автопилот что это такое в самолете
Автопилот в самолете
Зарождение авиастроения много чего изменило в конструкции самолетов и их управлении. Еще 20-30 лет назад такой прибор, как автопилот, был неизвестен практически никому. За эти годы ситуация в корне изменилась. Большую часть полета управление огромными пассажирскими авиалайнерами осуществляют именно автопилоты. Можно сказать, что пилот активно участвует только на рулении и взлете, после чего передает управление системе. Также нужно вмешательство пилота при посадке судна. Бортовой компьютер самолетов значительно упрощает задачи в управлении и контроле.
Пилоты современных моделей «Эйрбаса» часто шутят, что для управления новыми моделями пассажирских лайнеров достаточно собаки и одного человека. Собака необходима, чтобы кусать пилота, чтобы тот не тянулся к рычагам и кнопкам управления, а человек нужен для того, чтобы кормить пса. Конечно же, это шутка, которая появилась за счет современных систем управления, таких как fly-by-wire, иными словами, это радиодистанционное управление аппаратом. Оно позволяет обеспечить передачу сигналов от самого пилота к механизмам лайнера в виде электрических сигналов. Это значит, что вместо использования старой гидравлики пилоты осуществляют управление, посылая сигналы через компьютер к отдельным механизмам машины.
Что же такое автопилот в широком понимании данного термина? Это программно-аппаратная система, которая имеет возможность вести транспортное средство по заданному маршруту. С каждым годом инноваций становится все больше во многих отраслях транспортного строения. Все же лидирующие позиции занимает воздушный транспорт.
Автопилот самолета создан для стабилизации всех параметров полета судна и ведения по заданному курсу. При этом соблюдается установленная пилотом скорость и высота полета. Перед тем как переводить летательный аппарат на режим автопилота, необходимо создать четкий полет без скольжения или завала машины. После стабилизации самолета по всем плоскостям можно производить включение системы автоматического управления, но при этом необходимо проводить регулярный контроль показателей. Стоит отметить, что и военные самолеты имеют такие системы.
Более сложные в своей конструкции и надежные автопилоты начали устанавливаться на отечественные самолеты с конца 70-х годов.
Краткая история создания автопилота
Первый автопилот в мире был создан еще в далеком 1912 году. Изобретение принадлежит американской компании Sperry Corporation, которая смогла создать систему, удерживающую самолет на заданной траектории, при этом стабилизируя крен. Это было достигнуто за счет связи высотометра и компаса с рулями направления и высоты. Связь была настроена за счет использования блока и гидравлического привода.
На схеме показано, как работает типичный автопилот.
Заранее рассчитанные параметры полета вводятся в компьютеры самолета (1).
После взлета автопилот вступает в действие.
Два дисплея(2)показывают положение самолета, его предполагаемый маршрут и высоту.
Изменение положения маленьких заслонок(3) на наружной поверхности самолета оповещает компьютеры о малейшем изменении в ориентации самолета.
Для определения положения используется глобальная система навигации (ГСН) (4).
Приемник расположен на верхней части корпуса (5).
Компьютеры следят за маршрутом и автоматические производят необходимые изменения посредством сервомеханизмов (6),
которые управляют рулем (7),
и настройкой дросселей двигателей (11)
При необходимости пилот может в любой момент отключить автопилот и перейти к ручному управлению (12)
Начиная с 30-х годов 20 века, автопилотами начали оснащать некоторые пассажирские авиалайнеры. Новый виток в развитие автоматических систем управления внесла Вторая мировая война, которая требовала подобных технологий для дальних бомбардировщиков. Впервые полностью автоматический полет через Атлантику, включая посадку и взлет, осуществил самолет C-54, принадлежавший США. Это произошло в 1947 году.
Современный этап развития автоматизированных систем управления самолетами достиг качественно нового уровня. На сегодняшний день лайнеры комплектуются системами ВБСУ или САУ. Система автоматического управления «САУ» осуществляет качественную стабилизацию судна на маршруте и в пространстве. Совокупность агрегатов системы позволяет управлять аппаратом на всех этапах полета. Самые современные разработки позволяют осуществлять полет в так называемом штурвальном режиме, это позволяет максимально облегчить работу пилота, минимизировать его вмешательство. Такие системы самостоятельно стабилизируют самолет от сноса, скольжения или болтанки, могут переходить даже на критические режимы полета, при этом очень часто игнорируя действия пилотов.
Автопилот самолета ведет аппарат по заданному маршруту, при этом используется комплексная информация навигационных приборов собственных и наземных датчиков, которые проводят анализ полета. Данная система проводит управление всеми агрегатами летательного судна. Также работают траекторные системы, которые проводят заход на посадку с высокими показателями точности без каких-либо действий пилотов.
Управляющие устройства в стандартном их виде (рычаги, педали) практически не используются. Высокая степень автоматизации довела управление до подачи электрических импульсов ко всем частям самолетов без применения гидравлики в системе управления. Электромеханические приборы управления позволяют воссоздать более привычные условия пилотам. В кабинах пилотов все чаще устанавливаются боковые рычаги управления по типу «сайдстик».
Проблемы автоматического управления самолетами
Конечно же, первоочередной и самой главной проблемой при создании автопилотов является сохранение безопасности полета. В большинстве старых автоматических систем управления пилот имеет возможность в любое время произвести срочное отключение автопилота и перейти на ручное управление. При нарушении или поломке автопилота крайне необходимо отключение системы обычным способом или механическим. В аппарате Ту-134 возможно проведение «отстрела» автопилота установленным пиропатроном. При разработке автопилота тщательно продумываются варианты его отключения в случае поломки без вреда для полета.
Для повышения безопасности автоматика управления работает в многоканальном режиме. Параллельно могут работать сразу четыре системы пилотирования с одинаковыми параметрами и возможностями. Также система проводит постоянный анализ и мониторинг входящих информационных сигналов. Полет осуществляется на основе так называемого метода кворумирования, который состоит из принятия решения по данным большинства систем.
В случае поломки автопилот способен самостоятельно выбрать дальнейший режим управления. Это может быть переключение на другой канал управления или передача управления пилоту. Для проверки работы систем необходимо проводить так называемый предполетный прогон систем. Данный тест состоит из запуска пошаговой программы, которая подает имитацию сигналов полета.
Все же ни одна проверка не позволяет достичь 100%-й гарантии безопасности и работы в полете. Из-за нестандартных ситуаций в воздухе могут возникать дополнительные проблемы с автоматикой управления. Некоторые автопилоты имеют различные программы, которые позволяют наиболее безопасно проводить полет соответствующего авиалайнера.
Все же полет на одном автопилоте без человеческого фактора очень опасен и практически невозможен. Можно сделать один логический вывод, что чем «умнее» самолет и сложнее его конструкция, тем меньше шансов на полет без человеческого вмешательства. Чем больше новых автоматизированных систем используется, тем значительнее возрастают шансы на их отказ в полете. Просчитать все варианты отказа практически невозможно. Именно поэтому навыки пилота останутся востребованными постоянно, поскольку каждый летчик проходит очень большой путь к управлению пассажирскими лайнерами. Соответственно, навыки и быстрое принятие решений остаются более важными, нежели действия компьютерных программ.
Самые современные системы автоматического управления типа fly-by-wire позволили значительно снизить общую массу конструкции самолета. При этом надежность бортовых систем возросла в разы. Оборудование реагирует без промедлений, а также способно исправлять ошибки, вызванные человеческим фактором при управлении. Это говорит о том, что система не позволит пилоту завести машину в опасную для нее и пассажиров на борту ситуацию. Современные самолеты типа Airbus перестали комплектоваться стандартными рычагами и педалями управления, вместо этого устанавливаются джойстики. Все это позволяет пилотам не задумываться над тем, какую команду и как необходимо передать отдельному агрегату. Не нужно продумывать угол отклонения элеронов или закрылок, достаточно наклонить джойстик управления – и компьютер сделает все сам.
Все же, несмотря на всю радужную картину, по вине автопилотов произошло немало крушений и аварий, которые привели к человеческим жертвам. История авиакатастроф по вине автоматических систем управления, к сожалению, очень богата фактами ненадежности таких систем.
Никого за штурвалом: когда самолеты станут беспилотными и насколько это опасно
Беспилотные средства передвижения становятся все более распространенными. Во всяком случае, когда речь идет об автомобилях, но не о самолетах. «Хайтек» рассказывает, на каком этапе находится развитие беспилотных самолетов и возможно ли их доминирование в авиации будущего.
Читайте «Хайтек» в
На заре авиации от пилота требовалось постоянно находиться в состоянии повышенной готовности. Важно было сосредоточиться не только на управлении транспортного средства, но и на наблюдении за ситуацией внутри и вокруг самолета. Все это приводило к сильной усталости пилотов — физической и моральной — на протяжении всего полета.
Когда полет небольшой, это не такая большая проблема. Но с развитием технологий и глобализацией, увеличивалась и дальность и время полетов. При всем желании человеку тяжело сохранять концентрацию в течение длительных периодов времени. Потенциально это очень опасно. Усталый человек будет ошибаться как в наблюдениях, так и в суждениях, что может закончиться катастрофой.
Системы автопилота: тогда и сейчас
Именно по этой причине функция автопилота появилась удивительно рано. Тяжело поверить, но один из первых самолетов, который оснастили такой системой (хотя и элементарной по современным меркам), построила компания Sperry Corporation в начале 1910-х годов.
Эта функция включала подключение гироскопического указателя курса, также базовая настройка позволяла летательному аппарату двигаться прямо и горизонтально по предварительно установленному пеленгу компаса в течение длительных периодов времени без полного внимания пилота. Такое простое устройство избавило его от большой нагрузки.
Системы автопилота со временем становились все более сложными, и в 1930-х годах Королевское авиастроительное учреждение в Великобритании разработало более совершенную систему. Система «Помощник пилота» использовала гироскопы с пневматическим вращением для фактического управления полетом.
В дальнейшем системы поставлялись с улучшенными алгоритмами управления, сервомеханизмами и даже средствами радионавигации, что позволило самолетам автономно летать ночью или в плохую погоду. Уже в 1947 году самолет C-53 ВВС США взлетал, пересекал Атлантику и приземлялся, все это — полностью под контролем автопилота.
Автопилот не такой «автоматический», как кажется. Нет робота, который сидит в кресле пилота и жмет кнопки, пока настоящий пилот спит. Это просто система управления полетом, которая позволяет пилоту управлять самолетом без постоянного ручного управления. По сути, он позволяет пилоту летать из Нью-Йорка в Лос-Анджелес, не нажимая на рычаги управления в течение шести часов подряд.
Современная автоматическая система управления полетом (AFCS, Automatic Flight Control System) состоит из трех основных частей: компьютера, который наблюдает за полетом, нескольких высокоскоростных процессоров и ряда датчиков, размещенных на разных частях самолета. Датчики собирают данные со всего самолета и отправляют их процессорам, которые, в свою очередь, сообщают компьютеру, что к чему.
Автопилот активируется через некоторое время после взлета и выключается перед посадкой. Разрешение этого программного обеспечения может отличаться от самолета к самолету.
Автопилот может посадить самолет в соответствии с необходимыми командами. Это называется системой автоматической посадки. Если самолет пытается приземлиться в сложных условиях, при наличии тумана, полностью закрывающего прицел, посадка самолета выполняется в соответствии с определенными параметрами безопасности с помощью системы ILS (Instrument Landing System). В таких случаях автопилот, действуя синхронно с другими системами самолета, обеспечивает посадку под контролем кабины экипажа.
Также системы помогают самолету набирать высоту, поддерживать круиз-контроль и горизонтальный полет, а также управлять снижением, заходом на посадку и заключительными этапами посадки. Руление перед взлетом, фактическая посадка и руление после приземления по-прежнему являются прерогативой пилотов-людей. Системы автопилота также отключаются во время экстремальной турбулентности.
По сути, успех автопилота зависит от знаний реального пилота-человека.
