نظام التحكم الإلكتروني

يمكن أن تكون الطائرات ذات نظام التحكم الإلكتروني (Fly-by-wire) أخف وزنًا من الطائرات ذات التصميم المماثل المزودة بأنظمة تحكم تقليدية. ويعود ذلك جزئيًا إلى انخفاض الوزن الإجمالي لمكونات النظام، وجزئيًا إلى إمكانية تخفيف الاستقرار الطبيعي للطائرة (بشكل طفيف في طائرات النقل، وبشكل أكبر في الطائرات المقاتلة عالية المناورة)، مما يسمح بتصغير أسطح الاستقرار المكونة لهيكل الطائرة. وتشمل هذه الأسطح المثبتات الرأسية والأفقية (الزعنفة والذيل ) الموجودة (عادةً) في الجزء الخلفي من جسم الطائرة . ويؤدي تصغير هذه الهياكل إلى تقليل وزن هيكل الطائرة. وقد استُغلت مزايا أنظمة التحكم الإلكتروني أولًا من قِبل الجيش، ثم في سوق الطيران التجاري. واستخدمت طائرات إيرباص، بدءًا من سلسلة A320، نظام التحكم الإلكتروني الكامل (انظر: التحكم في طيران A320 ، على الرغم من وجود بعض وظائف التحكم الإلكتروني المحدودة في طائرات A310). ^{[ 6 ]} وحذت بوينغ حذوها في طائراتها 777 والتصاميم اللاحقة.

يُصدر الطيار أوامره إلى حاسوب التحكم في الطيران لتنفيذ إجراء معين، كرفع مقدمة الطائرة أو إمالتها إلى أحد الجانبين، وذلك بتحريك عمود التحكم أو عصا التحكم الجانبية . ثم يحسب حاسوب التحكم في الطيران حركات أسطح التحكم اللازمة لتنفيذ هذا الإجراء، ويُصدر هذه الأوامر إلى وحدات التحكم الإلكترونية لكل سطح. ^{[ 1 ]} تستقبل وحدات التحكم في كل سطح هذه الأوامر، ثم تُحرك المحركات المتصلة بسطح التحكم حتى يصل إلى الموضع الذي أمر به حاسوب التحكم في الطيران. وتقيس وحدات التحكم موضع سطح التحكم في الطيران باستخدام مستشعرات مثل محولات الإزاحة الخطية التفاضلية (LVDTs) . ^{[ 7 ]}

تتيح أنظمة التحكم الإلكترونية للطائرات لأجهزة الكمبيوتر أداء مهامها دون تدخل الطيار. وتعمل أنظمة الاستقرار التلقائي بهذه الطريقة. تُركّب الجيروسكوبات وأجهزة الاستشعار ، مثل مقاييس التسارع، في الطائرة لاستشعار الدوران على محاور الميل والدوران والانعراج . أي حركة (مثل الطيران المستقيم والمستوي) تُرسل إشارات إلى الكمبيوتر، الذي يُحرّك تلقائيًا مشغلات التحكم لتحقيق استقرار الطائرة. ^{[ 3 ]}

اعتمدت إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية (FAA) معيار RTCA / DO-178C ، بعنوان "اعتبارات البرمجيات في اعتماد أنظمة ومعدات الطيران"، كمعيار اعتماد لبرمجيات الطيران. يجب اعتماد أي مكون بالغ الأهمية للسلامة في نظام التحكم الرقمي بالطيران، بما في ذلك تطبيقات قوانين الطيران وأنظمة تشغيل الحاسوب، وفقًا لمعيار DO-178C من المستوى A أو B، حسب فئة الطائرة، وذلك لمنع الأعطال الكارثية المحتملة. ^{[ 28 ]}

مع ذلك، فإنّ أهمّ ما يُشغل بال أنظمة التحكم الإلكترونية الرقمية المحوسبة هو الموثوقية، بل وأكثر من أنظمة التحكم الإلكترونية التناظرية. ويعود ذلك إلى أنّ الحواسيب الرقمية التي تُشغّل البرامج غالبًا ما تكون قناة التحكم الوحيدة بين الطيار وأسطح التحكم في الطائرة . فإذا تعطل برنامج الحاسوب لأيّ سبب، قد يعجز الطيار عن التحكم في الطائرة. ولذلك، فإنّ جميع أنظمة التحكم الإلكترونية تقريبًا مُزوّدة بأنظمة حاسوب وإلكترونيات احتياطية ثلاثية أو رباعية . إذ تحتوي هذه الأنظمة على ثلاثة أو أربعة حواسيب للتحكم في الطيران تعمل بالتوازي، وثلاثة أو أربعة ناقلات بيانات منفصلة تربطها بكل سطح تحكم. ^{[ 29 ]}

