מערכת בקרת טיסה

דוגמה לממשק ניהוג קלאסי של מטוס

מערכת בקרת טיסה של כלי טיס היא הממשק בין הטייס למשטחי ההיגוי המנהגים את המטוס בפועל. בתחילת הדרך של התפתחות כלי הטיס הייתה המערכת מורכבת מכבלים, גלגלות, מוטות סחף־דחף ורכיבים מכניים פשוטים המעבירים את פקודת הטייס למשטחי ההיגוי, אך במהלך ההיסטוריה של התעופה הפכה המערכת למורכבת יותר, וכיום היא מורכבת ממערכות הידראוליות ואלקטרוניות וגם משלבת טייס אוטומטי.

ממשק השליטה של הטייס

כדי לשלוט במטוס יש צורך בממשק פשוט ואינטואיטיבי אשר בעזרתו הטייס יוכל לנהג את המטוס. הממשק העיקרי כולל מוט היגוי אשר שולט בצירי הגלגול והעלרוד, דוושות האחראיות על ציר הסבסוב ומוט מצערת השולט בדחף של המנוע. הממשקים המשניים כוללים מגוון מפסקים ובוררים השולטים על כלל משטחי העזר ומערכות העזר כדוגמת לשוניות קיזוז, מדפי שפת התקפה ושפת זרימה, וטייס אוטומטי.

טוס־על־חוט

ערך מורחב – טוס־על־חוט

בעקבות התקדמות הטכנולוגיות בתחומי הבקרה, נוצרה האפשרות לתת למערכת יותר ויותר שליטה על ההטסה של המטוס כדי להקטין את עומס העבודה על הטייס, כך שהוא יוכל להתרכז במשימתו, בין אם היא להביא את המטוס שלו למצב ירי או פשוט לנווט מבלי להתרכז בהטסת המטוס. מערכת טוס־על־חוט בעצם הפכה לגורם המטיס והטייס הוא מעין משתמש המכוון את המטוס לכיוון שהוא רוצה להטיסו, ומערכת ההיגוי עושה את כל השאר.

תתי מערכות אופייניות

מפעיל הידראולי. ניתן לראות בבירור את שני המחברים החשמליים שמהווים את ממשק השליטה על המפעיל

תמונה של משדר זווית התקפה. משדר זה הוא מהחשובים למערכת בקרת טיסה

במערכת בקרת טיסה ישנן מערכות עזר אשר נועדו לעזור לטייס, ולהקטין את עומס העבודה.

מערכת קיזוז - בזמן טיסה, לעיתים ישנן שגיאות קבועות, כלומר משיכה קבועה לכיוון זה או אחר. הטייס יאלץ למשוך באופן קבוע את ממשקי הניהוג כדי לבצע את התיקון ולשמור על המטוס בטיסה ישרה. כדי למנוע זאת ישנה מערכת קיזוז שתפקידה הוא לבצע תיקון קבוע בהתאם להגדרתו של הטייס. בתצורה קלאסית מערכת זאת משתמשת בלשוניות קיזוז המותקנות על משטחי הניהוג. במערכות מתקדמות יותר המערכת משתמשת במשטחי הניהוג עצמם וקובעת אותם במצב אפס חדש.

מערכת שיכוך והגברת יציבות - בזמן טיסה ישנן הפרעות רגעיות אשר משפיעות על המטוס, למשל מכות רוח וכיסי אוויר, אשר מקשות על ההטסה, ובמהירויות גבוהות יותר, מהוות סכנה ממשית לשלמות המטוס. מערכת שיכוך מתקנת עצמאית ובמהירות שגיאות אלו כדי להגביר את היציבות ובטיחות הטיסה.

מערכת טייס אוטומטי - מטרת הטייס אוטומטי היא להקטין את העומס על הטייס על ידי הטסת המטוס במקומו. מערכות טייס אוטומטי מודרניות מסוגלות לנהג את המטוס לאורך מספר נקודות ציון בעצמן ואף להתיישר על מסלול נחיתה ולנחות בצורה עצמאית.

רגש מלאכותי - במערכות היגוי מכניות הלחצים הפועלים על משטחי ההיגוי משפיעים ישירות על ממשקי הטייס. במערכות היגוי אלקטרוניות ומוגברות הידראולית הלחץ הפועל על משטחי ההיגוי לא מורגש על ידי הטייס, ולכן נוצרת סכנה מוחשית כי הטייס יגיב בצורה מוגזמת מכיוון שהוא אינו מרגיש כמה כוח הוא בעצם מפעיל. על מנת לפצות על כך, במטוסים אלו מותקנת מערכת רגש מלאכותי אשר בעזרת קפיצים ומשקולות מדמה את הרגש כדי שהטייס יוכל להעריך את עוצמת הפקודה שלו.

סוגי משדרים

• ג'יירומטרים - (באנגלית: Rate Gyro, סוג של גירוסקופ) מודדים את התאוצה הזוויתית בציר מסוים, כלומר את גודל השינוי בציר כלשהו. מותקנים בדרך כלל כחלק ממערכת השיכוך, כיוון שיש ביכולתם לזהות שגיאות.
• מדי תאוצה - מודדים את קצב ההחלקה האופקית (כלומר לאורך הציר האופקי) או תאוצה אנכית. לדוגמה המטוס מתחיל להחליק לכיוון כלשהו עקב רוח צד פתאומית, הג'יירומטרים לא מסוגלים לזהות את השגיאה כי אין שינוי בצירים שהם מודדים, לכן משתמשים במדי תאוצה אשר מודדים את שיעורי התזוזה לצדדים כדי לתקן שגיאות כאלו.
• נתוני אוויר - מערכות היגוי עושות שימוש בנתוני אוויר כמו מהירות, גובה, זווית התקפה וכדומה כדי לדעת לחשב את ההגברים של המערכת. אם המטוס נמצא במהירות גבוהה, הפקודה של הטייס תונחת כדי לא להיכנס לביצועים מסוכנים. בזוויות התקפה מסוכנות המערכת תגביל את הטייס כדי למנוע הזדקרות וכן הלאה.
• משדר סטיק - במערכות היגוי דיגיטליות יש להמיר את פקודת הטייס לאות חשמלי שהמערכת יכולה לעבד, משדר סטיק עשוי לעשות זאת על ידי מדידת התזוזה של הסטיק, או מדידת הלחץ המופעל על המשדר.

סוגי מפעילים

• מפעילים הידראוליים/פניאומטיים - המפעיל המצטיין בכוח עודף ומהירות תגובה קצרים במיוחד, המפעיל משתמש בלחץ הידראולי/פנאומטי כדי לבצע את הפקודה, אך הפקודה יכולה לבוא בצורת פקודה חשמלית, מכנית ואפילו בצורה משולבת חשמלית ומכנית ולכן המפעיל הוא זה שלרוב מחובר למשטחי ההיגוי הקריטיים.
• מפעילים חשמליים - מפעיל חשמלי מתאים יותר לפקודות עדינות וקטנות או לפעולה בטווח רחב של משטח גדול אבל במהירות נמוכה. לכן מפעיל חשמלי משמש בעיקר כמפעיל קיזוז או של משטחי עזר כגון מדפי שפת התקפה או זרימה.

סוגי מערכות בקרת טיסה

בקרת טיסה מכנית

היגוי מכני - ההיגוי המכני הוא הגרסה הפשוטה והפרימיטיבית של מערכות בקרת טיסה. הפונקציה היחידה של מערכת זאת היא להעביר את פקודת הטייס למשטחי ההיגוי. המערכת מורכבת ממערכת כבלים וגלגלות המקשרות בין ממשקי הניהוג למשטחי ההיגוי. מערכת זאת מותקנת לרוב במטוסים קלים עקב היותה פשוטה ואמינה, אך אינה מאפשרת ניהוג במהירויות גבוהות עקב הלחצים הגבוהים על משטחי ההיגוי המקבעים את המשטחים במקומם. בנוסף אי אפשר להתקין במערכת כזאת יכולות שיכוך או טייס אוטומטי עקב הצורה הישירה בה משטחי ההיגוי נשלטים.

