АВТОМАТИЗАЦИЯ В КАБИНЕ САМОЛЕТА.УРОВНИ АВТОМАТИЗАЦИИ.ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

Современные микропроцессорные технологии позволяют автоматизировать выполнение множества функций, которые выполнялись вручную.

Сейчас невозможно представить современное воздушное судно без систем автоматизированного управления (САУ). Данные системы предназначены для управления самолетом путем автоматического отклонения рулей: руля высоты, руля направления, элеронов.

Первые САУ на воздушных судах позволяли только стабилизировать воздушное судно по углам: тангажа, крена и курса. Сейчас же данные системы позволяют выполнить практически весь полет от взлета до посадки с обеспечением выдерживания заданной траектории движения, высоты и скорости полета.

Уровни автоматизации Управления.

1.Ручное управление-на данном уровне автоматизация как таковая отсутствует. Пилот управляет самолетов основываясь на необработанных вычислителем САУ данных об параметрах движения воздушного судна(«RAW DATA»).

2.Директорное управление. Назовем его «промежуточным» уровнем автоматизации. Вычислитель САУ опрашивает датчики измерительных систем, необходимых для траекторного управления с учетом выбранного закона управления. Выходной сигнал вычислителя поступает на директорные стрелки(FD-Flight Directors) командно-пилотажного прибора(в современных воздушных судах FD отображаются на PFD-Primary Flight Display(См.Рис.№1).
Совмещая квадратный индекс с «перекрестием» пилот будет собственноручно направлять самолет по расчётной траектории (как говорят пилоты «выдерживаем крестик»).

Рисунок 1. Отображение FD в виде вертикальной и горизонтальной линий.

Рисунок 2. Функциональная схема директорного управления.

Описание работы функциональной схемы директорного управления.
Датчики измерительных систем, установленные на самолете, отправляют в измерительную систему некоторую информацию(к примеру, это может быть значение напряжения).Система преобразует данный сигнал в один из параметров движения воздушного судна(к примеру-тангаж) и отправляет его в систему отображения информации для индикации пилоту на авиагоризонте и в вычислитель, который сравнивая текущее и вычисленное значение и вырабатывает выходной сигнал ,пропорциональный несоответствию расчетного и текущего значения параметра, который поступает на КПП и отклоняет директорную стрелку. Заметив отклонение, пилот должен вернуть стрелки в исходное положение, воздействуя на ручки управления(РУ). Величина отклонения органов управления должна быть пропорциональна величине отклонения стрелок. Этого добиваются путем постоянных тренировок.

Примечание1. Если стоит задача управлять продольным движением ВС(тангажом) в качестве управляемого параметра выбираются угловая скорость изменения тангажа ω_z или нормальная перегрузка n_y. Для управления боковым движения используется угол крена γ. Уравнения отклонения директорных стрелок будут иметь вид:

Где

– величина отклонения стрелки;

k- коэффициент усиления прибора;

- заданное значение нормальной перегрузки;

- заданное значение крена.

3.Автоматическое управление. Большинство процессов управления осуществляется автоматически, пилот является оператором вычислительного комплекса выбирая те или иные параметры и режимы управления ими.

Структура и принцип работы автопилота

В наше время все магистральные воздушные суда оснащаются трехканальными системами автоматического управления(далее-САУ).

1-й канал- Канал руля высоты (РВ) -предназначен для управления тангажом

2-й канал-канал элеронов -предназначен для управления креном и курсом.

3-й Канал-канал руля направления (РН)-предназначен для управления скольжением ВС.

Вышеперечисленные каналы образуют контуры управления (см.Рис.3)

Рисунок 3. Контуры управления

Контур демпфирования-предназначен для гашения колебаний ЛА.

Контур управления угловым положением - предназначен для управления угловым положение самолета в пространстве. В нем реализуются обратные связи по тангажу, крену и рысканию. Траекторный – для управления движением центра масс

Рисунок 4. Основной принцип проектирования САУ.

Как и в случае с системой директорного управления в САУ должны входить:

1. ДПИ-датчики первичной информации к ним относятся датчики ,измеряющие параметры движения ВС. Их можно разделить на : Датчики угловых скоростей(ДУС),измерители линейных и угловых величин, акселерометры(датчики линейных ускорений),датчики угла атаки и скольжения.
2. Вычислительные устройства (ВУ)-предназначаются для формирования управляющего сигнала с учетом ограничения по углам атаки, перегрузке и скорости. Для этой цели данные устройства управляют переходным процессом через влияние на передаточное число (очевидно, что если на крейсерской скорости перекладывать рули с той же угловой скоростью и на ту же величину, что и при скорости захода на посадку, можно легко превысить ограничения по перегрузке, что может привести к повреждению конструкции ВС). Так же ВУ формируют закон управления и, аналогично директорному режиму, выдает выходной сигнал на директорные стрелки ,а так же на исполнительные устройства.
3. Исполнительное устройство- предназначено для преобразование выходного сигнала ВУ в механическое перемещение тяги, тросов, золотника гидрораспределителя и т.д. для необходимого отклонения рулевой поверхности.

Принцип работы. В ВУ САУ приходят входные сигналы от пилота, который задает в кабине с помощью органов управления (как правило расположенными на MCP) желаемые параметры движения и сигналы обратной связи от ДПИ. Происходит сравнение желаемого значения параметров и фактического значения параметров, определяется величина рассогласования, и в зависимости от её величины вырабатывается управляющий сигнал. Данный сигнал приходит на FD (директорные стрелки), расположенные на PFD, а так же на исполнительные механизмы, которые приводят в движение рули.
Для улучшения переходных процессов (снижения их колебательности (см.Рис.7)) в закон управления вводят демпфирующий сигнал, пропорциональный скорости изменения управляемого параметра. Помимо этого в зависимости от величины рассогласования меняется и передаточное число (с учетом ограничений по перегрузке). Т.е, если перейти на простой язык , при небольшой величины отклонения по высоте, к примеру из-за турбулентности, ВУ  не будет вырабатывать сигнал, который заставит самолет немедленно перейти в набор высоты с вертикальной скоростью 2000ft/min,а будет плавно пытаться «поймать» заданное значение высоты

Рисунок 5. MCP Mode control panel

Рисунок 6. MCDU Multipurpose Control & Display Unit

Рисунок 7. Переходный процесс. Слева без демпфирующего сигнала, справа с демпфирующим сигналом.

4. Управление самолетом системой FMS (Flight Management System(MCDU) см.Рис.6). Этот уровень автоматизации подразумевает полет самолета автоматически по введенному плану полета. В таком случае система FMS сама вырабатывает и отрабатывает сигналы, соответствующие актуальной фазе полета, выполняет набор, снижение, горизонтальный полет без дополнительного ввода параметров полета пилотом. Отработка и обработка сигналов исполнительными механизмами ровно такая же, как и в 3м уровне автоматизации.

Пилоты должны иметь высокие навыки использования всех возможностей своего самолета, включая автоматические системы, и осознанно относиться к способу, времени и месту их применения.

Зачем нужна автоматизация?

Сказать, что автоматизация в кабине пилотов, как и автоматизация в любой другой области, дело неоднозначное - значит сказать банальность, но необходимую банальность. Уже сейчас выражается серьезная озабоченность в отношении воздействия, которое окажет автоматизация в кабине на организацию работы экипажа, рабочую нагрузку и, наконец, на безопасность полетов. Много вопросов в отношении автоматизации возникает в результате проработки отчетов об авиационных происшествиях и инцидентах, анализа подготовки линейных пилотов, исследований с помощью моделирования, а также в результате интервью с членами экипажей и служащими авиакомпаний, несущими ответственность за выполнение полетов. Эти вопросы, связаны с обнаружением отказов, переходом с автопилота на ручное управление, ухудшением профессионального навыка, получением удовлетворения от работы, с мнением пилотов и бортинженеров о работе на оборудовании с высокой степенью автоматизации. Проблемы далеко не новы, но в настоящее время к их решению подходят со всей откровенностью, признавая их первостепенными. Решение их становится возможным благодаря техническому прогрессу, вполне позволяющему автоматизировать функции, выполняемые в кабине пилотов, по крайней мере с точки зрения электромеханики. Исходная посылка. Время от времени можно услышать разговоры о возможности обойтись без человека в кабине.  Хотя, технически это вполне возможно, мы все же считаем, что с социально-политической точки зрения в ближайшем будущем это будет неприемлемо. Поэтому, хотя мы и не отвергаем полностью идею управления авиалайнером без помощи пилотов, следующее ниже рассмотрение исходит из того, что авиалайнеры будут все же управляться пилотами. Однако вопрос о составе, функциях, выборе, подготовке и мотивации этого экипажа остается открытым. Следует отметить, что пока еще нет ни одной фабрики без рабочих, хотя об этом много говорилось ранее.

Благодаря автоматизации большей части процессов в самолете из кабин уже исчезли штурманы, бортрадисты и бортинженеры.
Сравните кабины самолетов Boeing 707 и 737MAX (Рис.8 и Рис.9) - эти самолеты вмещают одинаковое количество пассажиров.

Рисунок 8. Кабина Boeing 707

Рисунок 9. Кабина Boeing 737MAX

Движущие силы, то есть какие факторы обусловливают необходимость автоматизации в кабине.

Мы определили следующие три фактора.