تراقب أجهزة التحكم في الطيران المتعددة والمتكررة مخرجات بعضها البعض باستمرار. إذا بدأ أحد هذه الأجهزة بإصدار نتائج شاذة لأي سبب، بما في ذلك أعطال البرامج أو الأجهزة أو بيانات الإدخال الخاطئة، فإن النظام المدمج مصمم لاستبعاد نتائج ذلك الجهاز عند تحديد الإجراءات المناسبة للتحكم في الطيران. بناءً على تفاصيل النظام، قد يكون من الممكن إعادة تشغيل جهاز التحكم في الطيران الذي يُصدر نتائج شاذة، أو إعادة دمج مدخلاته إذا عادت إلى التوافق. توجد منطق معقد للتعامل مع الأعطال المتعددة، والتي قد تدفع النظام إلى العودة إلى أوضاع النسخ الاحتياطي الأبسط. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

بالإضافة إلى ذلك، احتوت معظم الطائرات الرقمية المبكرة ذات نظام التحكم الإلكتروني على نظام تحكم احتياطي تناظري كهربائي أو ميكانيكي أو هيدروليكي. وكان مكوك الفضاء ، إلى جانب مجموعة الحواسيب الرقمية الأربعة الاحتياطية التي تشغل برنامج التحكم الأساسي، مزودًا بحاسوب احتياطي خامس يشغل نظام تحكم برمجي مُطور بشكل منفصل ذي وظائف محدودة، يمكن استدعاؤه لتولي زمام الأمور في حال حدوث عطل يؤثر على الحواسيب الأربعة الأخرى. وقد ساهم هذا النظام الاحتياطي في تقليل مخاطر تعطل نظام التحكم بالكامل نتيجة عطل في برنامج التحكم العام لم يُكتشف في الحواسيب الأربعة الأخرى. ^{[ 1 ] [ 26 ]}

بالنسبة للطائرات التجارية، يُحسّن وجود أنظمة تحكم احتياطية سلامة الطيران، كما تُحسّن أنظمة التحكم الإلكترونية (Fly-by-wire)، الأخف وزنًا والأقل تطلبًا للصيانة من أنظمة التحكم التقليدية، من كفاءة استهلاك الوقود، سواءً من حيث تكلفة الملكية أو كفاءة استهلاك الوقود أثناء الطيران. في بعض التصاميم ذات الاستقرار المحدود في محور الميل، مثل طائرة بوينغ 777، قد يسمح نظام التحكم في الطيران للطائرة بالتحليق بزاوية هجوم أكثر كفاءة من الناحية الديناميكية الهوائية مقارنةً بالتصميمات التقليدية المستقرة. تتميز الطائرات التجارية الحديثة أيضًا بأنظمة تحكم رقمية كاملة ( FADEC ) مُحوسبة تتحكم في محركاتها، ومداخل الهواء، ونظام تخزين وتوزيع الوقود، بطريقة مشابهة لكيفية تحكم نظام التحكم الإلكتروني (FBW) في أسطح التحكم في الطيران. وهذا يسمح بتغيير خرج المحرك باستمرار لتحقيق أقصى كفاءة ممكنة. ^{[ 30 ]}

حققت عائلة طائرات إمبراير إي-جيت من الجيل الثاني تحسناً في الكفاءة بنسبة 1.5% مقارنة بالجيل الأول بفضل نظام التحكم الإلكتروني بالطيران، مما أتاح تقليل مساحة المثبت الأفقي  من 280 قدم مربع إلى 250  قدم مربع في طرازات E190/195. ^{[ 31 ]}

