Автопілот вже став звичним явищем. Без нього неможливо уявити собі сучасні літальні апарати. Сьогодні поговоримо про те, звідки він узявся і як працює.
Розвиток систем допомоги польоту, сьогодні широко відомих як автоматичне пілотування або просто автопілот, відіграв ключову роль у розвитку авіації, дозволивши пілотам зосередитися на інших аспектах польоту. Перші роки розвитку авіації характеризувалися відсутністю будь-яких передових систем навігації та управління, і пілотам доводилося покладатися лише на свій досвід і почуття. Зараз автопілот дозволяє перекладати багато завдань пілота на системи, встановлені в літаку. Але так було не завжди.
Також цікаво:
ЗМІСТ СТАТТІ:
Перші спроби створення автопілоту беруть початок ще за часів до Першої світової війни, коли почали використовуватися стабілізуючі гіроскопи. Ці перші спроби впровадження засобів, які сьогодні можна вважати попередниками автопілотів, були спрямовані на допомогу пілоту у підтримці постійного курсу та положення літака. Одним із піонерів у цій галузі був американський винахідник Елмер Амброуз Сперрі, який у 1912 році розробив першу систему допомоги пілотам літаків в утриманні постійного курсу.
Його система використовувала гіроскопи, щоб допомогти утримувати літак у потрібному положенні. “Автопілоти” Сперрі вже використовувалися у військовій авіації під час Першої світової війни, що сприяло популяризації цієї ідеї. Достатньо сказати, що у ті часи літаки взагалі не могли літати, наприклад, у погану погоду або в темряві, оскільки це могло призвести до дезорієнтації пілота.
Лоуренс Сперрі, син Елмера Сперрі, публічно продемонстрував винахід свого батька у 1914 році на конкурсі авіаційної безпеки, що проходив у Парижі. Сперрі-молодший продемонстрував достовірність винаходу, керуючи літаком. Він тримав руки подалі від елементів керування, видимими для глядачів, що зібрались на все це подивитися. Такі його дії та й сам винахід дійсно викликали неабиякий фурор та зацікавленість. Хоча автопілотом це ще зовсім не можна було назвати. Скоріше, “фокуси” хитрого авіатора і винахідника, як вважала преса того часу. Але початок було закладено.
Так, у 1930 році, у Королівському інституті авіації Великої Британії був розроблений автопілот, який використовував пневматичний гіроскоп для керування поверхнями управління літаком. Автопілот отримав подальший розвиток, а додавання нових інструментів, таких як радіонавігаційні пристрої, дозволило літати вночі та за поганих погодних умов. І лише у 1947 році транспортний літак C-53 ВПС США вперше здійснив трансатлантичний політ, включаючи зліт і посадку, повністю під керуванням автопілота. Авіаційна спільнота була в захваті, письменники-фантасти вже писали, що попереду людство чекає ера автопілотованих літаків та гелікоптерів.
Автопілот — це програмне забезпечення або інструмент, який може керувати літальним апаратом лише за певних умов, використовуючи гідравлічні, механічні та електронні системи літака. Ця система, яка може слідувати плану польоту, може стабілізувати швидкість і висоту, а також розташування передньої частини літака (напрямок).
Пілоти здебільшого керують літаком за допомогою автопілота, за винятком зльоту та посадки. Автопілот в основному використовується на пасажирських літаках.
Давайте більш детально розбиратися у принципах дії автопілота. З розвитком літаків і зростанням складності польотів виникла необхідність автоматизувати навігацію та стабілізувати політ за поганих погодних умов, у сутінках та вночі. У відповідь на ці потреби автопілоти почали оснащуватися системами автоматичного керування і системами, які дозволяли програмувати політ і відстежувати за допомогою навігаційних даних.
Впровадження систем автопілотування на пасажирських літаках вимагало виконання певних вимог авіаційних правил. Регуляторні організації, такі як Європейське агентство авіаційної безпеки (EASA) і Федеральна авіаційна адміністрація США (FAA), розробили вказівки та стандарти, які визначають, які випробування та сертифікацію повинні пройти автопілоти для забезпечення безпеки пасажирських польотів.
