В настоящее время гражданская авиация является наиболее безопасным транспортом. Тем не менее, авиационные происшествия и катастрофы являются одной из любимых тем в средствах массовой информации. Это приводит к тому, что существует немало людей, боящихся летать самолетами.
В данном посте мы рассмотрим, в чем самая большая опасность полета и что с этим можно сделать.
Если зайти на Википедию и посмотреть статистику современных авиакатастроф, можно убедиться в том, что большинство авиационных происшествий и катастроф связано с заходом на посадку воздушного средства. Это так называемое «Столкновение с землей в управляемом полете», по-английски — Controlled flight into terrain, CFIT. Там же сказано: «Основными причинами CFIT являются: ошибки пилотов (особенно в сложных метеоусловиях), неисправность или неустойчивая работа навигационного оборудования». При этом некоторые случаи недолета/перелета при посадке не относятся к CFIT, но в отношении предмета этой статьи, данное замечание не имеет особого значения.
В чем же состоит проблема посадки самолета? Дело в том, что самолет — достаточно хрупкая конструкция, а пилотирование — довольно сложный процесс, так как воздух — среда с низкой плотностью. При заходе на посадку самолет должен с высокой точностью следовать посадочной глиссаде, чтобы попасть в начало взлетной полосы с определенными курсом и скоростью. Недолет приводит к повреждению шасси самолета и катастрофе, большой перелет — к невозможности вовремя остановить движение с аналогичными последствиями. Кроме того, процесс захода на посадку начинается на большом расстоянии от аэродрома, приземление может осуществляться в плохих метеоусловиях и т.д.
Для обеспечения безопасности полетов вблизи земли и захода на посадку были разработаны различные системы — TAWS (Система предупреждения о приближении к земле), курсо-глиссадные системы — ILS (метрового диапазона), MLS (сантиметрового диапазона), радионавигационные системы — западная VOR/DME и советская РСБН.
Наиболее продвинутые системы — ILS и MLS в своих последних вариантах позволяют совершать посадку при отсутствии видимости.
При уходе самолета в сторону от правильной глиссады по курсу или высоте, возникает разность сигналов и выдается предупреждение.
В данном случае пилот видит, что ему надо направить самолет левее и немного вверх.
Существует множество проблем применения различных систем — зависимость от действий человека, выход из строя аппаратуры (как наземной, так и бортовой), помехи и т.д.
Довольно длительное время в устройствах аэронавигации и автоматического управления полетом нет сколь-нибудь значительного прогресса. Если взглянуть на развитие электроники, автоматики, человеко-машинных интерфейсов, то можно отметить, что разрыв между потребительским сегментом и сегментом применения всего этого в авиации значительно вырос. В 80-е аэронавигационная аппаратура и системы управления — практически Хай-тэк на переднем крае, сейчас же — надежные, но традиционные решения.
Почему же так произошло? В этом нет ничего сложного, все логично. Гражданская авиация — довольно консервативная отрасль, где во главу угла поставлена надежность и безопасность. И это правильно. Но теперь это стало оправданием для сохранения статус-кво на рынке изделий для авиации. Очень затратное это дело — пройти сертификацию. И очень трудно лоббировать принятие своего решения в качестве стандарта.
Современное развитие техники и программного обеспечения позволяет создать малогабаритную и легкую аппаратуру, которая может позволить значительно повысить безопасность полетов гражданской авиации.
Для этого надо решить несколько задач:
1) Обеспечение надеждности оборудования
2) Обеспечение точности наведения
3) Обеспечение необходимых массогабаритных показателей
4) Обеспечение помехозащищенности
Кроме того, сведение различных методов наведения самолета на курс позволит избежать перегруженности интерфейса кабины пилотов.
Обеспечение надежности вполне решается дублированием (холодным и горячим) узлов, отвественных за обработку и хранение поступающей информации, при этом наличие нескольких систем наведения, основанных на разных принципах, при согласованности их показаний позволит, в теории, осуществлять посадку даже в автоматизированном режиме.
Так, для привода самолета на глиссаду и посадки можно осуществлять навигацию по GPS (приведение в необходимую точку для начала снижения), по системам с наземными излучателями (типа ILS), также в перспективе можно оборудовать полосу аэропорта пассивными радиоотражателями в олределенной конфигурации и по отраженному сигналу с борта самолета осуществлять посадку (при этом возможность менять частоту и знание спектральной характеристики посылаемого сигнала обеспечивает очень высокую помехозащищенность данной системы).
Имея на борту собственную РЛС (современные самолеты оснащены ими) мы можем решать также множество сопутствующих задач: если разместить на самолете те же радиоотражатели, можно в автоматическом режиме разводить встречные самолеты (столкновения в воздухе не так уж и редки).
Естественно, для решения этих задач на самолете должна быть РЛС с курсовой фазированной антенной решеткой высокого разрешения.
Хотелось бы разработки таких систем по принципу open source — чтобы свести зависимость от амбиций и «фатальных недостатков» к нулю, не было зависимости от лицензий, а там, кто знает — возможно, благодаря отсутствию защищенных патентов и в частной авиации такое могло бы стоять.
Итак, какова в моем понимании перспективная система предупреждения столкновений с землей и другими летательными аппаратами.
Прежде всего — резервирование. Современные вычислительные системы обладают весьма хорошими массогабаритными характеристиками, а также низким энергопотреблением. В промышленности, где также важны надежность и безопасность, множество производственного оборудования управляется своими контролерами, информация с которых поступает диспетчеру, откуда они управляются.
Распределив по всему фюзеляжу, соединив общими шинами несколько дублирующих систем, выставив им приоритеты, можно рассчитывать на возрастание надежности.
Кроме этого, модульная конструкция, когда нерабочий функциональный узел можно быстро заменить исправным, позволит сократить время на ремонт и обслуживание (отлетал положенное количество часов — замена, проверка, обслуживание), внедрение самодиагностики в как можно большем количестве мест позволит не только локализовать проблему, но и, при наличии резервного узла, оперативно ее устранить. Естественно, что реализовано это должно быть таким образом, что при любом отказе неисправный узел не мог бы повлиять на функционирование остальной системы (шумы, короткое замыкание, опасные уровни напряжения не должны влиять на работоспособность других модулей или передачу данных).
Еще очень скользкая проблема — телеметрия и дистанционное управление. Довольно много катастроф и происшествий произошло из-за несоблюдения дисциплины или ошибок пилотов. С другой стороны — получение управления воздушным судном извне — достаточно опасная возможность. Применение биометрических устройств для контроля состояния экипажа может быть одним из выходов. В состоянии паники, растерянности, сильной усталости замедляется реакция, ухудшается координация и т.д. В таком случае перехват управления может быть хорошим выходом. И уязвимостей у этой системы быть не должно.
Теперь рассмотрим проблему навигации и приближения к объектам. Система позиционирования очень сильно облегчает работу пилота. Если же приближающиеся суда будут передавать друг другу свои координаты, это будет еще одним каналом, кроме радара и диспетчера для предотвращения столкновения в воздухе или на полосе. Фазированная многодиапазонная курсовая антенная решетка вместе с определенной конфигурацией радиоотражателей на самолетах также может предупредить столкновение в воздухе. Для этого, конечно, должно быть реализовано соответствующее программное обеспечение, которое предупредит пилота и даст рекомендацию по действиям для предотвращения катастрофы.
При сближении с землей расстояние до нее контролируется с помощью радиовысотомера, при посадке в условиях плохой видимости это не всегда достаточно. Примение, к примеру, инфракрасных камер определенных диапазонов, расположив на полосе нагревательные элементы и передавая изображение на монитро в пилотской кабине можно достичь существенного улучшения точности посадки.
Используя радиоотражатели на полосе, волны миллиметрового диапазона, адаптивные передатчики на борту можно построить систему, позволяющую осуществить посадку в любых метеорологических условиях в любое время суток.
Разработка программного обеспечения для таких систем — одна из самых тяжелых задач. Если с железом все более-менее хорошо и наработано, то модульность программного обеспечения может быть как достоинством, так и недостатком. В этой области много вопросов, но убедительных ответов мало. И это еще одна из причин, по которым создание гибкой и безопасной системы управления полетом откладывается.
Возможно, что прочитав эту статью, кто-нибудь заинтересуется проблемой обеспечения безопасности полетов, станет генеральным конструктором и у нас будет когда-нибудь еще более безопасная гражданская авиация.
В данном посте мы рассмотрим, в чем самая большая опасность полета и что с этим можно сделать.
Проблема посадки
Если зайти на Википедию и посмотреть статистику современных авиакатастроф, можно убедиться в том, что большинство авиационных происшествий и катастроф связано с заходом на посадку воздушного средства. Это так называемое «Столкновение с землей в управляемом полете», по-английски — Controlled flight into terrain, CFIT. Там же сказано: «Основными причинами CFIT являются: ошибки пилотов (особенно в сложных метеоусловиях), неисправность или неустойчивая работа навигационного оборудования». При этом некоторые случаи недолета/перелета при посадке не относятся к CFIT, но в отношении предмета этой статьи, данное замечание не имеет особого значения.
В чем же состоит проблема посадки самолета? Дело в том, что самолет — достаточно хрупкая конструкция, а пилотирование — довольно сложный процесс, так как воздух — среда с низкой плотностью. При заходе на посадку самолет должен с высокой точностью следовать посадочной глиссаде, чтобы попасть в начало взлетной полосы с определенными курсом и скоростью. Недолет приводит к повреждению шасси самолета и катастрофе, большой перелет — к невозможности вовремя остановить движение с аналогичными последствиями. Кроме того, процесс захода на посадку начинается на большом расстоянии от аэродрома, приземление может осуществляться в плохих метеоусловиях и т.д.
Решение проблемы
Для обеспечения безопасности полетов вблизи земли и захода на посадку были разработаны различные системы — TAWS (Система предупреждения о приближении к земле), курсо-глиссадные системы — ILS (метрового диапазона), MLS (сантиметрового диапазона), радионавигационные системы — западная VOR/DME и советская РСБН.
Наиболее продвинутые системы — ILS и MLS в своих последних вариантах позволяют совершать посадку при отсутствии видимости.
При уходе самолета в сторону от правильной глиссады по курсу или высоте, возникает разность сигналов и выдается предупреждение.
В данном случае пилот видит, что ему надо направить самолет левее и немного вверх.
Проблемы решений
Существует множество проблем применения различных систем — зависимость от действий человека, выход из строя аппаратуры (как наземной, так и бортовой), помехи и т.д.
Довольно длительное время в устройствах аэронавигации и автоматического управления полетом нет сколь-нибудь значительного прогресса. Если взглянуть на развитие электроники, автоматики, человеко-машинных интерфейсов, то можно отметить, что разрыв между потребительским сегментом и сегментом применения всего этого в авиации значительно вырос. В 80-е аэронавигационная аппаратура и системы управления — практически Хай-тэк на переднем крае, сейчас же — надежные, но традиционные решения.
Почему же так произошло? В этом нет ничего сложного, все логично. Гражданская авиация — довольно консервативная отрасль, где во главу угла поставлена надежность и безопасность. И это правильно. Но теперь это стало оправданием для сохранения статус-кво на рынке изделий для авиации. Очень затратное это дело — пройти сертификацию. И очень трудно лоббировать принятие своего решения в качестве стандарта.
Современное развитие техники и программного обеспечения позволяет создать малогабаритную и легкую аппаратуру, которая может позволить значительно повысить безопасность полетов гражданской авиации.
Для этого надо решить несколько задач:
1) Обеспечение надеждности оборудования
2) Обеспечение точности наведения
3) Обеспечение необходимых массогабаритных показателей
4) Обеспечение помехозащищенности
Кроме того, сведение различных методов наведения самолета на курс позволит избежать перегруженности интерфейса кабины пилотов.
Обеспечение надежности вполне решается дублированием (холодным и горячим) узлов, отвественных за обработку и хранение поступающей информации, при этом наличие нескольких систем наведения, основанных на разных принципах, при согласованности их показаний позволит, в теории, осуществлять посадку даже в автоматизированном режиме.
Так, для привода самолета на глиссаду и посадки можно осуществлять навигацию по GPS (приведение в необходимую точку для начала снижения), по системам с наземными излучателями (типа ILS), также в перспективе можно оборудовать полосу аэропорта пассивными радиоотражателями в олределенной конфигурации и по отраженному сигналу с борта самолета осуществлять посадку (при этом возможность менять частоту и знание спектральной характеристики посылаемого сигнала обеспечивает очень высокую помехозащищенность данной системы).