تختلف شركتا إيرباص وبوينغ في نهجهما لتطبيق أنظمة التحكم الإلكتروني في الطائرات التجارية. فمنذ طائرة إيرباص A320 ، تحتفظ أنظمة التحكم في مجال الطيران في طائرات إيرباص بالسيطرة الكاملة على الطيران عند الطيران وفقًا لقواعد الطيران العادية، ولا تسمح للطيارين بتجاوز حدود أداء الطائرة إلا إذا اختاروا الطيران وفقًا لقواعد بديلة. ^{[ 32 ]} وقد استمر العمل بهذه الاستراتيجية في طائرات إيرباص اللاحقة. ^{[ 33 ] [ 34 ]} ومع ذلك، في حالة حدوث أعطال متعددة في أجهزة الكمبيوتر الاحتياطية، فإن طائرة A320 مزودة بنظام احتياطي ميكانيكي لضبط زاوية ميل الطائرة ودفة التوجيه، بينما تحتوي طائرة إيرباص A340 على نظام تحكم احتياطي كهربائي بالكامل (وليس إلكترونيًا) لدفة التوجيه، وبدءًا من طائرة A380، أصبحت جميع أنظمة التحكم في الطيران مزودة بأنظمة احتياطية كهربائية بالكامل من خلال استخدام "وحدة تحكم احتياطية ثلاثية المحاور" (BCM). ^{[ 35 ]}

تسمح طائرات بوينغ، مثل طائرة بوينغ 777 ، للطيارين بتجاوز نظام التحكم في الطيران المحوسب بشكل كامل، مما يسمح للطائرة بالتحليق خارج نطاق التحكم المعتاد في الطيران.

• كانت طائرة الكونكورد أول طائرة إنتاجية تعمل بنظام التحكم الإلكتروني (fly-by-wire) مع نظام تحكم تناظري.
• كانت طائرة جنرال دايناميكس إف-16 أول طائرة إنتاجية تستخدم أنظمة التحكم الرقمية السلكية. ^{[ 36 ]}
• كان لمركبة مكوك الفضاء نظام تحكم رقمي بالكامل يعمل بنظام التحكم السلكي. وقد تم اختبار هذا النظام لأول مرة (كنظام التحكم الوحيد في الطيران) خلال اختبارات الاقتراب والهبوط غير المزودة بمحركات والتي بدأت مع مكوك الفضاء إنتربرايز خلال عام 1977. ^{[ 37 ]}
• بدأت طائرة إيرباص A320 التابعة لشركة إيرباص للصناعات إنتاجها خلال عام 1984، لتصبح أول طائرة ركاب تحلق بنظام تحكم رقمي بالكامل يعمل بنظام التحكم السلكي. ^{[ 38 ]}
• مع إطلاقها في عام 1993، أصبحت طائرة بوينغ سي-17 غلوب ماستر 3 أول طائرة نقل عسكرية تعمل بنظام التحكم الإلكتروني. ^{[ 39 ]}
• في عام 2005، أصبحت طائرة داسو فالكون 7X أول طائرة رجال أعمال مزودة بنظام تحكم إلكتروني. ^{[ 40 ]}
• تم دمج نظام تحكم رقمي كامل بدون حلقة تغذية راجعة مغلقة في الجيل الأول من عائلة طائرات إمبراير إي-جيت عام 2002. وبفضل إغلاق الحلقة (التغذية الراجعة)، حقق الجيل الثاني من عائلة طائرات إمبراير إي-جيت تحسناً في الكفاءة بنسبة 1.5% عام 2016. ^{[ 31 ]}

يُستخدم نظام التحكم البصري أحيانًا بدلًا من نظام التحكم السلكي نظرًا لما يوفره من معدل نقل بيانات أعلى، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي، ووزن أخف. في معظم الحالات، يتم استبدال الكابلات الكهربائية بكابلات الألياف الضوئية . ويُشار إليه أحيانًا باسم "التحكم الضوئي" نظرًا لاستخدامه الألياف الضوئية. ^{[ 42 ]} تبقى البيانات التي يُولدها البرنامج ويُفسرها المتحكم كما هي. يُقلل نظام التحكم الضوئي من التشويش الكهرومغناطيسي على أجهزة الاستشعار مقارنةً بأنظمة التحكم السلكية الأكثر شيوعًا. تُعد طائرة كاواساكي P-1 أول طائرة إنتاجية في العالم مُجهزة بنظام تحكم طيران من هذا النوع. ^{[ 43 ]}

بعد الاستغناء عن دوائر النقل الميكانيكية في أنظمة التحكم الإلكتروني بالطيران، تتمثل الخطوة التالية في استبدال الدوائر الهيدروليكية الضخمة والثقيلة بدوائر طاقة كهربائية. تُشغّل هذه الدوائر مشغلات كهربائية أو كهروهيدروليكية مستقلة، يتم التحكم بها بواسطة حواسيب التحكم الرقمي بالطيران. وتُحفظ جميع مزايا نظام التحكم الإلكتروني الرقمي بالطيران، لأن مكونات نظام الطاقة الإلكترونية تُكمّل مكونات نظام التحكم الإلكتروني بالطيران بشكل كامل.

