フライバイワイヤ

フライバイワイヤ（FBW ）は、航空機の従来の手動飛行制御を電子インターフェースに置き換えるシステムです。飛行制御の動きは電子信号に変換され、飛行制御コンピュータは各制御面のアクチュエータをどのように動かして指示された応答を提供するかを決定します。実装は機械的な飛行制御バックアップシステムを使用するか、完全に電子化されます。^[1]

改良された完全なフライバイワイヤシステムは、パイロットの制御入力を望ましい結果として解釈し、その結果を達成するために必要な操縦面の位置を計算します。これにより、閉じたフィードバックループを使用して、さまざまな状況でラダー、エレベーター、エルロン、フラップ、エンジン制御のさまざまな組み合わせが得られます。パイロットは、結果に影響を与えるすべての制御出力を完全に認識しているわけではなく、航空機が予想どおりに反応していることのみを認識している可能性があります。フライバイワイヤコンピューターは、パイロットの関与なしに航空機を安定させ、飛行特性を調整し、パイロットが航空機の安全性能範囲外で操作するのを防ぎます。^{[2] [3]}

機械式および油圧機械式の飛行制御システムは比較的重く、滑車、クランク、張力ケーブル、油圧パイプのシステムによって、飛行制御ケーブルを航空機内に慎重に配線する必要があります。どちらのシステムも、故障に対処するために冗長バックアップが必要になることが多く、重量が増加します。どちらも、変化する空力条件を補正する能力が限られています。失速、スピン、パイロット誘起振動(PIO)などの危険な特性は、主に航空機の安定性と構造に依存し、制御システム自体に依存していません。パイロットの行動に依存しています。^[4]

「フライ・バイ・ワイヤ」という用語は、純粋に電気的に信号を送る制御システムを意味します。これは、コンピュータシステムがオペレーターと最終制御アクチュエータまたは表面の間に介在する、コンピュータ構成の制御の一般的な意味で使用されます。これにより、パイロットの手動入力が制御パラメータに従って変更されます。^[2]

フライ・バイ・ワイヤ航空機の飛行には、サイドスティックまたは従来の飛行制御ヨークを使用することができる。 ^[5]

フライ・バイ・ワイヤ機は、従来の制御を備えた同様の設計よりも軽量です。これは、システムコンポーネントの総重量が軽いことと、航空機の自然な安定性を緩和できること（輸送機の場合はわずかに、機動性の高い戦闘機の場合はさらに緩和）によるものです。つまり、航空機構造の一部である安定面を小さくすることができます。これには、 （通常）胴体の後部にある垂直安定板と水平安定板（フィンとテールプレーン）が含まれます。これらの構造を小型化できれば、機体の重量が軽減されます。フライ・バイ・ワイヤ制御の利点は、最初に軍隊で活用され、その後民間航空市場で活用されました。エアバスシリーズの旅客機は、A320シリーズからフルオーソリティのフライ・バイ・ワイヤ制御を採用しました（ A320フライトコントロールを参照）。ただし、A310航空機には限定的なフライ・バイ・ワイヤ機能が存在していました）。^[6]ボーイングは、777以降の設計でこれに続きました。^[要出典]

パイロットは、操縦桿またはサイドスティックを動かして、機体をピッチアップさせたり、片側にロールさせたりといった特定の動作を航空機に実行させるよう、飛行制御コンピュータに指示する。飛行制御コンピュータは、どの操縦面の動きが航空機にその動作を実行させるかを計算し、各操縦面の電子制御装置にその指示を出す。^{[1]各操縦面の制御装置はこれらの指示を受け取り、操縦面が飛行制御コンピュータの指示した場所まで動くまで、操縦面に接続されたアクチュエータを動かす。制御装置は、} LVDTなどのセンサーを使って飛行制御面の位置を測定する。^[7]

フライバイワイヤ制御システムにより、航空機のコンピュータはパイロットの入力なしにタスクを実行できます。自動安定システムはこのように動作します。ジャイロスコープや加速度計などのセンサーが航空機に搭載され、ピッチ、ロール、ヨー軸の回転を感知します。あらゆる動き（たとえば、直線飛行や水平飛行から）はコンピュータに信号を送り、制御アクチュエータを自動的に動かして航空機を安定させます。^[3]

従来の機械式または油圧式制御システムは、通常、徐々に故障しますが、すべての飛行制御コンピュータが失われると、航空機は即座に制御不能になります。このため、ほとんどのフライバイワイヤシステムには、冗長コンピュータ（3重、4重など）、何らかの機械的または油圧式バックアップ、またはその両方の組み合わせが組み込まれています。機械的バックアップを備えた「混合」制御システムは、舵の仰角をパイロットに直接フィードバックするため、閉ループ（フィードバック）システムは無意味になります。^[1]

航空機システムは、1つまたは2つのチャネルに障害が発生した場合でも信号が失われないように、4重化（4つの独立したチャネル）される場合があります。フライバイワイヤ制御（CCVまたは制御構成車両とも呼ばれる）を備えた高性能航空機は、一部の飛行モードで意図的に低い安定性、または負の安定性を持つように設計される場合があります。迅速に反応するCCV制御は、自然な安定性の欠如を電子的に安定化できます。^[3]

フライバイワイヤシステムの飛行前安全チェックは、多くの場合、内蔵テスト装置(BITE) を使用して実行されます。制御動作のいくつかのステップを自動的に実行できるため、パイロットや地上要員の作業負荷が軽減され、飛行チェックが迅速化されます。^{[引用が必要]}

パナビア・トルネードなどの一部の航空機は、電力が失われた場合に限られた飛行制御機能を提供するために、非常に基本的な油圧機械式バックアップシステムを保持しています。トルネードの場合、これにより、ピッチ軸とロール軸の動きに対してのみスタビライザーの基本的な制御が可能になります。 ^[8]

サーボ電気制御の操縦翼面は、1930年代にソ連のツポレフANT-20で初めてテストされました。^[9]長い機械的および油圧式接続は、ワイヤーと電動サーボに置き換えられました。

1934年、カール・オットー・アルトヴァーター [ドイツ]は、航空機が地面に近づいたときにフレアを起こす自動電子システムに関する特許を申請した。 ^[10]

1941年、シーメンスのエンジニアであったカール・オットー・アルトヴァーターは、ハインケルHe111用に、航空機が完全に電子インパルスによって制御される最初のフライ・バイ・ワイヤシステムを開発し、テストしました。 ^{[11] [信頼できない情報源? ]}

フライ・バイ・ワイヤ飛行制御システムを搭載して設計され、飛行した最初の非実験用航空機（1958年）は、アブロ・カナダCF-105アローであった。^{[12] [13]この偉業は、1969年に}コンコルドが初のフライ・バイ・ワイヤ旅客機になるまで、量産機では再現されなかった（アローは5機製造されただけでキャンセルされた）。このシステムには、ソリッドステート部品とシステム冗長性も含まれており、コンピュータ化されたナビゲーションと自動捜索追跡レーダーと統合されるように設計され、データのアップリンクとダウンリンクによって地上管制から飛行可能であり、パイロットに人工的な感覚（フィードバック）を提供した。^[13]

アメリカ空軍が運用した最初の電子フライバイワイヤテストベッドは、ボーイングB-47Eストラトジェット（シリアル番号53-2280）でした^[14]

機械的または油圧的なバックアップのない、最初の純粋な電子フライ・バイ・ワイヤ航空機は、1968年に初飛行したアポロ月着陸訓練機（LLTV）でした。 ^[15]これに先立つ1964年には、機械的バックアップのないフライ・バイ・ワイヤ飛行の先駆者である月着陸研究機（LLRV）がありました。 ^[16]制御は、3つのアナログ冗長チャネルを備えたデジタルコンピューターによって行われました。ソ連では、スホーイT-4も飛行しました。ほぼ同じ時期に、英国では、英国のホーカーハンター戦闘機の練習型が、右席パイロット用のフライ・バイ・ワイヤ飛行制御を備えた英国王立航空研究所で改造されました^[17]。

英国では、60年代前半から中頃にかけて、2人乗りのアブロ707Cがフェアリーシステムと機械式バックアップを搭載して飛行した^[18]。機体の飛行時間が不足したため、このプログラムは中止された^{[17] 。}

1972年に飛行した最初のデジタルフライバイワイヤ固定翼航空機は、機械的なバックアップなしで^[19] 、米国のNASAによってテスト機として電子的に改造されたF-8クルセイダーでした。F-8はアポロの誘導、航法、制御ハードウェアを使用していました。^[20]

エアバスA320は、デジタルフライバイワイヤ制御を備えた最初の量産型旅客機として1988年に就航しました。2024年6月現在、派生型を含め11,000機以上のA320ファミリー航空機が世界中で運航されており、最も売れている商用ジェット機の1つとなっています。^{[21] [22]}

ボーイングは1994年に777に従来のケーブルと滑車のシステムから脱却し、フライバイワイヤ飛行制御を選択した。航空機の飛行制御を監視することに加えて、FBWは「エンベロープ保護」を提供し、システムが介入して偶発的な誤操作、失速、または航空機への過度の構造的ストレスを回避することを保証する。777は、プライマリフライトコンピュータ（PFC）とアクチュエータ制御電子ユニット（ACE）を接続するためにARINC 629バスを使用した。各PFCには、モトローラ68040、インテル80486、AMD 29050を含む3つの32ビットマイクロプロセッサが搭載されており、すべてAdaプログラミング言語でプログラムされていた。 ^[23]

フライバイワイヤ飛行制御システムはすべて、油圧機械式または電気機械式の飛行制御システムの機械回路の複雑さ、脆弱性、重量を排除し、それぞれを電子回路に置き換えています。コックピットの制御機構は信号変換器を操作し、適切なコマンドを生成します。次に、これらのコマンドは電子コントローラ（アナログまたは（より現代的な）デジタル）によって処理されます。航空機と宇宙船の自動操縦装置は現在、電子コントローラの一部です。^{[引用が必要]}

油圧回路は、機械式サーボバルブが電子制御装置によって操作される電気制御サーボバルブに置き換えられていることを除いては同様である。これは、アナログ フライバイワイヤ飛行制御システムの最も単純かつ初期の構成である。この構成では、飛行制御システムは「感覚」をシミュレートする必要がある。電子制御装置は、手動制御に適切な「感覚」力を提供する電気装置を制御する。これは、最初の量産フライバイワイヤ航空機であるコンコルドで使用された。 ^[a]

デジタルフライバイワイヤ飛行制御システムは、アナログの飛行制御システムを拡張することができます。デジタル信号処理は、複数のセンサー（高度計やピトー管など）からの入力を同時に受信して解釈し、リアルタイムで制御を調整することができます。コンピューターは、パイロットコントロールと航空機センサーからの位置と力の入力を感知します。次に、航空機の運動方程式に関連する微分方程式を解き、パイロットの意図を実行するための飛行制御の適切なコマンド信号を決定します。^[25]

デジタルコンピュータのプログラミングにより、飛行エンベロープ保護が可能になります。これらの保護は、航空機の操縦特性に合わせて調整され、航空機の空力的および構造的制限内にとどまります。たとえば、飛行エンベロープ保護モードのコンピュータは、失速やスピンを防ぎ、飛行機の速度と重力加速度を制限するなど、航空機の飛行制御エンベロープの事前設定された制限をパイロットが超えるのを防ぐことで、航空機が危険な方法で操作されるのを防止しようとします。また、パイロットによる振動を避けるために飛行制御入力を安定させるソフトウェアも組み込むことができます。^[26]

飛行制御コンピュータは継続的に環境をフィードバックするため、パイロットの作業負荷を軽減できる。^[26]これにより、軍用機の安定性も向上する。このような航空機の主な利点は、戦闘中や訓練飛行中の機動性の向上と、失速、スピン、その他の望ましくない動作がコンピュータによって自動的に防止されるため、いわゆる「気楽な操縦」が実現される。デジタル飛行制御システム（DFCS）により、ロッキードF-117ナイトホークやノースロップグラマンB-2スピリット 飛行翼機などの本質的に不安定な戦闘機でも、使用可能かつ安全な方法で飛行できる。^[25]

米国連邦航空局（FAA）は、航空ソフトウェアの認証基準として、「航空機システムおよび機器認証におけるソフトウェアの考慮事項」と題されたRTCA / DO-178Cを採用しました。航空法則やコンピュータオペレーティングシステムの適用を含むデジタルフライバイワイヤシステムの安全性が重要なコンポーネントは、航空機のクラスに応じてDO-178CレベルAまたはBの認証を受ける必要があり、これは潜在的な壊滅的な故障を防ぐために適用されます。^[27]

それでも、コンピュータ化されたデジタル フライバイワイヤ システムにとって最大の懸念は信頼性であり、アナログ電子制御システムよりもさらに重要です。これは、ソフトウェアを実行しているデジタル コンピュータが、パイロットと航空機の飛行制御面の間の唯一の制御パスであることが多いためです。コンピュータ ソフトウェアが何らかの理由でクラッシュすると、パイロットは航空機を制御できなくなる可能性があります。したがって、事実上すべてのフライバイワイヤ飛行制御システムは、コンピュータと電子機器が 3 重または 4 重に冗長化されています。これらには、3 台または 4 台の飛行制御コンピュータが並列に動作し、3 台​​または 4 台の独立したデータ バスが各制御面に接続されています。^{[引用が必要]}

複数の冗長飛行制御コンピュータは、互いの出力を継続的に監視しています。ソフトウェアやハードウェアの障害、入力データの欠陥など、何らかの理由で 1 台のコンピュータが異常な結果を出し始めた場合、統合システムは、飛行制御の適切なアクションを決定する際にそのコンピュータの結果を排除するように設計されています。特定のシステムの詳細に応じて、異常な飛行制御コンピュータを再起動したり、入力が一致に戻った場合に入力を再統合したりする可能性があります。複数の障害に対処するための複雑なロジックが存在し、システムをより単純なバックアップ モードに戻すように促す場合があります。^{[25] [26]}

さらに、初期のデジタルフライバイワイヤ航空機のほとんどには、アナログの電気、機械、油圧のバックアップ飛行制御システムもありました。スペースシャトルには、主要な飛行制御ソフトウェアを実行する4台のデジタルコンピュータの冗長セットに加えて、別個に開発された機能限定のソフトウェア飛行制御システムを実行する5台目のバックアップコンピュータがあり、他の4台のコンピュータすべてに障害が発生した場合に、そのシステムを引き継ぐように命令できます。このバックアップシステムは、他の4台のコンピュータでは気付かなかった汎用飛行ソフトウェアの障害が原因で飛行制御システム全体が故障するリスクを軽減するのに役立ちました。^{[1] [25]}

旅客機の場合、飛行制御の冗長性は安全性を向上させるが、従来の制御よりも物理的に軽量でメンテナンスの必要性が低いフライバイワイヤ制御システムは、所有コストと飛行中の経済性の両面で経済性も向上させる。ボーイング777など、ピッチ軸の緩和安定性が限られている特定の設計では、飛行制御システムにより、航空機は従来の安定した設計よりも空気力学的に効率的な迎え角で飛行できる場合がある。現代の旅客機には、FBWが飛行制御面を制御するのと同様の方法で、エンジン、吸気口、燃料貯蔵および分配システムを制御するコンピューター化されたフルオーソリティデジタルエンジン制御システム（FADEC）も一般的に搭載されている。これにより、エンジン出力を継続的に変化させ、可能な限り最も効率的に使用できる。^[28]

