Заметки о системах управления
Мы наконец добрались до темы, о которой хотели с вами поговорить - “мозги” и “мышцы” современного летательного аппарата, называющиеся совокупно системой управления.
Каждый аспект темы интересен до малейших нюансов - эволюция от зари авиации с механическими тросами до современных электродистанционных систем и будущих оптоволоконных или даже беспроводных. Датчики, благодаря которым пилот точно знает отклонение закрылков и стабилизатора. Сложнейшие компьютерные системы, отвечающие за расчет аэродинамических алгоритмов, робастных к каким-либо возмущениям или оптимальных по какому-либо критерию. Электромеханические и гидравлические приводы, отклоняющие аэродинамические поверхности.
При подготовке статьи наши ведущие специалисты пытались тянуть одеяло на себя - кто-то пояснял особенности разработки по Р-4754А для таких сложнейших и взаимосвязанных систем, другие - сосредоточились на проблемах оценки безопасности из-за бесчисленных перекрестных связей датчиков и сложностей выполнения FMEA и CMA анализов. Отдельно программисты и схемотехники доказывали, что даже уровень DAL A здесь может быть недостаточным и следует ввести еще одну процедуру верификации, например, клятву главного конструктора комплектующего изделия.
Поэтому выслушав все и стукнув регламентом написания статей по количеству символов, наша директор по маркетингу решила рассказать не то, что это за система, надеясь на некоторую осведомленность и любознательность читателя, а скорее про то, как обеспечивается их безопасность. Все-таки мы - лицом к безопасности. Ну а если вам интересно что-то разобрать более подробно - пишите об этом в комментариях, тогда кто-то из наших ведущих специалистов будет злорадствовать и пойдет писать о своей любимой части своей любимой системы.
В современных гражданских самолетах можно выделить четыре уровня автоматизации (см. рис.1):
- Самолетовождение (FMS), решающее задачи 4D навигации без существенного вмешательства экипажа в процесс управления полетом;
- Автопилот (AFDS), забирающий на себя рутинные задачи управления и посадки под контролем летного экипажа;
- Ручное управление в “нормальном” режиме, где “умная” автоматика не дает экипажу совершать ошибки пилотирования как превышение угла атаки или снижение скорости ниже допустимых пределов в текущей конфигурации механизации крыла;
- Ручное управления в “прямом” режиме, где “умная” автоматика не работает, оставляя пилота наедине с эволюциями самолета при отклонении сайдстика или штурвала.
Мы сосредоточимся на последних двух, известных как Fly-by-Wire (FBW, полет “по проводам”) системе, а об автопилотах и системе самолетовождения расскажем в другой раз.
FBW включает в себя органы управления (сайдстик, ручки управления механизацией и спойлерами, педали, триммеры), вычислительную часть (представлены первичными вычислителями, ответственными за сложные законы управления, математику и ограничения, и вторичными - непосредственно шлющими команды на отклонения приводов) и исполнительную часть (приводы разных конструкций и основных физик действия - гидравлическая или электрическая). Обратные связи по углам, угловым скоростям и перегрузкам замыкаются системами авионики, традиционно не относящиеся прямо к составу FBW.
Все важные комплектующие как минимум дублированы, особо важные - троированы, а наиважнейшие могут иметь и четырехкратный резерв. Постепенные отказы собственных и внешних компонентов могут привести из основного “нормального” режима в “прямой” (см. рис.2).
При выполнении анализа общих режимов особенно обращается внимание на доказательстве независимости отказов этих резервов - от питания по разным шинам до требований к строгому дополнительному контролю корректной установки оборудования.
Т.к. Система управления непосредственно связана с безопасностью, ее “родной” пункт норм летной годности (25.671) явно указывает дополнительные соображения по анализам прочности и безопасности. Так, например, специально анализируются заклинивания и “самоходы” - непроизвольные перемещения поверхностей, а также учитываются человеко-машинные интерфейсы, накладывающие ограничения на скорость реакции экипажа на возникновение отказов (спойлер - не менее 3х секунд). Механическая часть систем управления также дублируется и не всегда может быть выявлен отказ одной из частей механики - отсюда накладываются ограничения на максимальную допустимую вероятность возникновения таких отказов с учетом периода скрытости отказа. Особняком стоят вопросы прочности и эксплуатации, без которых также нельзя гарантировать безопасность систем.
Современные FBW системы стоят на стыке гидромеханических устройств и сложнейшей авионики. Каждой части этой системе и ей в совокупности предъявляются серьезнейшие требования, которые не всегда ясно как доказывать. Работы сроком от нескольких месяцев до пары лет могут быть “зашиты” одной неприметной строчкой в техническом задании. Методика расчета надежности или прочности могут отличаться от одного самолета к другому (и даже внутри одного самолета при сдаче разным экспертам в авиационных властях или подразделениям крупной корпорации).
Если вы понимаете, что сталкиваетесь с непониманием какой-то строчки в ведомости исполнения (что за работы по Р-4754А, КТ-254, КТ-178С и Р-4761?), зашли в тупик с требованиями экспертов или не понимаете, почему уже установленный для летных испытаний компонент на самолет продолжают требовать какие-то “бумажки” и произносят слова типа “валидация”, “верификация”, “отказобезопасность”, предлагаем обсудить эти вопросы.
Если хотите более подробно узнать про современные системы FBW, то с удовольствием приглашаем вас в нашу библиотеку: