Conceptos básicos del FBW

Los sistemas de vuelo por cable son bastante complejos, pero su funcionamiento puede explicarse en términos simples. Cuando un piloto mueve la columna de control (o palanca lateral), se envía una señal a un ordenador (muy parecido a lo que hacemos al jugar en una videoconsola con un controlador de juego), la señal se envía a través de múltiples cables (a los que llamamos canales) para garantizar que la señal llegue al ordenador. Hablamos de un sistema "Triplex" cuando se utilizan tres canales. En un sistema analógico, el ordenador recibe las señales, realiza un cálculo (agrega los voltajes de las señales y las divide por el número de señales recibidas para encontrar el voltaje promedio) y luego agrega otro canal. Estas cuatro señales "Cuádruplex" se envían al actuador de la superficie de control y la superficie comienza a moverse. 

Los potenciómetros y transductores en el actuador envían una señal de regreso al ordenador (generalmente un voltaje negativo) informando sobre la posición del actuador. Cuando el actuador alcanza la posición deseada, las dos señales (entrantes y salientes) se cancelan entre sí y el actuador deja de moverse (completando un circuito de retroalimentación).

Esquema de retroalimentación de una entrada y una salida simplificado.

En un sistema de control de vuelo digital de vuelo por cable, un complejo software interpreta las señales digitales de los sensores de entrada de control del piloto y realiza cálculos basados ​​en las leyes de control de vuelo programadas en los ordenadores de control de vuelo junto con las entradas de las unidades de referencia inercial (IRS) y los datos del aire del ADC junto con otros sensores. Luego, el ordenador manda una señal a las superficies de control de vuelo para que adopten una configuración que logre la actitud de vuelo deseada. 

Sistemas de estabilidad automáticos 

Los sistemas de control de vuelo por cable permiten que los ordenadores de la aeronave realicen tareas sin intervención del piloto. Los sistemas automáticos de estabilidad funcionan de esta manera. Los giroscopios equipados con sensores (acelerómetros) están montados en una posición calculada de la aeronave para detectar cambios de movimiento en los ejes de cabeceo, alabeo y guiñada. Cualquier movimiento (desde un vuelo recto y nivelado, por ejemplo) genera señales en el ordenador, que mueve automáticamente los actuadores de control para estabilizar la aeronave. 

Seguridad y redundancia Los sistemas de la aeronaves pueden utilizar un sistema cuadruplex ​​(el uso de cuatro canales independientes) para evitar la pérdida de señales en caso de falla de uno o incluso dos canales. Las aeronaves de alto rendimiento que tienen controles FBW (también llamados CCV o vehículos configurados por control) pueden diseñarse deliberadamente para tener una estabilidad baja (se suele denominar relajada) o incluso negativa en algunos regímenes de vuelo, los controles CCV de reacción rápida compensan la falta de estabilidad natural. Las comprobaciones de seguridad previas al vuelo de un sistema de vuelo por cable a menudo se realizan utilizando el equipo de prueba incorporado (BITE o Built in Tets equipment), en muchos aviones esto ocurre automáticamente después de aplicar corriente al avión. Al programar el sistema, ya sea por parte del piloto o el equipo de tierra, se realizan automáticamente una serie de pasos de movimiento de control. Cualquier error o fallo será indicado a las tripulaciones. Algunos aviones, el Panavia Tornado, por ejemplo, conservan un sistema de respaldo hidromecánico muy básico para una tener capacidad de control de vuelo limitada en caso de perder la energía eléctrica, en el caso del Tornado esto permite un control rudimentario de los estabilizadores solo para movimientos en los ejes de cabeceo y alabeo. 

Ahorro de peso 

Un avión FBW puede ser más liviano que un diseño similar con controles convencionales. En parte debido al menor peso total de los componentes del sistema; y en parte porque la estabilidad natural de la aeronave se puede relajar ligeramente en un avión comercial y mucho más en un caza maniobrable, lo que significa que las superficies de estabilidad que forman parte de la estructura de la aeronave se pueden hacer bastante más pequeñas. Estas superficies incluyen los estabilizadores verticales y horizontales que están (normalmente) en la parte trasera del fuselaje. Si estas estructuras pueden reducirse de tamaño, se reduce el peso del fuselaje. 

Las ventajas de los controles FBW fueron explotadas primero por los militares y más tarde en el mercado de las líneas comerciales. Los aviones Airbus utilizaban controles FBW con autoridad total en su A320, aunque ya existían algunas funciones FBW limitadas en los A310. Boeing introdujo el FBW en sus diseños 777 y posteriores. Los sistemas electrónicos de vuelo por cable pueden responder de manera flexible a las condiciones aerodinámicas cambiantes, adaptando los movimientos de la superficie de control de vuelo para que la respuesta de la aeronave a las entradas de control sea apropiada para las condiciones de vuelo. 

Los sistemas electrónicos requieren menos mantenimiento, mientras que los sistemas mecánicos e hidráulicos requieren lubricación, ajustes de tensión, verificaciones de fugas, cambios de fluidos, etc. La colocación de circuitos eléctricos/electrónicos entre el piloto y la aeronave puede mejorar la seguridad. Por ejemplo, el sistema de control puede intentar evitar una pérdida, o puede evitar que el piloto sobrecargue la estructura del avión en una maniobra brusca. La principal preocupación con los sistemas fly-by-wire es la fiabilidad. Si bien los sistemas tradicionales de control mecánico o hidráulico generalmente fallan o se degradan gradualmente, la pérdida de todos los ordenadores de control de vuelo podría hacer que la aeronave se vuelva incontrolable de inmediato. Por esta razón, la mayoría de los sistemas de vuelo por cable incorporan redundancia de ordenadores (triplex, quadruplex, etc.), algún tipo de respaldo mecánico o hidráulico o una combinación de ambos. Un avión FBW moderno normalmente evita tales combinaciones al tener múltiples canales FBW independientes, reduciendo así la posibilidad de fallo general a niveles tan bajos que son aceptables para la obtención del certificado de aeronavegabilidad que emite la autoridad reguladora y de seguridad, responsable del diseño, prueba y certificación de la aeronave antes del servicio operativo. 

Sistemas analógicos 

Todos los sistemas de control de vuelo "fly by wire" eliminan la complejidad, la fragilidad y el peso de los sistemas mecánicos y los de sistemas de control de vuelo hidromecánicos o electromecánicos anteriores. Los sistemas de vuelo por cable reemplazaron poco a poco a los sistemas mecánicos más antiguos, incorporando funciones limitadas hasta llegar al control total. Los modernos mecanismos de control en la cabina operan transductores de señal, que a su vez generan órdenes en formato electrónico. Estas órdenes eléctricas son procesadas ​​a continuación por un controlador electrónico, ya sea analógico o digital. Los pilotos automáticos de las aeronaves son hoy en día partes integrales del controlador electrónico (AFCS o Auto Flight Coontrol System). Los circuitos hidráulicos son similares, excepto que las servoválvulas mecánicas de los primeros modelos se reemplazan por servoválvulas controladas eléctricamente, operadas por el controlador electrónico. 

Esta es la configuración más simple de un sistema de control de vuelo analógico fly-by-wire de primera generación. En esta configuración, los sistemas de control de vuelo simulan "sentir" las fuerzas y los inputs. 

El controlador electrónico se encarga de los dispositivos de “sensación” eléctrica que proporcionan las fuerzas apropiadas en los controles manuales que maneja el piloto. Este sistema ya se utilizó en el Concorde. En versiones más sofisticadas, los ordenadores analógicos reemplazaron al controlador electrónico. El interceptor supersónico canadiense de los años 50, el Avro Canada CF-105 Arrow, empleó también este tipo de sistema. Los ordenadores analógicos también permitieron cierta personalización de las características de control de vuelo, incluida la estabilidad relajada. Esto fue explotado en las primeras versiones del F-16, dándole una maniobrabilidad impresionante. 

Sistemas digitales 

El Airbus A320 fue el primer avión con controles digitales de vuelo por cable completos. Un sistema digital de control de vuelo fly-by-wire es similar a su homólogo analógico. Sin embargo, el procesamiento de la señal se realiza por medio de ordenadores digitales y el piloto literalmente puede "volar por ordenador". Esto también aumenta la flexibilidad del sistema de control de vuelo, ya que los ordenadores digitales pueden recibir información de cualquier sensor de la aeronave (como el altímetro y los tubos de Pitot). Esto también aumenta la estabilidad electrónica, porque el sistema depende menos de los valores de los componentes eléctricos críticos en un controlador analógico. 

Los ordenadores detectan todas las entradas de posición y fuerza de los controles del piloto y los sensores de la aeronave. Resuelven ecuaciones diferenciales para determinar las señales de ordenes apropiadas que mueven los controles de vuelo para ejecutar las intenciones del piloto. La programación de los ordenadores digitales también permite la protección de la envolvente de vuelo. En este avión, los diseñadores adaptan con precisión las características de manejo de un avión para mantenerse dentro de los límites generales de lo que es posible, dada la aerodinámica y la estructura del avión. 

Por ejemplo, los ordenadores en modo de protección de envolvente de vuelo pueden tratar de evitar que la aeronave se comporte peligrosamente evitando que los pilotos excedan los límites preestablecidos en la envolvente de control de vuelo de la aeronave, como por ejemplo la evitación de pérdidas en virajes con gran alabeo, además de limitar el vuelo a grandes velocidades y fuerzas g desmesuradas que pudieran dañar el avión. También se puede incluir un software que estabilice las entradas de control de vuelo para evitar oscilaciones inducidas por el piloto (PIO). Como los ordenadores de control "vuelan" continuamente la aeronave, la carga de trabajo del piloto, puede reducirse mucho para que este se pueda concentrar en otras tareas.

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https://www.bubok.es/libros/263538/Los-secretos-del-FlyByWire