Техника. Выше уже отмечался заметный прогресс в области микропроцессоров. Значительное улучшение характеристик, уменьшение размеров и стоимости различных электронных устройств, датчиков и индикаторов, а также уменьшение потребляемой ими энергии делают автоматизацию многих бортовых (а также наземных) систем разумной альтернативой традиционному ручному управлению. Следует отметить, что техническое совершенствование не является самоцелью, как остальные два фактора, а являются способствующим фактором.

Экономика. Несомненно, автоматизация может обеспечить огромную экономию средств за счет экономии топлива при условии сокращения времени полета и установления оптимальных траекторий набора высоты и снижения. Трудно переоценить значение автоматизации для экономии средств и увеличения прибылей авиакомпаний, особенно с учетом постоянного роста цен на топливо. В марте 2021 г. 1 галлон (3,79 л) реактивного топлива стоил 3,36 доллара, а в марте 2022 г. уже 4,58 долларов. Проведенный анализ эксплуатационных расходов и прибылей крупного американского авиаперевозчика показывает, что 3 % экономии реактивного топлива может обеспечить увеличение прибыли на 23 %.  Автоматизация выполнения функции УВД и функций, выполняемых в кабине пилотов, вполне может обеспечить снижение потребления топлива на 3 %, а на таких коротких маршрутах, как, например, "челночный" маршрут Нью-Йорк-Бостон, возможна еще большая экономия. Из открытых источников сообщалось, что увеличение стоимости реактивного топлива на 1 % обошлось авиакомпании "Вестерн эр лайнз" в 4 млн. долларов, на момент 1980 года. Соответственно, уменьшение расхода топлива на 1 % позволил бы авиакомпании сэкономить такую же сумму. Наконец, в результате анализа 12 методов экономии топлива пришли к выводу, что при оптимальном использовании этих методов можно обеспечить до 12 % экономии. В результате частичного применения указанных методов уже обеспечена экономия 5 %. Для обеспечения максимальной экономии большинство из этих методов требует той или иной степени автоматизации. Как и в других отраслях, в авиации значительную часть эксплуатационных расходов составляют расходы на заработную плату. Хотя сомнительно, что автоматизация может способствовать уменьшению числа пилотов в кабине все же этот вопрос не следует полностью игнорировать. Кроме того, автоматизация может способствовать некоторому уменьшению прямых расходов на заработную плату за счет снижения времени полета, которое достигается с помощью более эффективной курсовой навигации, а также снижения расходов на техническое обслуживание за счет более эффективного использования оборудования. Однако при рассмотрении экономических факторов необходимо также учитывать что автоматическое оборудование стоит недешево. Для покупки такого оборудования от авиакомпании потребуются огромные капитальные затраты; кроме того, следует учитывать эксплуатационные расходы на подготовку и техническое обслуживание. Но если даже не касаться вопроса о безопасности и говорить лишь об экономических аспектах, представляется, что автоматизация функций, выполняемых в кабине пилотов, является выгодным делом, особенно с учетом постоянного роста цен на топливо, не говоря уж о возможной его недостаче.

Безопасность полетов. Более чем половина авиационных происшествий приписывается "ошибке пилота". Этот термин в некоторой степени двусмысленен, поскольку неясно, означает ли он только ошибки, совершенные членами летного экипажа, или же он включает и ошибки, совершенные другими операторами, например, диспетчерами УВД, синоптиками, персоналом, занимающимся техническим обслуживанием, а также руководителями полетов. К автоматическим системам, которые способствуют уменьшению приходящейся на пилотов рабочей нагрузки и повышению безопасности относятся автопилоты, командные пилотажные приборы, системы аварийной сигнализации и оповещения. Особое место среди таких систем занимает система сигнализации о близости земли GPWS (Ground Proximity Warning System). С момента введения в 1974 г. этой системы с помощью акта конгресса резко сократилось число авиационных происшествий в результате столкновения с землей как в Соединенных Штатах, так и во всем мире. Трудно сказать, сколько воздушных судов и человеческих жизней было спасено благодаря применению этого устройства.  Немаловажную роль играет автоматизированная система индикации и сигнализации, которая оповещает пилота в случае какого-либо отказа или неисправности. Причем современная системах индикации об отказах имеет цветовую градацию ,согласно её важности( см.таблицу №1 и рисунок №10

Таблица 1.

Автоматическая сигнализация ПНК Garmin G1000

Рисунок 10. Демонстрация работы системы сигнализации ПНК Garmin G1000

Достоинства автоматизации процессов в кабине:

• Увеличение производительности и продуктивности
• Уменьшение ручной рабочей нагрузки и утомления
• Освобождение от необходимости выполнять рутинные операции Исключение возможности совершения мелких ошибок
• Экономическое использование машин (например, уменьшение потребления энергии)