В 2020 году Airbus объявила, что успешно разработала и испытала полностью автономную взлетную систему, для промышленности новость была весьма новаторской. Используемая технология отличается от существующих систем посадки по приборам, которые распространены на современных авиалайнерах. Система распознает изображения, чтобы удерживать самолет на центральной линии взлетно-посадочной полосы, регулировать тангаж, скорость и, наконец, поднимает испытательный самолет Airbus в воздух. Это важный шаг к тому, чтобы в недалеком будущем сделать самолет полностью автономным.
Пилоты будут не нужны?
С учетом высокого уровня сложности современных автопилотов, можно подумать, что пилоты не нужны вовсе. Если самолет теоретически может летать сам, зачем они нужны? Оказывается, хотя большую часть работы можно делегировать автопилоту, присутствие человека по-прежнему очень важно. На самом деле, вряд ли это изменится в ближайшее время.
Когда дело доходит до беспилотных самолетов будущего, большинство респондентов не полностью сопротивлялось этой идее, но предпочли бы подождать, пока технология станет более продвинутой.
Еще одна причина, почему пилоты нужны, состоит в том, что при определенных обстоятельствах люди сами становятся лучшими «машинами для принятия решений», чем компьютер. Несмотря на всю его сложность, он все равно не сравнится со сложным компьютером в черепе человека. Наш мозг может воспринимать огромное количество информации одновременно, принимать быстрые решения и импровизировать на лету. Такую гибкость невероятно сложно воспроизвести на машине, если вообще возможно.
Более того, учитывая крайне хаотичную среду полета, зачастую могут возникать нестандартные ситуации, в которых регулируемая и управляемая машина не способна принимать решения.
Например, в 2010 году самолет Qantas с 450 пассажирами получил серьезную неисправность в полете. Из-за выхода из строя ротора двигателя его части разлетелись по всему самолету, повредив несколько критически важных систем самолета, в том числе шасси. Бортовая система управления полетом была перегружена аварийными ошибками и сообщениями, с которыми невозможно было справиться одновременно. Пилоты за штурвалом (а также эксперты вне дежурства, которые были среди пассажиров) смогли импровизировать и успешно посадить самолет. Хотя вполне возможно, что система автопилота нашла способ сделать то же самое, именно быстрое мышление и способность импровизировать спасли в тот день сотни жизней.
Так что же безопаснее?
На сегодняшний день полет — один из самых безопасных способов путешествовать. Примерно с 1970 года количество авиационных происшествий с участием коммерческих самолетов (самолетов с более чем 19 пассажирами на борту) постепенно снижалось. К 2019 году количество несчастных случаев со смертельным исходом на миллион рейсов снизилось в 12 раз по сравнению с 1970 годом.
Причина — совершенствование технологий и более строгое регулирование авиационной промышленности, повышение надежности и возможностей автопилота. Судя по статистике за 2019 год, который является последним «нормальным» годом для оценки статистики полетов (год перед пандемией), шансы умереть в авиакатастрофе практически равняются нулю.
При этом, по данным Национального совета безопасности США (одна из стран, где на душу населения приходится больше всего автомобилей), за последние 10 лет уровень смертности при использовании легковых автомобилей был в 1 606 раз выше, чем при полете на самолете. Почему же автомобили с автопилотом есть, а самолетам все еще нужны пилоты?
Автономные технологии в транспортных средствах, хотя и впечатляют, все еще находятся в зачаточном состоянии и не застрахованы от ошибок. Однако ситуация меняется, поскольку машинное обучение становится все более важным компонентом таких систем.
Насколько мы близки к полностью автономному полету?
Тем не менее, мы, вероятно, никогда не увидим будущее, когда в кабине коммерческого самолета не будет обученного человека. Даже если предположить, что все технические проблемы устранят и автопилоты смогут адаптироваться к ситуациям как люди, пассажиры, вероятно, будут чувствовать себя в большей безопасности, зная, что в кабине есть человек, который якобы контролирует ситуацию.
Но когда речь идет о дронах доставки, военных дронах и, возможно, даже военных самолетов, беспилотное, полностью автономное будущее, вероятно, неизбежно.