تتمثل أهم المزايا في توفير الوزن، وإمكانية وجود دوائر طاقة احتياطية، وتكامل أفضل بين أنظمة التحكم في الطيران وأنظمة إلكترونيات الطيران في الطائرة. كما أن غياب النظام الهيدروليكي يقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة. يُستخدم هذا النظام في طائرة لوكهيد مارتن إف-35 لايتنينغ 2 وفي أنظمة التحكم الاحتياطية في طائرة إيرباص إيه 380. وتتضمن طائرتا بوينغ 787 وإيرباص إيه 350 أيضًا أنظمة تحكم احتياطية تعمل بالطاقة الكهربائية، وتظل هذه الأنظمة فعّالة حتى في حالة انقطاع الطاقة الهيدروليكية بالكامل. ^{[ 44 ]}

تُضيف الأسلاك وزنًا كبيرًا للطائرة؛ لذا، يبحث الباحثون في إمكانية تطبيق حلول التحكم اللاسلكي. تُشبه أنظمة التحكم اللاسلكي أنظمة التحكم السلكي، إلا أنها تستخدم بروتوكولًا لاسلكيًا بدلًا من بروتوكول سلكي للطبقة الفيزيائية .

إضافةً إلى تقليل الوزن، يُمكن لتطبيق حلول لاسلكية أن يُخفّض التكاليف طوال دورة حياة الطائرة. فعلى سبيل المثال، سيتم التخلص من العديد من نقاط الضعف الرئيسية المرتبطة بالأسلاك والموصلات، مما يُقلل ساعات العمل اللازمة لتشخيص أعطالها. علاوةً على ذلك، يُمكن أن تنخفض تكاليف الهندسة نظرًا لانخفاض الوقت المُستغرق في تصميم تركيبات الأسلاك، وسهولة إدارة التغييرات اللاحقة في تصميم الطائرة، وغير ذلك. ^{[ 45 ]}

يُعد نظام التحكم الذكي بالطيران (IFCS) نظامًا حديثًا للتحكم بالطيران ، وهو امتداد لأنظمة التحكم الرقمي الحديثة التي تعمل بتقنية التحكم السلكي. يهدف هذا النظام إلى التعويض الذكي عن أضرار الطائرة وأعطالها أثناء الطيران، وذلك من خلال استخدام قوة دفع المحرك وأنظمة إلكترونيات الطيران الأخرى تلقائيًا للتعويض عن الأعطال الجسيمة كفقدان النظام الهيدروليكي، أو الدفة، أو الجنيحات، أو أحد المحركات، وما إلى ذلك. وقد أُجريت عدة تجارب عملية على جهاز محاكاة طيران ، حيث نجح طيارٌ مُدرَّب على طائرات سيسنا الصغيرة في هبوط طائرة نفاثة نموذجية كاملة الحجم متضررة بشدة، دون أن يمتلك خبرة سابقة في قيادة الطائرات النفاثة الكبيرة. ويقود مركز درايدن لأبحاث الطيران التابع لناسا هذا التطوير . ^{[ 46 ]} وتشير التقارير إلى أن التحسينات تتمثل في الغالب في ترقيات برمجية لأنظمة التحكم الرقمي الحالية التي تعمل بتقنية التحكم السلكي. تحتوي طائرات رجال الأعمال داسو فالكون 7X وإمبراير ليجاسي 500 على أجهزة كمبيوتر طيران يمكنها التعويض جزئيًا عن حالات تعطل المحرك عن طريق تعديل مستويات الدفع ومدخلات التحكم، ولكنها لا تزال تتطلب من الطيارين الاستجابة بشكل مناسب. ^{[ 47 ]}