Введение

Современные авиалайнеры — это сложные высокотехнологичные системы, управление которыми требует от пилотов огромной концентрации. На них лежит ответственность за пилотирование, навигацию, контроль состояния бортовых систем, управление механизацией крыла, взаимодействие с экипажем и диспетчерами. Чтобы снизить нагрузку на пилотов и повысить точность управления, в самолётах используются системы автоматического пилотирования — комплекс, включающий автопилот, систему директорного управления (FDS) и автомат тяги.

Эти системы способны не только поддерживать заданные параметры полёта, но и обеспечивать безопасное и стабильное управление самолётом на всех этапах полёта. Для надёжности подобные системы дублируются: например, в Boeing 777 установлены три автопилота и два автомата тяги.

⚙️ Автомат тяги напрямую управляет сервоприводами двигателей, поддерживая заданную мощность без участия пилота.

🧭Система директорного (траекторного) управления (Flight Director System, FDS) — прибор, который перекрестием на авиагоризонте и/или основном дисплее показывает, куда необходимо направить самолет, чтобы соблюсти заданную траекторию полета. Сам прибор не управляет авиалайнером, он своего рода «авиационный навигатор».

✈️Автопилот же способен выполнять эти команды самостоятельно — управляя креном, тангажом и рысканием, он фактически ведёт самолёт по заданному курсу.

Совместно FDS и автопилот образуют систему автоматического управления полётом (Autopilot Flight Director System, AFDS).

Автопилот

Автопилот — это совокупность автоматических систем, обеспечивающих устойчивое и точное управление самолётом без постоянного вмешательства пилота.

Назначение и принцип работы

Внешний контур системы – связь между отклонением управляющих поверхностей и положением самолёта в пространстве в соответствии с его динамическими характеристиками. Команды на отклонение управляющих поверхностей формируются либо человеком, либо вычислителем на основании задающих воздействий от автопилота.

Задача автопилота — стабилизировать параметры углового положения самолёта и/или его траектории на заранее заданных пилотом (или запрограммированных в бортовом компьютере) значениях.

Если  полёт проходит в режиме автоматического управления, в вычислитель по цепи прямой связи поступают задающие воздействия от автопилота, а по цепи обратной связи — информация об угловом/пространственном положении самолёта, его скоростях и ускорениях. Данные воздействия отрабатываются приводами и сервомоторами, что приводит к отклонению управляющих поверхностей в соответствии с имеющимся законом управления.

Внутренний контур структурной схемы на Рисунке 2 представляет собой обратную связь по отклонению сервоприводов, обеспечивающую требуемые показатели скорости и точности отклонения управляющих поверхностей.

Режимы работы

Современные автопилоты могут работать в различных режимах:

1. Режимы ориентации — удерживают заданные углы крена, тангажа и рыскания (или их комбинаций).
2. Режимы параметров полёта — стабилизируют высоту, скорость, вертикальную скорость или число Маха.
3. Режимы траекторного управления — обеспечивают следование определённой траектории, например, при захвате и сопровождении глиссады во время посадки.

Система директорного управления

Полётный директор (Flight Director, F/D) — это система, которая визуально подсказывает пилоту, какие действия нужно выполнить, чтобы удерживать самолёт на нужной траектории. На дисплее пилот видит перекрестие, указывающее, в каком направлении отклонить самолёт по тангажу и крену.

Взаимодействие пилота с системами управления

На Рисунке 4 изображены инструменты в кабине пилотов самолёта семейства Airbus, управляемого с помощью электродистанционной системы управления (Fly By Wire, FBW). Они используются как для непосредственного управления, так и для взаимодействия экипажа с автопилотом.

На рисунке:

EFIS (Electronic Flight Instrument System) – Панели управления дисплеями PFD и ND;

ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitor) – Информационные дисплеи;

FCU (Flight Control Unit) – Панель управления режимами полёта (в самолётах других производителей может обозначаться как FCP – Flight Control Panel);

MCDU (Multifunction Control Display Unit) – Многофункциональный пульт управления и индикации;

ND (Navigation Display) – Навигационный дисплей;

PFD (Primary Flight Display) – Основной пилотажный дисплей;

Текущие значения углов тангажа и крена отображаются на искусственном авиагоризонте на основном пилотажном дисплее, а угол курса — на навигационном дисплее. На PFD также отображаются приборная скорость и высота самолёта.

В зависимости от выбранного режима автопилота на PFD и ND может отображаться дополнительная информация (например, в виде символов на авиагоризонте). Изменять отображаемую на дисплеях информацию можно через панели EFIS.

Информация о текущем состоянии двигателей отображается на панелях ECAM.

Панель управления режимами полёта на примере FCU в Airbus A320

На панели FCU можно активировать автопилот и перевести его в требуемый режим, а также изменять значения параметров (высота, курс, вертикальная скорость и т. д.), которые выдерживает автопилот. При активированном автопилоте отклонение боковых ручек управления (сайдстиков) не приведёт к передаче управляющих воздействий на органы управления и изменению углового положения самолёта.

