¿Puede el sistema fly-by-wire de un avión moderno manejar una condición inestable?

De acuerdo con esta respuesta , los aviones de línea/aviones grandes de pasajeros como un A320 están diseñados de tal manera que son longitudinalmente estables estáticamente en condiciones normales de vuelo.

¿Qué pasaría si, por alguna razón, el centro de gravedad se desplazara repentinamente justo detrás del punto neutral ? ¿Podría el sistema FBW de (por ejemplo) un Airbus manejar esto, al igual que el FBW de un avión de combate que es inestable por diseño?

Por supuesto, no estoy hablando de una situación en la que el cg termina tan atrás que la aeronave entra en pérdida profunda, sino de una condición justo "después" de la estabilidad neutral, donde la aeronave se ha vuelto "ligeramente inestable".

Si el tiempo de reacción del FCS es significativamente más corto que el modo de período corto de la aeronave, entonces sí.
¿Cuál será probablemente el caso, verdad? ¿O no es posible asumir esto en general?
La primera implementación del sistema fly by wire en una aeronave real fue el X31, que era un avión de combate experimental. en.wikipedia.org/wiki/Rockwell-MBB_X-31 Dado que los luchadores necesitan agilidad , son aerodinámicamente inestables para permitir altas velocidades de giro y velocidad.
Sí, incluso cuando la aeronave se encuentra en la región de estabilidad estática positiva, hay perturbaciones constantes que cambiarían la actitud de cabeceo de la aeronave y el AOA alejándolos del cabeceo deseado/programado. En el F-4 teníamos sistemas de aumento de actitud en los tres ejes, cabeceo, balanceo y guiñada, que, cuando detectaban pequeñas desviaciones, ingresaban los controles de vuelo para corregirlas. Se eliminó efectivamente la desviación de actitud. Los sistemas FBW funcionarían de manera similar y serían aún más efectivos en cualquier región de estabilidad estática, independientemente de las características de estabilidad dinámica de la aeronave.
Por lo general, llamamos a esto "robustez", básicamente la capacidad de un sistema de control para controlar algo fuera de especificación. Por ejemplo, si su objetivo tiene sobrepeso, poca potencia, o está desequilibrado, o es más o menos estable de lo esperado. Algunos sistemas están diseñados para ser súper robustos, otros lo son menos. Todo depende de todo tipo de compensaciones.
Entonces, todos antes de responder esta pregunta, tengan en cuenta que esta pregunta no se trata de controlar objetivos inestables, sino de objetivos con dinámicas cambiantes impredecibles e incluso inmedibles, y centren la respuesta en el lado adaptable y robusto del sistema de control.
El mejor lugar para probarlo sería un simulador de vuelo completo. Solo probé un avión con inestabilidad estática en un simulador doméstico con una física decente y era un avión de pasajeros grande y pude controlarlo manualmente después de un poco de práctica. Por lo tanto, mi predicción sería que mientras el FBW no cree una oscilación en el cabeceo o ajuste del cabeceo, debería ayudar a la estabilidad.
Un avión ligeramente inestable puede volar incluso sin FBW (ejemplo: Wright Flyer).

Respuestas (2)

Sí, puede, hasta cierto punto, dependiendo de:

  • cantidad de cambio de CG;
  • velocidad aerodinámica;
  • peso de la aeronave (en realidad Momento de Inercia);
  • tasa máxima de deflexión de elevadores/alerones.

Si el fuselaje tiene estabilidad estática aerodinámica, una perturbación en el ángulo de ataque crea fuerzas aerodinámicas que devuelven la actitud del avión a la posición neutral. Si el centro de gravedad se desplaza hacia atrás del punto neutral, la estructura del avión se vuelve estáticamente inestable: las fuerzas aerodinámicas ahora quieren amplificar la perturbación. Los giroscopios de velocidad en el sistema fly-by-wire detectan que la actitud se desvía de la actitud comandada y desvían los elevadores / alerones de manera que la aeronave regresa.

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Cantidad de desplazamiento del CG La capacidad del sistema de control de vuelo para corregir el equilibrio inestable depende del grado de inestabilidad: la curvatura de la copa derecha en la imagen de arriba.

La desviación de la velocidad aerodinámica de los elevadores y alerones genera momentos aerodinámicos proporcionales a V 2 . A velocidades aerodinámicas altas, una pequeña desviación da como resultado un gran momento sobre el centro de gravedad: la situación crítica es la velocidad aerodinámica baja, que ocurre principalmente cerca del suelo. A bajas velocidades aerodinámicas se requieren grandes desviaciones.

Peso de la aeronave Si la aeronave tiene un peso bruto alto y si este peso se distribuye lejos del CoG, se requieren mayores desviaciones de control para corregir las perturbaciones en el AoA. Una bola de bolos más pesada en la imagen de arriba hace que se requieran fuerzas más altas.

Tasa máxima de deflexión de elevadores/alerones La respuesta de frecuencia de los sistemas de control de vuelo es una función de qué tan rápido se pueden llevar las superficies de control a la posición requerida, y esta es una función de la tasa de suministro de fluido hidráulico: la capacidad adicional de todos los controles operativos. bombas hidraulicas

El F-16 está diseñado para corregir rápidamente cualquier perturbación de la actitud comandada, en cualquier situación de vuelo. Todos los sistemas están dimensionados de tal manera que aún se puede proporcionar estabilidad artificial a la velocidad aerodinámica más baja y el MOI más alto que puede encontrar la aeronave. El A320 no está diseñado con un sistema FBW crítico para el vuelo: si todos los sistemas fallan, la aeronave vuelve a un estado de estabilidad estática aerodinámica. Si el sistema FBW falla en un F-16, el piloto debe expulsar.

"El A320 no está diseñado con un sistema FBW crítico para el vuelo; si todos los sistemas fallan, la aeronave vuelve a un estado de estabilidad estática aerodinámica". Sin embargo, ¿qué sucede si ocurre una condición inestable debido a un cambio en cg al mismo tiempo que falla el sistema FBW? ¿Podría el piloto todavía volarlo a mano?
Eso también es algo gradual, depende del grado de inestabilidad. Un piloto puede proporcionar entradas correctivas activas si la inestabilidad no es demasiado rápida y violenta, como la inestabilidad en un helicóptero en vuelo estacionario que tiene un período de tiempo típico de decenas de segundos. Sin embargo, cuesta acostumbrarse y sería agotador hacerlo durante períodos más largos.

La palabra manejar aquí está bastante cargada. Creo que su pregunta es si un avión FBW de categoría de transporte comercial es capaz de mantener un vuelo nivelado para CG estáticamente inestable. Una mejor interpretación es si un piloto puede volar con seguridad dicha aeronave si el CG es inestable o casi inestable (a popa de la envolvente del CG publicada). Las respuestas a todas ellas, diría yo, son no .

En primer lugar, para estabilizar una aeronave estáticamente inestable se requiere una retroalimentación AOA en el bucle de cabeceo (ver BL Stevens y F. Lewis, Aircraft Control and Simulation). Para el avión comercial de categoría de transporte FBW con el que he trabajado, solo se retroalimentan la tasa de cabeceo y el ángulo de cabeceo. AOA y otras medidas se utilizan para programar la ganancia, pero no directamente en el bucle de tono. Sospecho que este es el caso de todos los FBW comerciales. La tasa de cabeceo, con programación de ganancia, suele ser suficiente para aumentar la calidad de manejo para configuraciones de estabilidad relajada (margen estático < 5%). Sospecho que mucho de esto tiene que ver con la tolerancia a fallas: si la medición de AOA no se compara o está deshabilitada, el avión debe seguir volando. Por lo tanto, los aviones con cabeceo inestable no son válidos para la Parte 25.

En segundo lugar, incluso si el CG es estable, pero lo suficientemente atrás de la envolvente del CG, es probable que el FBW no esté sintonizado para lograr la calidad de manejo necesaria para un vuelo seguro. Los modos longitudinales no estarían lo suficientemente amortiguados y es más probable que controle la sensibilidad. La situación empeora a medida que se acerca a la estabilidad neutral.

Pero el A320 también mide las aceleraciones, de lo contrario, ¿cómo podría volar una ley C*? También tiene una protección de ángulo de ataque, aunque no creo que realmente use el AOA para volarlo (tengo otra pregunta en curso sobre eso). Creo que también es un bucle de control de velocidad y tono (con dv/dt). ...
Me gustaría pensar en el C* como un comando de seguimiento y fuera del aumento de estabilidad (SAS). Sin embargo, sin comprender en profundidad las leyes del A320, no quiero suponer su retroalimentación y su efecto en configuraciones estáticamente inestables.
¿Puede el sistema fly-by-wire de un avión moderno manejar una condición inestable?
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