ANSYS — универсальная программная система конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики.
FAA (The Federal Aviation Administration) — Федеральное управление гражданской авиации США.
Крен (Roll), Тангаж (Pitch), Рыскание (Курс, Yaw) — три угла поворота, соответствующие трём углам Эйлера, которые задают ориентацию аппарата относительно нормальной системы координат (относительно его центра инерции по трём осям).
Сервомеханизм —обычный двигатель постоянного тока со встроенными сервоконтроллерами и коробками передач. В основе его работы лежит система обратной связи, в которую вводится выходной сигнал, несущий информацию о позиции, скорости, ускорении или смещении. Данные передаются корректирующим элементом и усилителем в исполнительный агрегат — привод или электродвигатель.
Кратко и понятно: как работает автопилот?
Автопилот – тема сложная, и углубляться в матчасть мы не будем, а лучше разберемся в общем принципе работы автопилота.
Самые азы автопилота: самолет находится в системе координат: Рыскание, Тангаж и Крен.
За каждое из этих движений отвечает своя часть. Руль направления помогает поворачивать самолет в стороны (рыскание). Поднимать или опускать нос самолета (тангаж) помогают элевоны – горизонтальные части хвоста. Элероны — внешние части крыльев, накреняют самолет вправо или влево (тангаж).
Так как же работает автопилот?
Один из видов – одноосный, управляет эленорами и отвечает за крен самолета. Благодаря этому автопилоту, крылья самолета не кренятся, где не надо.
Другой тип – двуосный. Управляет уже и элеронами и элевонами. Он удерживает самолет ровно в двух осях: поперечной и продольной.
И, как вы догадались, третий тип – трехосный автопилот. Управляет рулём управления, элевонами и элеронами и держит самолет в трех осях.
Все эти автопилоты имеют сенсоры, которые соединены с процессорами. Процессоры получают информацию для управления воздушным судном, обрабатывают их, и принимают решение, что делать (уменьшить крен, например). Кроме того, автопилоты сравнивают данные, полученные от пилотов, и проводят собственные вычисления. В начале полета пилоты задают для автопилота нужную высоту и направление. В полете автопилот помогает пилоту контролировать самолет: выполняет ли воздушное судно команды пилота или нет.
Грубо говоря, автопилот – это посредник, который помогает пилоту контролировать самолет, а не управлять вместо него.
И как это на практике?
Посмотрим на самом простом – одноосном автопилоте.
Вначале пилоты задают настройки, чтобы крылья самолета сохраняли ровное положение, но в полете эти настройки все равно собьются.
Тогда в дело вступают гироскопы в крыльях – они выравниваются и отправляют данные автопилоту. Автопилот же понимает, что крылья уже не держатся ровно. Чтобы это исправить, он отправляет блокам системы, отвечающим за элероны, команду: выровнять положение крыльев.
Затем гироскоп отправляет команду, что крылья теперь находятся строго параллельно земле, и отменяет команду автопилота. Самолет снова летит ровно!
Конечно, автопилот занимает еще и многим другим – контроль подачи топлива, газодинамическую устойчивость работы силовой установки и т. д. Но об этом – в других постах.
СОДЕРЖАНИЕ
Первые автопилоты
На заре авиации самолет требовал постоянного внимания пилота, чтобы летать безопасно. По мере того, как дальность полета самолетов увеличивалась, что позволяло выполнять многочасовые полеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения некоторых задач пилота.
В 1930 году Royal Aircraft Establishment в Соединенном Королевстве разработал автопилот, называемый помощником пилотов, который использовал гироскоп с пневматическим вращением для перемещения органов управления полетом.
Автопилот получил дальнейшее развитие, включая, например, улучшенные алгоритмы управления и гидравлические сервомеханизмы. Добавление дополнительных инструментов, таких как средства радионавигации, позволило летать ночью и в плохую погоду. В 1947 году самолет C-53 ВВС США совершил трансатлантический полет, включая взлет и посадку, полностью под управлением автопилота. Билл Лир разработал свой автопилот F-5 и систему автоматического управления приближением и был удостоен награды Collier Trophy за 1949 год.
В начале 1920-х танкер Standard Oil JA Moffet стал первым судном, использующим автопилот.
Пясецкий HUP-2 ретривер был первый серийный вертолет с автопилотом.
Лунный модуль цифрового автопилота программы Apollo был ранним примером полностью цифровой системы автопилота в космическом корабле.
Современные автопилоты
Не все пассажирские самолеты, летающие сегодня, имеют систему автопилота. Старые и небольшие самолеты авиации общего назначения по-прежнему управляются вручную, и даже небольшие авиалайнеры с менее чем двадцатью местами также могут не иметь автопилота, поскольку они используются в краткосрочных полетах с двумя пилотами. Установка автопилотов на самолетах с более чем двадцатью местами обычно является обязательной в соответствии с международными авиационными правилами. В автопилотах для небольших самолетов есть три уровня управления. Одноосный автопилот управляет самолетом только по оси крена ; Такие автопилоты также известны в просторечии как «выравниватели крыла», что отражает их единственную способность. Двухосный автопилот управляет самолетом по оси тангажа, а также крену, и может быть немного больше, чем выравниватель крыла с ограниченной способностью корректировать колебания тангажа; или он может получать входные данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения истинного автоматического наведения полета после взлета самолета до незадолго до посадки; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосный автопилот добавляет контроль по оси рыскания и не требуется во многих небольших самолетах.
Современные автопилоты используют компьютерное программное обеспечение для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета, а затем управляет системой управления полетом, чтобы направлять самолет. В такой системе, помимо классического управления полетом, многие автопилоты включают в себя возможности управления тягой, которые могут управлять дросселями для оптимизации воздушной скорости.
Управление рулевым колесом
Детали компьютерной системы
Аппаратное обеспечение автопилота варьируется в зависимости от реализации, но, как правило, в первую очередь учитывается избыточность и надежность. Например, система управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770, используемая на Boeing 777, использует микропроцессоры FCP-2002 с тройным дублированием, которые прошли формальную проверку и изготовлены с использованием радиационно-стойкого процесса.
Программное и аппаратное обеспечение автопилота строго контролируется, и проводятся обширные процедуры тестирования.
Некоторые автопилоты также используют разнообразие дизайна. В этой функции безопасности критически важные программные процессы будут выполняться не только на отдельных компьютерах и, возможно, даже с использованием разных архитектур, но и на каждом компьютере будет выполняться программное обеспечение, созданное разными группами инженеров, часто запрограммированное на разных языках программирования. Обычно считается маловероятным, что разные инженерные команды совершат одни и те же ошибки. По мере того, как программное обеспечение становится более дорогим и сложным, разнообразие дизайнов становится менее распространенным, поскольку меньшее количество инженерных компаний может себе это позволить. Компьютеры управления полетом на космическом шаттле использовали эту конструкцию: было пять компьютеров, четыре из которых с дублированием запускали идентичное программное обеспечение, а пятый резервный запускал программное обеспечение, которое было разработано независимо. Программное обеспечение пятой системы обеспечивало только основные функции, необходимые для управления шаттлом, что еще больше уменьшало любую возможную общность с программным обеспечением, работающим на четырех основных системах.
Системы повышения устойчивости
Есть два типа демпфера рыскания: последовательный демпфер рыскания и параллельный демпфер рыскания. Привод параллельного амортизатора рыскания будет перемещать руль независимо от педалей руля направления пилота, в то время как привод последовательного амортизатора рыскания сцеплен с квадрантом управления рулем направления, что приведет к перемещению педали при движении руля направления.
Автопилот для посадки по ILS
Посадки по приборам классифицируются Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) по категориям. Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может производиться автоматически без участия пилота.
Отказоустойчивый автопилот: в случае отказа самолет остается в управляемом положении, и пилот может взять его под свой контроль, чтобы обойти или завершить посадку. Обычно это двухканальная система.
Автопилот, работающий при отказе: в случае отказа ниже аварийной высоты заход на посадку, сигнальная ракета и посадка могут быть выполнены автоматически. Обычно это трехканальная система или двухканальная система.