Загалом можна сказати, що принцип роботи автопілотів, незалежно від того, де вони будуть використовуватися, базується на трьох елементах: вимірюванні, порівнянні та управлінні.
Першим кроком у роботі автопілота є аналіз поточного стану транспортного засобу та навколишнього середовища. Для цього використовуються різні датчики, такі як гіроскопи, акселерометри, магнітометри, датчики швидкості, датчики висоти, радари, системи зору, а також супутникова навігація. З усіх цих джерел надходить інформація про те, що відбувається з літаком, включаючи його швидкість, висоту, напрямок, крен, положення та інші параметри, необхідні для керування транспортним засобом.
Потім на основі зібраних даних автопілот порівнює поточні значення з цільовими значеннями або раніше визначеними параметрами польоту. У разі використання сучасних систем пасажирської авіації пілот перед зльотом вводить у комп’ютер раніше збережені параметри польоту. Потім на кожному етапі польоту маршрут, а також задані параметри, включаючи швидкість і висоту, постійно порівнюються з показаннями датчиків.
Це порівняння дозволяє автопілоту визначити, які коригування необхідно внести, щоб підтримувати або змінювати певні умови польоту. Наприклад, якщо автопілот повинен підтримувати постійну висоту, а датчик висоти виявляє падіння висоти, автопілот вживає заходів для збільшення тяги або кута атаки, щоб компенсувати падіння висоти, яке може виникнути внаслідок неочікуваних змін погоди.
Заключний етап – контроль. Автопілот передає сигнали відповідним системам управління літаком, таким як елементи керування закрилками та двигуном. На підставі розрахованих поправок автопілот формує керуючі сигнали, які впливають на рух апарату та підтримують його в потрібному стані польоту.
Читайте також:
Автопілот може брати участь у більшості механізмів управління, крім зльоту. Загалом він контролює рух літака відносно центру тяжіння та спрямовує літак відповідно до параметрів безпеки. Дані про маршрут, підготовлені перед польотом, завантажуються в це програмне забезпечення. З моменту, коли автопілот отримує вказівку від пілота, він керує літаком у межах цього маршруту,
Сучасні літаки можуть мати три різних типи програмного забезпечення автопілота: одноосьовий, двоосьовий і триосьовий. Зрозуміло, що літаки наступного покоління зможуть керуватися вдосконаленими триосьовими автопілотами. Цей вид автопілоту нового покоління також може керувати поворотом, керуючи кермом разом із рухами обертання та нахилу. У нових системах автопілот може виконувати більшість класичних маневрів польоту. Набір висоти та політ на зниження керуються пілотами, за винятком крайніх випадків. Але автопілот все одно виконує всі операції тільки згідно з командами пілота.
Одним із цікавих прикладів реалізації автопілота є система CWS (Control Wheel Steering), що дослівно можна перекласти українською як “рульове керування кермом”. Цей термін використовується для опису одного з двох суттєво різних режимів або функцій автопілота. Розбіжність залежить від типу автопілота та виробника літака. В одному застосуванні кнопка CWS, встановлена на панелі керування, яка в багатьох типах літальних апаратів називається рульовим керуванням із дотиком (TCS), керує тимчасовим відключенням сервоприводів автопілота, поки літальним апаратом маневрують вручну. З іншого боку, CWS — це режим автопілота з можливістю вибору, який дозволяє змінювати тангаж і крен літального апарату за допомогою маніпуляції зі штурвалом керування замість використання селекторів тангажу чи крену на панелі керування автопілотом. У другому варіанті реакція літального апарату на рух кермового штурвалу в режимі CWS дещо схожа на реакцію апарату Fly-by-wire .
За допомогою системи CWS пілот здійснює рухи штурвалом, і ці рухи інтерпретуються системою автопілота. Автопілот аналізує дані датчиків, таких як гіроскопи, акселерометри та датчики положення, і порівнює їх із параметрами польоту, закладеними в програмному забезпеченні. На основі цієї інформації автопілот вживає відповідних заходів і посилає сигнали системам управління літальним апаратом.
Використання системи CWS має багато переваг. По-перше, це дозволяє пілоту мати більше контролю над літаком порівняно з повною автоматизацією. Пілот може брати активну участь у процесі управління, здійснюючи рухи штурвалом і обираючи напрямок і крен літака. Система CWS адаптується до цих рухів, зводячи до мінімуму потребу в корекції дій пілота.
По-друге, система CWS також може виступати в якості інструменту навчання пілотів. Це дозволяє пілотам отримати досвід ручного керування літальним апаратом, маючи при цьому підтримку та безпеку автопілота. Це проміжне рішення дозволяє пілотам поступово розвивати навички ручного керування, водночас користуючись перевагами вдосконалених функцій автопілота.
Сучасний автопілот інтегрований в систему управління польотом. Це частина електроніки літака, яка в авіації називається авіонікою. Елементи керування розташовані в кабіні, зазвичай на приладовій панелі або на центральній консолі.
Ця система схожа на комп’ютер, який координує інформацію з різних джерел про розташування літака, обчислює якомога точніше поточне місце розташування та керує маршрутом згідно з параметрами, запрограмованими пілотом.
Для керування система підключена до багатофункціонального блоку керування та відображення MCDU, який складається з клавіатури та екрана, що дозволяє візуалізувати різні параметри та керувати пристроєм. Крім того, він має власну панель керування, де контролюються курс, швидкість, висота тощо.
На додачу до цих електронних пристроїв літаки все ще оснащені звичайними датчиками, механізмами та приводами. Однак автопілот робить політ безпечнішим і ефективнішим.
Сучасні автопілоти літаків покладаються на передові комп’ютерні системи, які відіграють ключову роль у керуванні літальним апаратом. Програмне забезпечення автопілота відповідає за аналіз даних, прийняття рішень і видачу відповідних команд управління. Через величезні загрози, які підстерігають машину, що мчить на висоті 11 км, однією з найважливіших систем захисту сучасних комп’ютерів управління літаками є резервування, тобто дублювання одних і тих самих ресурсів два-три рази.
На практиці це означає, що критичні програмні процеси не тільки виконуватимуться на окремих комп’ютерах і, можливо, навіть з використанням різних архітектур, але й на кожному комп’ютері працюватиме програмне забезпечення, розроблене різними групами інженерів, часто запрограмоване різними мовами програмування. Це тому, що окремі групи інженерів і розробників навряд чи припускатимуться однакових помилок. У випадку відмови одного комп’ютера його завдання може взяти на себе інший. Однак все частіше через стрімке зростання вартості програмного забезпечення від цих заходів безпеки відмовляються.
Літак повинен мати резервну систему на випадок відмови автопілота. Пілот завжди повинен бути готовим взяти на себе керування літаком, якщо це необхідно. Найбезпечніша комбінація для польоту – це пілот, який знає як можливості, так і обмеження встановленої системи автопілота.
Автопілот має високу здатність виявляти ненормальні операції та аналізувати умови та необхідні рішення. Здійснюючи необхідні коригування, автопілот може зменшити людські помилки та забезпечити безпеку польоту. Відповідно, у будь-який момент пілот здатний відключити систему автопілота та взяти ручне керування літальним апаратом.
Хоча автопілот робить літальний апарат цілком здатним до автоматизованого польоту, він вимагає нагляду людини/пілота для безпеки та найкращих характеристик польоту. Це означає, що роль автопілота у літаку полягає в тому, щоб бути інструментом для допомоги в управлінні робочим навантаженням пілота. Поєднання пілота й автопілота створює найбільш ефективні умови для безпечного польоту літака.
Читайте також:
