uacrussia (uacrussia) wrote,
uacrussia
uacrussia

Category:

Летать по проводам: инновационная система управления МС-21 повышает безопасность



В комплексной системе управления самолетов семейства МС-21 реализована технология систем дистанционного управления, или, как это называется за рубежом, fly-by-wire, т. е. «летать по проводам». Это значительно сокращает вес самолета. В МС-21 применяется последнее поколение таких систем с активными боковыми ручками управления, которые совместили в себе преимущества и боковой ручки, и штурвала.

Активная боковая ручка на МС-21 обеспечивает пилоту обратную связь по аэродинамическим условиям полета и приближению к полетным ограничениям. Система автоматического управления обеспечивает полный набор функций управления положением и движением самолета, включая автоматическую посадку по категории IIIB. Подобные инновации позволяют повысить конкурентоспособность МС-21 на мировом рынке. «Мы уверены, что МС-21 будет лучшим в своем классе», – заявил первый вице-президент корпорации «Иркут» Олег Демченко.

Принято считать, что чем проще, примитивнее устройства или механизмы, тем они надежнее, однако это мнение совершенно неверно в случае современных систем управления летательными аппаратами. Электродистанционные системы управления (ЭДСУ) в совокупности с цифровой системой автоматического управления (САУ) дают фору прежним механическим и гидравлическим системам, использовавшим тросики и гидромагистрали.

Трос, гидравлика, провод


Первый в истории задокументированный управляемый полет на механизме, оторвавшемся от земли с помощью тяги двигателя, состоялся 17 декабря 1903 года в 10:35 утра в шести милях к югу от городка Китти-Хок, штат Северная Каролина. Там Орвилл Райт поднял созданный совместно с братом Уилбуром летательный аппарат Flyer («Флайер»). Орвилл пролетел на нем за 12 секунд всего 37 м, но это был управляемый полет, в завершении которого Орвилл выполнил успешную посадку.

Управление первым в мире летавшим самолетом было по нынешним меркам достаточно экзотическим: пилот располагался в нем лежа на нижнем крыле; по бокам от него находились деревянные рамки, которые Орвилл Райт двигал бедрами; от этих рамок шли тросы к концам крыльев. Тросы обеспечивали перекашивание крыла, увеличивая угол атаки на конце одного крыла и одновременно уменьшая угол атаки на конце другого, – так на райтовском «Флайере» создавалось управляющее воздействие для поперечных перемещений. Идею братья могли почерпнуть из живой природы: именно таким образом маневрируют в полете птицы. До сих пор подобный метод применяется на самолетах с помощью элеронов.

На последующих моделях самолетов для управления стали использоваться штурвалы и педали, от которых шли те же тросики к органам управления. Однако очень скоро самолеты стали тяжелее, и для того чтобы управлять ими, требовались все бо́льшие отклоняемые поверхности. Пилот должен был обладать уже недюжинной силой, чтобы крутить штурвал. В помощь ему на борту появились гидроусилители.

Следующим этапом стала замена гидроприводов электрическими моторами. Первым это сделал еще в 1934 году Андрей Николаевич Туполев. ЭДСУ стояла на агитационном самолете АНТ‑20, получившем личное имя «Максим Горький». Этот 42-тонный восьмимоторный гигант был самым большим самолетом своего времени. Чтобы уменьшить массу машины, Туполев решил заменить обычные тогда механические и гидравлические тяги и гидроприводы на провода с электрическими сервоприводами.

Однако лишь в эру реактивной авиации ЭДСУ стало активно применяться. Дело в том, что во времена «Максима Горького» для этого не хватало важного элемента – бортового компьютера, ключевого элемента САУ. В 1950-е годы боевая авиация стала экспериментировать с комбинацией «ЭДСУ+САУ», быстро поняв огромный выигрыш такого принципа управления. До сих пор самолеты конструировались обычно аэродинамически устойчивыми: если пилот отпускал ручки управления, его машина продолжала горизонтальный полет. Система fly-by-wire брала на себя заботу о стабилизации самолета. Можно было создать летательный аппарат аэродинамически неустойчивым, что давало целый ряд преимуществ: для управления таким самолетом были нужны значительно меньшие по размерам и, естественно, по массе отклоняемые поверхности, а это снижение общей массы и, как следствие, экономия топлива. К тому же повышалась маневренность машины, которая, конечно, была в первую очередь нужна на истребителях. Поэтому именно на них впервые и стали устанавливать систему «полета по проводам». Первым таким самолетом был разработанный в 1953–1959 годах канадской компанией Avro Aircraft Limited истребитель-перехватчик CF-105 Arrow.