Имея на борту собственную РЛС (современные самолеты оснащены ими) мы можем решать также множество сопутствующих задач: если разместить на самолете те же радиоотражатели, можно в автоматическом режиме разводить встречные самолеты (столкновения в воздухе не так уж и редки).
Естественно, для решения этих задач на самолете должна быть РЛС с курсовой фазированной антенной решеткой высокого разрешения.
Хотелось бы разработки таких систем по принципу open source — чтобы свести зависимость от амбиций и «фатальных недостатков» к нулю, не было зависимости от лицензий, а там, кто знает — возможно, благодаря отсутствию защищенных патентов и в частной авиации такое могло бы стоять.
Перспективы развития
Итак, какова в моем понимании перспективная система предупреждения столкновений с землей и другими летательными аппаратами.
Прежде всего — резервирование. Современные вычислительные системы обладают весьма хорошими массогабаритными характеристиками, а также низким энергопотреблением. В промышленности, где также важны надежность и безопасность, множество производственного оборудования управляется своими контролерами, информация с которых поступает диспетчеру, откуда они управляются.
Распределив по всему фюзеляжу, соединив общими шинами несколько дублирующих систем, выставив им приоритеты, можно рассчитывать на возрастание надежности.
Кроме этого, модульная конструкция, когда нерабочий функциональный узел можно быстро заменить исправным, позволит сократить время на ремонт и обслуживание (отлетал положенное количество часов — замена, проверка, обслуживание), внедрение самодиагностики в как можно большем количестве мест позволит не только локализовать проблему, но и, при наличии резервного узла, оперативно ее устранить. Естественно, что реализовано это должно быть таким образом, что при любом отказе неисправный узел не мог бы повлиять на функционирование остальной системы (шумы, короткое замыкание, опасные уровни напряжения не должны влиять на работоспособность других модулей или передачу данных).
Еще очень скользкая проблема — телеметрия и дистанционное управление. Довольно много катастроф и происшествий произошло из-за несоблюдения дисциплины или ошибок пилотов. С другой стороны — получение управления воздушным судном извне — достаточно опасная возможность. Применение биометрических устройств для контроля состояния экипажа может быть одним из выходов. В состоянии паники, растерянности, сильной усталости замедляется реакция, ухудшается координация и т.д. В таком случае перехват управления может быть хорошим выходом. И уязвимостей у этой системы быть не должно.
Теперь рассмотрим проблему навигации и приближения к объектам. Система позиционирования очень сильно облегчает работу пилота. Если же приближающиеся суда будут передавать друг другу свои координаты, это будет еще одним каналом, кроме радара и диспетчера для предотвращения столкновения в воздухе или на полосе. Фазированная многодиапазонная курсовая антенная решетка вместе с определенной конфигурацией радиоотражателей на самолетах также может предупредить столкновение в воздухе. Для этого, конечно, должно быть реализовано соответствующее программное обеспечение, которое предупредит пилота и даст рекомендацию по действиям для предотвращения катастрофы.
При сближении с землей расстояние до нее контролируется с помощью радиовысотомера, при посадке в условиях плохой видимости это не всегда достаточно. Примение, к примеру, инфракрасных камер определенных диапазонов, расположив на полосе нагревательные элементы и передавая изображение на монитро в пилотской кабине можно достичь существенного улучшения точности посадки.
Используя радиоотражатели на полосе, волны миллиметрового диапазона, адаптивные передатчики на борту можно построить систему, позволяющую осуществить посадку в любых метеорологических условиях в любое время суток.
Разработка программного обеспечения для таких систем — одна из самых тяжелых задач. Если с железом все более-менее хорошо и наработано, то модульность программного обеспечения может быть как достоинством, так и недостатком. В этой области много вопросов, но убедительных ответов мало. И это еще одна из причин, по которым создание гибкой и безопасной системы управления полетом откладывается.
Возможно, что прочитав эту статью, кто-нибудь заинтересуется проблемой обеспечения безопасности полетов, станет генеральным конструктором и у нас будет когда-нибудь еще более безопасная гражданская авиация.