Но современные FMS используют как можно больше датчиков, таких как VOR, чтобы определить и подтвердить свое точное положение. Некоторые FMS используют фильтр Калмана для объединения положений различных датчиков в одно положение. Общие датчики включают в себя:

GPS-приемники авиационного качества выступают в качестве основного датчика, поскольку они обладают высочайшей точностью и целостностью.
Радиосредства, предназначенные для навигации самолетов, выступают в роли датчиков второго качества. К ним относятся;
- Сканирующее DME ( оборудование для измерения расстояния ), которое проверяет расстояния от пяти разных станций DME одновременно, чтобы определять одно положение каждые 10 секунд. ^{[ 2 ]}
- VOR ( всенаправленный радиодиапазон ОВЧ ), обеспечивающий пеленг. С помощью двух станций VOR можно определить положение самолета, но точность ограничена.
Инерциальные системы отсчета (IRS) используют кольцевые лазерные гироскопы и акселерометры для расчета положения самолета. Они очень точны и независимы от внешних источников. Авиалайнеры используют средневзвешенное значение трех независимых IRS для определения позиции «тройной смешанной IRS».

FMS постоянно сверяет различные датчики и определяет положение и точность одного самолета. Точность описывается как фактические навигационные характеристики (ANP) — круг, в котором самолет может находиться в любом месте, измеряемый диаметром в морских милях. Современное воздушное пространство имеет набор требуемых навигационных характеристик (RNP). Самолет должен иметь ANP меньше, чем RNP, чтобы работать в определенном воздушном пространстве на высоких высотах.

Руководство

Учитывая план полета и положение самолета, FMS рассчитывает курс следования. Пилот может следовать этому курсу вручную (так же, как следование по радиалу VOR) или автопилот можно настроить на следование по курсу.

Режим FMS обычно называется LNAV или боковая навигация для бокового плана полета и VNAV или вертикальная навигация для вертикального плана полета. VNAV обеспечивает целевые значения скорости, тангажа или высоты, а LNAV передает автопилоту команду управления по крену.

ВНАВ

Сложные самолеты, обычно авиалайнеры, такие как Airbus A320 или Boeing 737, а также другие самолеты с турбовентиляторными двигателями, имеют полноценную вертикальную навигацию ( VNAV ). Целью VNAV является прогнозирование и оптимизация вертикальной траектории. Наведение включает управление осью тангажа и управление дросселем.

Чтобы иметь необходимые для этого данные, FMS должна иметь комплексную модель полета и двигателя. Используя эту информацию, функция может создать прогнозируемую вертикальную траекторию по боковому плану полета. Производитель самолета обычно является единственным источником этой комплексной модели полета.

Вертикальный профиль строится FMS во время предполетной подготовки. Вместе с планом бокового полета он использует стартовую массу пустого самолета, массу топлива, центр тяжести и крейсерскую высоту. Первым шагом на вертикальном курсе является подъем на крейсерскую высоту. Вертикальные ограничения, такие как «На высоте 8000 или выше», присутствуют в некоторых путевых точках SID. Уменьшение тяги или набор высоты «FLEX» можно использовать на протяжении всего подъема, чтобы сэкономить двигатели. Каждый из них необходимо учитывать при составлении проекций вертикального профиля.

Внедрение точного VNAV сложно и дорого, но оно окупается экономией топлива, прежде всего в крейсерском режиме и снижении. В крейсерском режиме, когда большая часть топлива сгорает, существует несколько способов экономии топлива.

По мере сжигания топлива самолет становится легче и может летать выше, где сопротивление меньше. Этому способствуют ступенчатые подъемы или круизные подъемы. VNAV может определить, где должен произойти шаг или крейсерский набор высоты (при котором самолет непрерывно набирает высоту), чтобы минимизировать расход топлива.

Оптимизация производительности позволяет FMS определить наилучшую или наиболее экономичную скорость для горизонтального полета. Эту скорость часто называют скоростью ECON . Это основано на индексе стоимости, который вводится для определения веса между скоростью и топливной экономичностью . Индекс стоимости рассчитывается путем деления часовой стоимости эксплуатации самолета на стоимость топлива. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Как правило, индекс стоимости 999 обеспечивает максимально высокую скорость ECON без учета топлива, а индекс стоимости, равный нулю, дает максимальную экономию топлива, игнорируя при этом другие почасовые затраты, такие как расходы на техническое обслуживание и экипаж. Режим ECON — это скорость VNAV, используемая большинством авиалайнеров в крейсерском режиме.

RTA или требуемое время прибытия позволяет системе VNAV ориентироваться на прибытие в определенную точку маршрута в определенное время. Это часто полезно для планирования времени прибытия в аэропорт. В этом случае VNAV регулирует крейсерскую скорость или индекс стоимости, чтобы обеспечить соблюдение RTA.

Первое, что рассчитывает VNAV для снижения, — это вершина точки снижения (TOD). Это точка, с которой начинается эффективный и комфортный спуск. Обычно это предполагает снижение на холостом ходу, но для некоторых самолетов снижение на холостом ходу слишком крутое и неудобное. FMS рассчитывает TOD, «выполняя» снижение назад от приземления, захода на посадку и до крейсерского полета. Это делается с использованием плана полета, модели полета самолета и ветра при снижении. Для FMS авиакомпании это очень сложный и точный прогноз, для простого FMS (на небольших самолетах) его можно определить по «эмпирическому правилу», например траектории снижения в 3 градуса.

На основе TOD VNAV определяет четырехмерный прогнозируемый путь. Когда VNAV дает команду дроссельной заслонке перейти на холостой ход, самолет начинает снижение по траектории VNAV. Если прогнозируемый путь неверен или ветер на нисходящей траектории отличается от прогнозируемого, то воздушное судно не будет точно следовать по траектории. Самолет меняет угол наклона, чтобы сохранить траекторию. Поскольку дроссели находятся на холостом ходу, это будет модулировать скорость. Обычно FMS позволяет скорости изменяться в небольшом диапазоне. После этого либо дроссели выдвигаются вперед (если самолет находится ниже траектории), либо FMS запрашивает скоростное торможение с сообщением, часто «ТРЕБУЕТСЯ ПЕРЕСЫЛКА» (если самолет находится выше траектории). На самолетах Airbus это сообщение также появляется на PFD. и, если самолет находится на очень высокой траектории, будет отображаться надпись «MORE DRAG». На самолетах Boeing, если самолет слишком далеко отклоняется от заданной траектории, он переключится с VNAV PTH (который следует расчетному маршруту) на VNAV SPD. (который снижается с максимально возможной скоростью, сохраняя выбранную скорость, аналогично OP DES (открытый спуск) на аэробусах.

Идеальный спуск на холостом ходу, также известный как «зеленый спуск», требует минимального расхода топлива, сводит к минимуму загрязнение окружающей среды (как на большой высоте, так и вблизи аэропорта) и минимизирует местный шум. Хотя большинство современных FMS крупных авиалайнеров способны снижаться на холостом ходу, большинство систем управления воздушным движением в настоящее время не могут обслуживать несколько самолетов, каждый из которых использует свой собственный оптимальный путь снижения в аэропорт. Таким образом, авиадиспетчерская служба сводит к минимуму использование спусков на холостом ходу.

См. также

Ссылки

^ Сэм Миллер и др. (2009). «Вклад пилотажных систем в навигацию, основанную на характеристиках» . Журнал «АЭРО» (34, кв. 2) . Проверено 31 декабря 2012 г.
^ Спитцер, Карл (2007). «20.2.1». Авионика, элемент, программное обеспечение и функции . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 20–6. ISBN 978-0-8493-8438-7 .
^ «AERO – Стратегии экономии топлива: объяснение индекса затрат» . www.boeing.com . Проверено 8 декабря 2018 г.
^ Airbus Industrie SE (май 1998 г.). «Как разобраться с индексом затрат» (PDF) . Cockpitseeker.com . Проверено 8 сентября 2018 г.

Дальнейшее чтение

ARINC 702A, усовершенствованная компьютерная система управления полетом
Авионика, элементы, программное обеспечение и функции, глава 20, Кэри Р. Спитцер, ISBN 0-8493-8438-9
Руководство пользователя FMC B737, глава 1, Билл Балфер, Leading Edge Libraries
Каснер, С.М. Путеводитель для пилота по кабине современной авиакомпании . Ньюкасл, Вашингтон, Авиационные материалы и научные исследования, 2007 г. ISBN 1-56027-683-5 .
Чаппелл, А.Р. и др. «Инструктор по VNAV: решение проблем с пониманием режима для пилотов самолетов со стеклянной кабиной». Транзакции IEEE по системам, человеку и кибернетике. Часть A, Системы и люди , том. 27, № 3, май 1997 г., стр. 372–385.

[1] Сэм Миллер и др. (2009). «Вклад пилотажных систем в навигацию, основанную на характеристиках» . Журнал «АЭРО» (34, кв. 2) . Проверено 31 декабря 2012 г.

[2] Спитцер, Карл (2007). «20.2.1». Авионика, элемент, программное обеспечение и функции . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 20–6. ISBN 978-0-8493-8438-7 .

[3] «AERO – Стратегии экономии топлива: объяснение индекса затрат» . www.boeing.com . Проверено 8 декабря 2018 г.

[4] Airbus Industrie SE (май 1998 г.). «Как разобраться с индексом затрат» (PDF) . Cockpitseeker.com . Проверено 8 сентября 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

v т и самолета Компоненты и системы
Airframe structure	Aft pressure bulkhead Cabane strut Canopy Crack arrestor Cruciform tail Dope Empennage Fabric covering Fairing Flying wires Former Fuselage Hardpoint Interplane strut Jury strut Leading edge Lift strut Longeron Nacelle Rib Spar Stabilizer Stressed skin Strut T-tail Tailplane Trailing edge Triple tail Twin tail V-tail Vertical stabilizer Wing root Wing tip Wingbox
Flight controls	Aileron Airbrake Artificial feel Autopilot Canard Centre stick Deceleron Dive brake Dual control Electro-hydraulic actuator Elevator Elevon Flaperon Flight control modes Fly-by-wire Gust lock HOTAS Rudder Rudder pedals Servo tab Side-stick Spoiler Spoileron Stabilator Stick pusher Stick shaker Trim tab Wing warping Yaw damper Yoke
Aerodynamic and high-lift devices	Active Aeroelastic Wing Adaptive compliant wing Anti-shock body Blown flap Channel wing Dog-tooth Drag-reducing aerospike Flap Gouge flap Gurney flap Krueger flap Leading-edge cuff Leading-edge droop flap LEX Slats Slot Stall strips Strake Variable-sweep wing Vortex generator Vortilon Wing fence Winglet
Avionic and flight instrument systems	ACAS Air data boom Air data computer Aircraft periscope Airspeed indicator Altimeter Annunciator panel Astrodome Attitude indicator Compass Course deviation indicator EFIS EICAS Flight management system Glass cockpit GPS Head-up display Heading indicator Horizontal situation indicator INS ISIS Multi-function display Pitot–static system Radar altimeter TCAS Transponder Turn and slip indicator Variometer Yaw string
Propulsion controls, devices and fuel systems	Autothrottle Drop tank FADEC Fuel tank Gascolator Inlet cone Intake ramp NACA cowling NACA duct Self-sealing fuel tank Splitter plate Throttle Thrust lever Thrust reversal Townend ring War emergency power Wet wing
Landing and arresting gear	Aircraft tire Arrestor hook Autobrake Conventional landing gear Drogue parachute Landing gear Landing gear extender Oleo strut Tricycle landing gear Tundra tire
Escape systems	Ejection seat Escape crew capsule
Other systems	Aircraft lavatory Auxiliary power unit Bleed air system Deicing boot Emergency oxygen system Environmental control system Flight recorder Hydraulic system Ice protection system In-flight entertainment system Landing lights Navigation light Passenger service unit Ram air turbine