Коммерческое авиастроение более консервативно ко всем нововведениям. Кроме того, на пассажирских самолетах не требовалась сверхманевренность, однако вскоре стали очевидны выгоды от использования ЭДСУ и для этих воздушных судов. Оказалось, что с помощью fly-by-wire можно снизить массу самолета, используя на нем управляющие поверхности меньшей площади, а это ведет к снижению расхода горючего. Например, по данным компании Embraer, использование ЭДСУ на самолетах E-Jets E-1/E-2 за счет уменьшения размеров и массы его стабилизатора и улучшения общей аэродинамики сокращает расход топлива на 1,5 %. Кажется, это немного, но если за время всего жизненного цикла такой самолет сжигает 110 тыс. тонн горючего, то только за счет ЭДСУ можно сэкономить на одном самолете 1 650 тонн! Это хороший аргумент для покупателя воздушного судна.

Так с 1980-х годов и на коммерческих самолетах стали устанавливать ЭДСУ. Использование же программного обеспечения, запрещающего выполнять недопустимые маневры или выходить на запредельные режимы, позволило существенно поднять уровень безопасности пассажирских лайнеров.

О надежности ЭДСУ говорит статистика: по состоянию на сентябрь 2018 года компанией Airbus выпущено более 8,4 тыс. самолетов типа A320, оснащенных ЭДСУ. Из них по вине техники было лишь две катастрофы. После инцидентов программа компьютеров ЭДСУ была доработана, чтобы исключить их повторение. Благодаря высокой надежности ЭДСУ коммерческие самолеты последнее время начинают летать только «по проводам», не имея в своем составе даже аварийной механической системы управления.

Защищенный «суперджет»

До недавнего времени самой современной цифровой ЭДСУ в России оснащался самолет Sukhoi Superjet 100 (SSJ100), созданный компанией «Гражданские самолеты Сухого» (ГСС). На нем установлена система, управляющая полетом, уборкой и выпуском шасси, а также тормозной системой. Отказобезопасная архитектура системы дистанционного управления позволила полностью отказаться от механического резервирования.

На SSJ100 впервые в России была применена алгоритмическая защита от касания хвостом взлетно-посадочной полосы на случай ошибки летчика при взлете. По словам начальника летной службы ГСС, старшего летчика-испытателя Сергея Коростиева, «в “суперджете” реализованы на хорошем уровне “защита от дурака” и “помощь умному”». Помимо программных запретов на выход самолета на запредельные режимы (это и есть так называемая «защита от дурака»), ЭДСУ SSJ100 взяла на себя управление механизацией крыла, которая самостоятельно выпускается перед началом разгона и сама же убирается при торможении. Кроме того, на «суперджете» установлены ограничение угла тангажа на взлете и индикация текущей величины угла атаки, что повышает безопасность полетов и существенно облегчает работу пилотов.

Все алгоритмы управления «суперджетом» были разработаны российскими специалистами в Центральном аэрогидродинамическом институте им. профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). «Нам удалось создать очень комфортные условия для пилотирования SSJ100. Система управления как бы воспринимает желания летчика, прогнозирует его дальнейшие действия, предугадывает и исполняет их. И в то же время она берет на себя множество рутинных операций, – говорит заместитель начальника отделения динамики полета и систем управления (НИО-15) ЦАГИ Юрий Шелюхин. – К примеру, система автоматической балансировки полностью освобождает пилота от всех процедур, причем делает это на динамических режимах. Если летчик хочет выполнить маневр, он отклоняет боковую ручку, создает нужный крен и переводит ручку в нейтральное положение, а система управления балансирует самолет, выдерживая заданный режим. Система обладает свойствами парирования всех создаваемых возмущений: к примеру, выпускается механизация – и автоматически парируются все возникающие при этом моменты. Пилот увеличивает или сбрасывает тягу двигателя – появляются моменты, которые также парируются системой».

Разработчики SSJ100 из ГСС отказались от установки на нем аварийной механической системы управления, как это до них сделал лишь Airbus на своем гиганте A380. Благодаря этому был существенно снижен вес системы управления самолетом, что дало SSJ100 дополнительные конкурентные преимущества перед аналогами из того же класса воздушных судов.

