Вертолёт, 2005 № 01

«Умная» техника в помощь пилоту

Рис. 1. Автономное навигационно-пилотажное средство (ПНС-А)

Разнообразие задач, выполняемых вертолетной авиацией, растет год от года. Сегодня, когда государства вынуждены противостоять и природным и техногенным катаклизмам, террористической угрозе, обеспечивать безопасность границ, перед вертолетной техникой стоят особенно ответственные задачи. Причем выполняться они должны в любых погодных условиях, днем и ночью. На наиболее ответственных и опасных режимах полета пилоту вертолета приходится работать тремя органами управления одновременно, обеспечивая безопасность операций. При этом на него ложится огромная психоэмоциональная нагрузка, усугубляющаяся дефицитом времени, плохой видимостью, противодействием противника и т. п. В этих условиях пилоту на помощь должна прийти современная техника, чтобы упростить управление, позволить сконцентрировать внимание и силы на наиболее ответственных операциях и в результате — снизить нагрузку на летчика и обеспечить безопасность полета.

Один из путей решения этой задачи состоит в оснащении самолетов и вертолетов средствами навигации и управления, интегрированными в компьютерные системы. В такие комплексы поступает информация от различных штатных систем ЛА. Эта информация обрабатывается и выводится на экран жидкокристаллического дисплея, называемого МФИ — многофункциональный индикатор. Основными информационными экранами МФИ являются основной пилотажный и навигационный дисплеи. Главным преимуществом современного МФИ является возможность отображения показаний всех пилотажных приборов на одном экране, что позволяет концентрировать внимание летчика. Поскольку современные авиационные приборы зарубежного производства, как правило, имеют стандартизованный цифровой выход, то вывод информации от этих систем на один дисплей не представляет технической проблемы. Такие системы называются glass cockpit, и в настоящее время они уже рассматриваются как стандарт бортового оборудования современного летательного аппарата. Характерным примером такой системы является Garmin-G1000.

Большая часть отечественного вертолетного парка состоит из машин выпуска 80-90-х годов. Это надежные машины с прекрасными эксплуатационными характеристиками, зарекомендовавшие себя в качестве незаменимых исполнителей сложных гражданских и боевых операций. К сожалению, их пилотажно-навигационное оснащение не соответствует ни возросшему уровню сложности и оперативности решаемых задач, ни современному уровню развития науки и техники (следует заметить, что и вновь выпускаемые машины в лучшем случае могут быть оснащены современной аппаратурой в качестве опции за дополнительную плату).

Срок летной годности самолета или вертолета может составлять 30 и более лет. Поэтому «рабочие лошадки», выпущенные в последние десятилетия прошлого века, еще долгое время будут находиться в эксплуатации. Оснащение их современными средствами навигации и пилотирования требует материальных затрат. В то же время повышаются требования к безопасности полетов, и заказчики требуют от организаций, занимающихся переоборудованием и модернизацией ЛА, оснащать самолеты и вертолеты техникой, соответствующей современному уровню науки и технологии, а главное, обеспечивающей безопасность полетов в любых условиях.

Каким же образом снабдить пилота современной электронной компьютерной системой индикации, не проводя модернизации бортового оборудования находящегося в эксплуатации вертолета? Установка промышленного комплекта glass cockpit требует его сопряжения с бортовыми системами, то есть модернизации борта. К тому же стоимость таких систем зашкаливает за многие десятки тысяч долларов.

Решение проблемы предлагает компания ТеКнол. Компания разработала и производит автономное пилотажно-навигационное средство (ПНС-А), не связанное с бортовыми системами и получающее всю пилотажно-навигационную информацию от собственных датчиков и приемника спутниковой навигационной системы (рис. 1).

Основным элементом пилотажно-навигационного средства ПНС-А является малогабаритная интегрированная навигационная система (МИНС) КомпаНав-2 (рис. 2). На базе микроэлектромеханических датчиков и приемника GPS реализована инерциальная навигационная система (ИНС), сочетающая малые размеры с точностными параметрами стандартной авиационной ИНС.

МИНС КомпаНав-2 определяет:

— углы ориентации ЛА;

— географические координаты;

— барометрическую высоту и геовысоту;

— угловые скорости и ускорение ЛА;

— путевую скорость полета ЛА.

В качестве опции может устанавливаться датчик воздушной скорости, эксплуатационный накопитель и модем для передачи данных.

Как уже говорилось, все эти параметры определяются автономно, без подключения системы к штатному бортовому оборудованию, что делает ее легко устанавливаемой на летательных аппаратах любого типа.

В качестве МФИ используется переносной персональный компьютер планшетного типа Panasonic CF-18, выполненный в соответствии со стандартом MIL-STD-810F. Компьютер имеет сенсорный одиннадцатидюймовый жидкокристаллический дисплей повышенной яркости, который может быть конфигурирован в планшетный индикатор.

Комплект упаковывается в герметичный ударопрочный пластмассовый кейс и является персональным привносимым оборудованием. Для установки ПНС-А не требуется модернизации существующих штатных систем. Оно легко устанавливается и демонтируется. Установка комплекта ПНС-А на борт вертолета может выполняться самим пилотом или борттехником. Являясь дублирующим, дополнительным оборудованием, ПНС-А имеет на борту статус, аналогичный статусу карманного навигационного приемника JPS. Достаточно разрешения на установку. Решение на использование ПНС пилот принимает самостоятельно, сообразуясь с обстоятельствами полета. По желанию пользователя ПНС-А комплектуется дополнительным экраном, клавиатурой и нашлемным индикатором.

Рис. 4. Основной экран ПНС-А

Рис. 2. МИНС КомпаНав-2

Рис. 3. ПНС-тренажер

Какие же возможности предоставляет ПНС-А пилоту? Как уже упоминалось, ПНС-А является привносимым оборудованием. Компьютер может быть снят для проведения подготовительных работ, разбора полета и тренажерной подготовки. В ПНС-А вводится цифровая карта предполагаемого района полета. Это может быть даже сканированное изображение бумажной карты. С помощью специальных процедур проводится ее привязка по географическим координатам.

На этапе планирования полета пилот или штурман вертолета с учетом рельефа прокладывает маршрут на карте, отмечая на экране компьютера желаемые промежуточные пункты маршрута (ППМ). В полете ПНС-А строит пространственную траекторию и ведет вертолет от одного пункта к другому. Помимо этого, ПНС самостоятельно строит схемы посадок на оперативно выбранные площадки и взлетов с учетом рельефа и направления ветра (уже на этапе полета).

Автономное пилотажно-навигационное средство может выполнять функцию мини-тренажера (рис. 3). Для этого к нему подключаются джойстики-манипуляторы и педали. Пилот может совершить виртуальный полет, пройдя маршрут или наиболее сложные его этапы в режиме реального времени, отрабатывая навыки работы с ПНС-А.

Рис. 5. Пилотажно-навигационные экраны ПНС

Рис. 6. Изображение на дисплее рельефа местности; предупреждение о возможном столкновении с землей

Для отображения параметров полета в ПНС-А используется «образная индикация». На дисплее создается образ полета в виде хорошо понятных летчику 2- и 3-мерных графических образов, обеспечивающих устойчивую пространственную ориентировку (рис. 4).

Главной особенностью образной индикации является переход от директорного управления, когда летчик по показаниям приборов парирует через органы управления уже совершившиеся ошибки ориентации ЛА, к ориентации вектора скорости в пространстве в желаемом направлении через результирующую силу, индицируемую на дисплее ПНС-А в виде вектора. Учет в программном обеспечении ПНС-А устойчивости и управляемости конкретного типа ЛА и высокие характеристики системы КомпаНав-2 в определении параметров полета гарантируют высокую точность пилотирования и своевременное предупреждение пилота о возможном выходе летательного аппарата за пределы эксплуатационных ограничений.

Применительно к пилотированию вертолета это означает, что летчик, следуя индикации ПНС-А, может с минимальными усилиями и затратами внимания эффективно парировать внешние возмущения. То есть здесь-то современная техника и берет на себя часть функций по управлению вертолетом при совершении сложных операций, таких, например, как подцепка и укладка грузов, траловые работы, тушение пожаров, патрулирование, и выполнении типовых задач по маршруту с посадкой на оборудованные и необорудованные площадки.

При полете в сложных метеоусловиях (СМУ) по заранее проложенному маршруту ПНС-А обеспечивает приведение летательного аппарата в заданную точку и в заданное время, делая возможным инструментальный полет в условиях недостаточной или даже нулевой видимости. Имея собственные датчики координатного и пространственного положения, ПНС-А, по сути, становится резервным или дублирующим комплексом, наличие которого на борту делает возможным эксплуатацию вертолета в сложных метеоусловиях и ночью (рис. 5).

По статистике столкновение с подстилающей поверхностью — одна из главных причин фатальных авиационных происшествий.

Ведущие мировые производители (Gamin, Bendix King) выводят на экраны своих EFIS (Electronic Flight Information System) графическое представление рельефа местности в виде трехмерной проекции или цветного плана (рис. 6). Функция предупреждения о столкновении с поверхностью является важнейшей составляющей обеспечения безопасности полета.

Пилотажно-навигационное средство отображает на экране дисплея трехмерный рельеф подстилающей поверхности, делая возможным инструментальный полет с огибанием рельефа и обходом препятствий. Функция предупреждения реализована в виде линии безопасной высоты — мажоранты, определяемой автоматически, в соответствии с рельефом и параметрами полета.