На рисунке 5:

1) Рукоятка регулировки задатчика скорости полёта;

2) Окно задатчика скорости полёта;

3) Индикатор активации системы автоматического управления скоростью полёта;

4) Переключатель единиц измерения скорости: узлы или число Маха;

5) Рукоятка регулировки задатчика курса;

6) Окно задатчика курса;

7) Индикатор активации системы автоматического управления углом курса;

8) Индикатор выбранного режима автопилота;

9) Переключатель режимов полётных директоров: HDG/VS или TRK/FPA (HDG/VS — режим, где используется курс полёта и вертикальная скорость; TRK/FPA — режим, где используется путевой угол и угол наклона траектории полёта);

10) Индикатор активации системы автоматического управления высотой полёта;

11) METRIC ALT. Включение на полётных приборах дополнительного отображения высоты — текущей и заданной — в метрической системе;

12) Рукоятка регулировки задатчика вертикальной скорости;

13) Рукоятка регулировки задатчика высоты полета;

14) Кнопки включения автопилотов: АР1 и АР2;

15) A/THR — Кнопка включения автомата тяги;

16) Кнопка включения режима полета на курсовой маяк или VOR;

17) Включение либо армирование режима захода на посадку.

Автоматическая посадка

Надёжная посадка при плохой видимости всегда была одной из главных задач авиакомпаний. Решением стало внедрение систем автоматической посадки, позволяющих самолётам приземляться даже при «нулевой» видимости.

Первым коммерческим лайнером, способным выполнить полностью автоматическую посадку (включая подход к ВПП, выравнивание, касание и уход с полосы на рулёжную дорожку), стал Hawker Siddeley Trident, совершивший её в 1966 году.

В авиации приняты категории посадок по уровню видимости и возможностям оборудования:

CAT I: высота принятия решения ≥ 60 м, видимость ≥ 800 м.

CAT II: ВПР 30–60 м, видимость ≥ 350 м.

CAT IIIA: ВПР < 30 м, видимость ≥ 200 м.

CAT IIIB: ВПР < 15 м, видимость 50–200 м.

CAT IIIC: посадка без ограничений по видимости и высоте принятия решения.

Внедрение технологий автоматической посадки категории III накладывает множество ограничений и требований к системам самолёта:

• Наличие трёх независимых каналов электроснабжения (как AC, так и DC);
• Наличие трёх независимых каналов для управляющих поверхностей;
• Требование к использованию ILS (Instrumental Landing System) или MLS (Microwave Landing System) в качестве систем захода на посадку (при обязательном условии наличия соответствующего оборудования в аэропорту).
• Наличие у автопилота способности самостоятельно осуществлять выдачу команд на перекладку горизонтального стабилизатора.

В ближайшие годы ожидается переход к системам автоматической посадки на основе GPS, которые обеспечат ещё большую точность следования траектории, заданной для захода на посадку.

Авиационные происшествия, связанные с автопилотом

Сами по себе автопилоты крайне надёжны и редко становятся причиной катастроф. Однако они могут ошибаться, если получают некорректные данные от датчиков.

6 февраля 1996 года самолёт Boeing 757-225 авиакомпании Birgenair разбился в море всего через пять минут после взлёта, погибло 189 человек.

Причиной катастрофы признана ошибка пилотов, допустивших сваливание самолёта из-за неверных показаний указателя приборной скорости со стороны командира воздушного судна (КВС). Предполагается, что ложные показания возникли из-за блокировки трубки Пито — после нескольких дней стоянки самолёта в трубке Пито появилось осиное гнездо.

Автопилот, получая ошибочные данные о якобы слишком высокой скорости полёта, начал действовать по своей логике — уменьшил тягу и увеличил угол тангажа, чтобы «снизить скорость». На самом же деле самолёт летел медленнее, чем показывали приборы, и эти действия привели к критическому снижению подъёмной силы и последующему сваливанию.

Похожая ситуация произошла 24 июля 2014 года с McDonnell Douglas MD-83 авиакомпании Air Algérie. Спустя 32 минуты после взлёта самолёт исчез с радаров, погибло 116 человек. Расследование показало, что в результате обледенения датчики давления в двигателях (EPR) начали передавать искажённые данные, из-за чего автоматика ограничила их тягу. В это время автопилот, стремясь удержать самолёт на заданной высоте, стал увеличивать угол тангажа. Это привело к росту угла атаки, потере подъёмной силы и, как следствие, к сваливанию самолёта, которое вскоре перешло в штопор.

Заключение

Автопилоты и системы директорного управления — важнейшие элементы авионики современного самолёта. Они снижают нагрузку на пилотов, повышают точность и безопасность полётов.

Однако автоматика не всесильна: её надёжность напрямую зависит от корректности данных, поступающих с датчиков. Поэтому при разработке таких систем особое внимание уделяется архитектуре, верификации и оценке безопасности в соответствии с международными требованиями ICAO.

В нашей практике мы работали с четырьмя типами воздушных судов, решая задачи, связанные с автопилотами, и знаем, насколько важно корректно проектировать эти системы. Создание и сертификация автопилота — это сложная инженерная работа, соответствующая уровню критичности DAL A, где ошибки недопустимы.