היגוי הידרו־מכני - מערכות הידרו-־מכניות הן בעצם מערכות מכניות המוגברות בצורה הידראולית. ההגבר ההידראולי מאפשר ניהוג במהירויות גבוהות עקב הגברת כוחו של הטייס. מערכת זאת מאפשרת בנוסף הכנסת מעין "מחשבים מכניים" המסוגלים לחשב שינויים כגון הגבלת פקודה להגאים בהתחשב בנתונים כמו מהירות אוויר ומכלולי מערבל הגאים המתאמים את הניהוג של הגאים מרובים בצורה אוטומטית. המערכת מאפשרת בנוסף התקנת מערכות חשמליות המפקדות על המערכת ההידראולית בעזרת שסתומים או עלים מגנטיים.

בקרת טיסה חשמלית

מטוס F-16 המשתמש במערכת בקרת טיסה דיגיטלית

מערכת בקרת טיסה אנלוגית - מערכת בקרת טיסה אנלוגית מורכבת ממגברים המבצעים את החישובים הנדרשים בהתאם לנתוני הטיסה בצורה אנלוגית. המערכת מסוגלת לבצע פונקציות כגון שיכוך וטייס אוטומטי אך אינה מסוגלת לבצע פונקציות מתקדמות כגון ניווט עצמאי. מערכות בקרת טיסה אנלוגיות נוטות להיות מורכבות עקב העובדה שהן מותקנות לרוב עם מערכות הידראוליות ועובדות במקביל אליהן, ובשל העובדה שאין למערכת יכולת זיהוי תקלות באופן מדויק, תקלות במערכות אלו לרוב מופיעות בזמן טיסה כתופעות טיסה, כגון מכות פתאומיות בהגאים.

מערכת בקרת טיסה דיגיטלית - מערכת בקרת טיסה דיגיטלית מעבדת את נתוני הטיסה ופקודת הטייס בצורה דיגיטלית בעזרת מחשב בקרת טיסה מרכזי המבצע בעצמו את כל הפונקציות המתקדמות כגון שיכוך וטייס אוטומטי ופולט פקודות למפעילים השולטים במשטחי ההיגוי. עקב ההתקדמות הגדולה בכל הטכנולוגיות הדיגיטליות יוצרו מערכות בקרת טיסה חשמליות לגמרי אשר לא משתמשות בשום רכיב הידראולי למעט מפעילים כדי לנהג את המטוס, מערכת המכונה טוס־על־חוט. בכך המערכת תרמה להקטנת משקל המטוס, שלא נדרש יותר למוטות, כבלים ו"מחשבים מכניים". מהירות התגובה, החישוב והאמינות של המערכת אפשרה יצירת מטוס בעל יציבות סטטית שלילית (כגון ה־F-16) שתמיד היה על סף איבוד השליטה. המערכת גם יכלה לזהות תקלות ספציפיות, אפילו אם הן לא התבטאו בתופעות טיסה והטייס לא היה מודע להן כלל.

מערכות היגוי משולבות

בזמן הופעת מערכת ההיגוי ההידרו־מכנית הופיעו גם ראשוני המערכות החשמליות שאפשרו הוספת הפונקציות המתקדמות כדוגמת הטייס האוטומטי, לכן לרוב מערכות אלו הותקנו ביחד במטוס, כאשר המערכת החשמלית ביצעה את החישובים הדרושים ופלטה פקודה והמערכת ההידרו־מכנית ביצעה אותה. עם הופעת המחשבים הדיגיטליים הראשונים הם לרוב הותקנו כחלק ממערכת ההיגוי האנלוגית כך שבעצם המטוס הוטס בעזרת מערכות מכניות, אנלוגיות ודיגיטליות ביחד.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מערכת בקרת טיסה בוויקישיתוף

• עקרונות הנדסיים ושימוש מעשי במערכות בקרת טיסה
• תיאור של עקרונות מערכות בקרת טיסה במטוסים ומסוקים
• מטוסים - מערכות בקרה, דף שער בספרייה הלאומית