В процессе полета ПНС-А выполняет функцию эксплуатационного накопителя. Все выходные данные системы КомпаНав-2 регистрируются и могут быть подвергнуты анализу после полета: восстановлена траектория (в плане и по высоте), построены графики изменения основных параметров полета. Наконец, ПНС-А позволяет «проиграть» весь полет, провести его визуальную реконструкцию, оценить качество работы летчика, увидеть ошибки пилотирования.

Описанные выше свойства пилотажнонавигационного средства позволяют применять его для выполнения заданий, связанных с полетами на малых и предельно малых высотах в равнинной и горной местности и над районами городской застройки. ПНС-А обеспечивает инструментальный полет без визуальных ориентиров днем и ночью, в простых и сложных метеоусловиях. Важно отметить, что, обладая всеми свойствами штатных пилотажных приборов, эта система не конкурирует с сертифицированным оборудованием и не заменяет его. В то же время ПНС-А позволяет расширить функциональные возможности вертолета, снизить нагрузку на летчика, обеспечив большую степень безопасности при выполнении сложных операций.

Рис. 7. Пилотирование вертолета Ми-8 по ПНС

ПНС-А прошло летные испытания на вертолетах различных типов. Разработаны схемы его установки на вертолеты Ми-8, Ми-24, Ми-26, Robinson R-44 (рис. 7). Получена положительная летная оценка, в которой говорится: «Представленный образец автономного пилотажно-навигационного средства (ПНС-А) по своим функциональным возможностям, техническим характеристикам, уровню надежности может быть использован в качестве автономного (дублирующего) пилотажно-навигационного средства на вертолетах любых типов. ПНС-А позволит оказать действенную практическую помощь экипажам в подготовке и решении типовых задач днем и ночью, в облаках и при ограниченной видимости».

В прошлом году московская компания ТеКнол представляла свою продукцию на Международном авиакосмическом салоне «Авиасвит-XXI» в Киеве и получила высокую оценку — диплом авиасалона. В августе 2005 года ООО ТеКнол будет участвовать в Московском международном авиакосмическом салоне МАКС-2005.

Владимир ВОРОНОВ, канд. техн. наук ООО ТеКнол, www.teknol.ru

В поисках золотой середины

Сегодня трудно представить себе жизнь нашей страны без вертолетов (хотя история их развития и насчитывает немногим более 50 лет): винтокрылая авиация вносит весомую лепту в экономику, она способна выполнять самые разнообразные виды авиаработ. На каждом этапе развития вертолетной техники решались свои задачи, соизмеряемые с уровнем общего технического развития и потребностей практического применения винтокрылых машин. В настоящее время одной из наиболее актуальных задач является создание сбалансированного и эффективного распределения обязанностей между летчиком современного вертолета и его системой управления, его бортовым комплексом.

Летчики, имеющие опыт пилотирования и самолета, и вертолета, отмечают, что управление вертолетом (по причине его неустойчивости) требует большего внимания и более высокого уровня сенсомоторных навыков. При пилотировании вертолета 40 % времени летчик выполняет движения одновременно не одним, а двумя органами управления, и до 23 % — тремя. Полет вертолетов строем, на предельно малой высоте, выполнение поисково-спасательных и траловых работ, подцепка и укладка грузов требуют от летчика постоянной работы тремя органами управления. Это ведет к быстрой утомляемости и, как следствие, к тому, что воздействия пилота на органы управления вертолета становятся менее дозированными и недостаточно координированными.

В настоящее время при пилотировании вертолета используются три вида управления: ручное, полуавтоматическое и автоматическое. Ручное управление было и остается «главным» видом управления и используется на наиболее трудных (и по этой причине неавтоматизированных) режимах полета, а также при отказах. Сложность ручного управления обусловлена большим объемом информации, который летчику нужно успеть обработать за очень короткое время.

Ми-8МТКО

Для облегчения пилотирования широко применяется полуавтоматическое управление. В этом случае у летчика появляется дополнительный источник информации — командный (или директорный) прибор и управление вертолетом существенно упрощается. Есть и минус: полуавтоматическое управление заставляет летчика чаще и дольше фиксировать внимание (взгляд) на командном приборе.

Совместные работы, проведенные специалистами Института авиационной и космической медицины и Государственного летно-испытательного центра им. В.П. Чкалова, показывают, что использование директорных приборов, во-первых, меняет структуру распределения внимания летчика, а во-вторых, снижает возможность контролировать показания дополнительных приборов, фиксирующих режим полета и определяющих пространственную ориентировку, особенно необходимую при отсутствии видимости или в условиях ограниченной видимости закабинного пространства.

Автоматическое управление вертолетом значительно упрощает задачу пилота, высвобождает его внимание для выполнения других задач. Прицельные пилотажно-навигационные комплексы обеспечивают автоматизацию большинства режимов полета (висение, полет по маршруту с сохранением заданных высоты и скорости полета и т. д.).

В настоящее время развивается тенденция дальнейшей автоматизации процесса управления вертолетом, происходит усложнение информационно-управляющего поля кабины экипажа, и если в этом случае не изменить методологию построения эргатической системы «летчик — вертолет — среда» (ЭС Л-В-С), то возможно снижение безопасности полета, увеличение уровня нервно-эмоционального напряжения (НЭН) и нагрузки на экипаж.

В работах ведущих специалистов в области летного труда отражается тот факт, что при усложнении техники и условий ее применения роль человеческого фактора в системах автоматического управления только увеличивается. Это факт нашел свое подтверждение в летной практике, в частности, при проведении государственных испытаний вертолетов Ка-50 и Ми-28А, решающих типовые задачи на высотах 1025 метров в дневных условиях, и вертолетов Ми-24ПН и Ми-8МТКО, чья задача — решение типовых задач ночью на предельно малых высотах.

Наиболее сложными аспектами процесса автоматизации являются не только технические (возникающие при создании автоматических систем), но и психофизиологические трудности, неизбежно появляющиеся при решении вопросов взаимодействия летчика со средствами автоматизации. Для современных и перспективных вертолетов круглосуточного действия вопрос взаимодействия является одним из самых важных, определяющих эффективность функционирования эргатической системы «летчик — вертолет — среда».

Автоматизация процесса управления означает, что технические системы должны интегрировать разрозненные сигналы и представлять летчику отчасти переработанную информацию, а также выполнять функцию управления вертолетом на тех режимах полета, на которых человек просто не в состоянии работать с заданной точностью. В этом смысле летчик в системе управления вертолетом является не просто отдельной системой, а активным ее звеном, определяющим ее «целеустремленность» и управляющим событиями.

Повышение надежности работы технических звеньев системы чрезвычайно дорого, в то время как летчик помогает повышению общей надежности системы за счет способности предупреждать отказы, заменять отказавшие приборы, парировать возможные опасные последствия их неисправности и т. д.

Однако проблема дублирования остается наиболее критичной и малоисследованной областью проектирования вертолетов. В результате недооценки отмеченных в актах по государственным испытаниям недостатков вертолеты приходят на дальнейшие летные испытания с рядом проблем. Как показали исследования, при пилотировании на предельно малой высоте в условиях низкой освещенности отмечаются:

— полная загруженность внимания летчика процессом управления;

— недостаток времени, переходящий в его дефицит при любых незначительных осложнениях;

Ми-28Н

Кабина вертолета Ми-8МТКО

— повышенная нервно-эмоциональная напряженность, вызванная высокой ответственностью за принятие решения на выполнение управляющего действия;

— сложность сенсомоторной структуры действий;

— повышенная концентрация внимания, связанная непосредственно с управлением и слежением.

Работа полностью автоматизированной системы далеко не идеальна, она не достигает уровня, заданного требованиями безопасности и надежности в ГОСТе В 20570-88, которые включают в себя 37 показателей. В случае отказов автоматики возможна стрессовая реакция летчика, приводящая к запоздалым или неверным решениям, действиям по типу проб и ошибок, импульсивным реакциям, задержке в восприятии важных сигналов. Эффективность системы «человек — вертолет» в таких условиях снижается.

Следовательно, нужно искать «золотую середину» в распределении «обязанностей» между экипажем и бортовым комплексом, людьми и техникой. Особенно важной эта проблема является для боевых вертолетов круглосуточного применения Ми-28Н, Ка-52, Ми-24ПН, Ми-8МТКО, оснащенных самым разнообразным оборудованием — от телевизионной аппаратуры до очков ночного видения.

Одним из возможных путей снижения нервно-эмоциональной нагрузки на экипаж и обеспечения безопасного выполнения полетов на ПМВ вне зависимости от времени суток и типа подстилающей поверхности может служить разработка пилотажно-навигационной аппаратуры на базе компьютерных средств обработки и индикации летных данных. Современные компьютерные комплексы, получающие информацию от бортовых систем (так называемый «интегрированный борт»), способны в значительной степени решить эту задачу.

Однако применение таких систем на серийных отечественных вертолетах встречает препятствия как экономического, так и технического характера: дорого, серийные отечественные вертолеты «интегрированных бортов» не имеют, установка такой системы на уже эксплуатирующиеся вертолеты требует согласований и сертификации.

Поэтому решение по обеспечению безопасности полета следует искать в области автономных средств, напрямую не связанных с бортовыми системами. Современный уровень развития электроники и компьютерной техники позволяет решить эту задачу.

Владимир ПУХВАТОВ, летчик-испытатель 1 класса, канд. техн. наук