第2世代のエンブラエルEジェットファミリーは、フライバイワイヤシステムにより第1世代に比べて1.5%の効率向上を実現し、 E190/195型の水平安定板を280平方フィートから250平方フィートに縮小することができました。^[29]

エアバスとボーイングは、商用航空機にフライバイワイヤシステムを実装するアプローチが異なります。エアバス A320以降、エアバスの飛行エンベロープ制御システムは、通常法で飛行しているときは常に最終的な飛行制御を保持し、パイロットが代替法で飛行することを選択しない限り、航空機の性能制限に違反することを許可しません。^[30]この戦略は、その後のエアバスの旅客機にも引き継がれました。^{[31] [32]}ただし、冗長コンピューターの複数の障害が発生した場合に備えて、A320 にはピッチトリムとラダー用の機械的なバックアップシステムがあり、エアバス A340には完全に電気的な (電子的ではない) バックアップラダー制御システムがあり、A380 以降、すべての飛行制御システムは、「3 軸バックアップ制御モジュール」(BCM) を使用した完全に電気的なバックアップシステムを備えています。^[33]

ボーイング777などのボーイング製旅客機では、パイロットがコンピューター制御の飛行制御システムを完全に無効にすることができ、通常の飛行制御範囲外で航空機を飛行させることができます。

• コンコルドは、アナログ制御を備えた最初の量産フライ・バイ・ワイヤ航空機でした。
• ジェネラル・ダイナミクスF-16はデジタルフライバイワイヤ制御を採用した最初の量産機であった。^[34]
• スペースシャトルのオービターには、全デジタルフライバイワイヤ制御システムが搭載されていた。このシステムは、1977年にスペースシャトルエンタープライズで開始されたグライダーの無動力飛行「アプローチおよび着陸テスト」中に、唯一の飛行制御システムとして初めて使用された^。[35]
• 1984年に生産が開始されたエアバス・インダストリーズのエアバスA320は、全デジタルフライバイワイヤ制御システムを搭載した最初の旅客機となった。^[36]
• 1993年に発売されたボーイングC-17グローブマスターIIIは、フライ・バイ・ワイヤを採用した初の軍用輸送機となった。^[37]
• 2005年、ダッソー・ファルコン7Xはフライ・バイ・ワイヤ制御を備えた最初のビジネスジェット機となった。 ^[38]
• クローズドフィードバックループのない完全デジタルフライバイワイヤは、2002年に第1世代のエンブラエルE-Jetファミリーに統合されました。ループ（フィードバック）を閉じることで、第2世代のエンブラエルE-Jetファミリーは2016年に1.5％の効率向上を達成しました。^[29]

FADEC （フルオーソリティデジタルエンジンコントロール）エンジンの登場により、飛行制御システムとエンジンのオートスロットルの操作が完全に統合されるようになりました。現代の軍用機では、自動安定化、ナビゲーション、レーダー、武器システムなどの他のシステムはすべて飛行制御システムに統合されています。FADECにより、エンジンの誤操作、機体の損傷、パイロットの過負荷を心配することなく、航空機から最大限のパフォーマンスを引き出すことができます。^[39]

民間分野では、統合により飛行の安全性と経済性が向上します。エアバスのフライバイワイヤ航空機は、飛行エンベロープ保護によって、低速失速や過負荷などの危険な状況から保護されています。その結果、そのような状況では、飛行制御システムは、パイロットの介入なしにエンジンに推力の増加を指示します。エコノミー巡航モードでは、飛行制御システムはスロットルと燃料タンクの選択を正確に調整します。FADEC は、エンジンの不均衡な推力による横方向の飛行を補正するために必要な舵の抵抗を減らします。A330/A340 ファミリーでは、巡航飛行中に航空機の重心を最適化するために、燃料はメイン (翼と中央胴体) タンクと水平安定板の燃料タンクの間で移動されます。燃料管理コントロールは、エレベーターの抗力を誘発する空力トリムではなく、燃料の重量で航空機の重心を正確に調整します。^{[引用が必要]}

フライバイオプティクスは、データ転送速度が高く、電磁干渉に強く、軽量であるため、フライバイワイヤの代わりに使用されることがあります。ほとんどの場合、ケーブルは電気ケーブルから光ファイバーケーブルに変更されるだけです。光ファイバーを使用しているため、「フライバイライト」と呼ばれることもあります。^[40]ソフトウェアによって生成され、コントローラーによって解釈されるデータは変わりません。フライバイライトは、より一般的なフライバイワイヤ制御システムと比較して、センサーへの電磁妨害を減らす効果があります。川崎重工のP-1は、このような飛行制御システムを搭載した世界初の量産機です。^[41]

フライバイワイヤ飛行制御システムから機械式トランスミッション回路を排除したら、次のステップはかさばって重い油圧回路を排除することです。油圧回路は電力回路に置き換えられます。電力回路は、デジタル飛行制御コンピュータによって制御される電気式または自己完結型の電気油圧式アクチュエータに電力を供給します。電力バイワイヤ コンポーネントはフライバイワイヤ コンポーネントを厳密に補完するため、デジタル フライバイワイヤの利点はすべて保持されます。

最大の利点は、重量の軽減、冗長電源回路の可能性、航空機の飛行制御システムと航空電子システムの緊密な統合です。油圧がないため、メンテナンスコストが大幅に削減されます。このシステムは、ロッキードマーティンF-35ライトニングIIとエアバスA380バックアップ飛行制御で使用されています。ボーイング787とエアバスA350にも、油圧が完全に失われた場合でも機能し続ける電動バックアップ飛行制御が組み込まれています。^[42]

配線により航空機の重量がかなり増加するため、研究者はフライバイワイヤレスソリューションの実装を検討しています。フライバイワイヤレスシステムはフライバイワイヤシステムと非常に似ていますが、物理層に有線プロトコルを使用する代わりに、無線プロトコルが採用されています。^{[引用が必要]}

重量の軽減に加えて、ワイヤレスソリューションの導入は、航空機のライフサイクル全体にわたってコストを削減する可能性があります。たとえば、配線やコネクタに関連する多くの主要な故障点が排除されるため、配線やコネクタのトラブルシューティングに費やす時間が短縮されます。さらに、配線設備の設計に費やす時間が短縮され、航空機の設計の遅い段階での変更の管理が容易になるため、エンジニアリングコストが削減される可能性があります。^[43]

インテリジェント飛行制御システム（IFCS）と呼ばれる新しい飛行制御システムは、現代のデジタルフライバイワイヤ飛行制御システムを拡張したものです。その目的は、油圧の喪失、方向舵の喪失、補助翼の喪失、エンジンの喪失などの重大な故障をエンジン推力やその他の航空電子機器を使用して自動的に補うなど、飛行中の航空機の損傷や故障をインテリジェントに補うことです。セスナで訓練を受けた小型飛行機のパイロットが、大型ジェット機の経験がなくても、ひどく損傷したフルサイズのコンセプトジェットを着陸させるというデモンストレーションがフライトシミュレーターで何度か行われました。この開発は、NASA ドライデン飛行研究センターが先頭に立っています。^[44]機能強化は、既存の完全にコンピュータ化されたデジタルフライバイワイヤ飛行制御システムに対するソフトウェアのアップグレードがほとんどであると報告されています。ダッソー・ファルコン7Xとエンブラエル・レガシー500ビジネスジェットには、推力レベルと制御入力を調整することでエンジン停止シナリオを部分的に補正できるフライトコンピュータが搭載されていますが、パイロットが適切に対応する必要があります。^[45]

• 航空記事の索引
• 航空機の飛行制御システム
• エールフランス航空296Q便
• ドライブバイワイヤー
• デュアルコントロール（航空）
• 飛行制御モード
• MIL-STD-1553、フライバイワイヤの標準データバス
• リラックスした安定性

• 「フライ・バイ・ワイヤ」1972年フライト記事アーカイブ版

ウィキメディア・コモンズには、フライ・バイ・ワイヤに関連するメディアがあります。