Как пишет главный редактор журнала «Авиатранспортное обозрение» Алексей Синицкий, «появление ЭДСУ на самолете SSJ100, причисляемом к классу региональных самолетов, отчасти послужило стимулом к внедрению подобных систем на новых поколениях самолетов Embraer E-2 и Bombardier CSeries, так что ЭДСУ становится фактически стандартом реактивных пассажирских самолетов».

«Здорово такой системой управлять»



Система ЭДСУ среднемагистрального самолета МС-21 также обеспечивает лучшую экономику и высочайшую безопасность. Интеграцию бортового радиоэлектронного оборудования нового самолета провела компания «ОАК – Центр комплексирования», головной разработчик и поставщик программного обеспечения – концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) госкорпорации «Ростех».

Одной из особенностей этого новейшего российского лайнера стал самый большой диаметр фюзеляжа в данном сегменте воздушных судов, что создает больший комфорт для пассажиров. Кроме того, МС-21 обладает большой площадью крыла, что необходимо для создания модификации с удлиненным фюзеляжем и, соответственно, повышенной вместимостью. Пойти на такие решения, влияющие на аэродинамику лайнера, стало возможным только благодаря использованию ЭДСУ. Благодаря «полету по проводам» хвостовое оперение МСа можно было сделать меньше, чем при старых методах управления.

Прекрасную оценку лайнеру в целом и его ЭДСУ дали летчики-испытатели корпорации «Иркут», выполнившие на нем первые полеты. «До МС-21 я не проводил испытаний гражданских самолетов ОКБ Яковлева, – рассказывает заслуженный летчик-испытатель Российской Федерации, Герой России Роман Таскаев, выполнивший 28 мая 2017 года вместе с Олегом Кононенко первый подъем самолета МС-21. – В то время, когда поднимали в воздух старые машины, я летал на микояновских истребителях. Про преемственность могу сказать только одно: система управления, которая стоит на учебно-боевом самолете Як-130 и делает этот самолет супербезопасным, применяется и в МС-21. Этот интеллект, эти наработки, которые мы сделали в ходе испытаний Як-130, очень комфортные. Очень здорово такой системой управлять. И, естественно, она обладает высочайшей степенью безопасности». По словам Таскаева, высокоинтеллектуальная система управления предохраняет летчика от попадания на запредельные режимы, такие как сваливание и штопор.

Вибрирующая ручка



Одной из «изюминок» самолета МС-21 стала его активная боковая ручка управления. «Для комфортности управления самолетом, для повышения качества обучения летчиков установлена новая ручка управления, – рассказывает Роман Таскаев. – Сейчас на Airbus’ах применяется не обычная штурвальная система, а боковые ручки управления, которые разгружают переднюю часть приборной доски для летчика. Но на Airbus’ах ручка, скажем так, пассивная, т. е. каждый летчик управляет своей ручкой, не чувствуя, что при этом делается у другого летчика. У нас на МС-21 при управлении одним летчиком рукоятка у второго летчика перемещается, давая понимание, что делать первому. Это важно, особенно при обучении».

Также активная боковая ручка управления позволяет пилоту чувствовать опасность. При приближении к полетным ограничениям ручка начинает вибрировать, имитируя тряску всего самолета. Тем самым, помимо визуальных ощущений пилот получает еще и тактильные, улучшающие контроль за каждым маневром самолета.

Сегодня подобные активные боковые ручки управления стоят лишь на сравнительно небольших бизнес-самолетах G500/G550 американской компании Gulfstream, а также на экспериментальном военно-транспортном самолете KC-390 бразильской компании Embraer. МС-21 стал первым большим пассажирским лайнером в мире, снабженным таким девайсом. Планируется, что активные боковые ручки управления самолетом будут сертифицированы Европейским агентством по безопасности авиаперевозок (EASA) одновременно с самим самолетом МС-21.

Активная боковая ручка управления очень удобна и при работе автопилота. При выполнении маневров в таком режиме полета она также перемещается, тем самым наглядно демонстрируя летчикам, что делает их автоматический «коллега».

По результатам испытания пилоты МС-21 отметили, что использование таких ручек значительно повысило информированность о взаимных действиях, существенно улучшило качество совместного управления по сравнению с обычными боковыми ручками, используемыми сейчас на пассажирских самолетах. Инновация значительно повысила взаимопонимание между членами экипажа, практически исключив вероятность их нескоординированных действий.

СУОСО для МС

Одной из инновационных разработок для самолета МС-21 стало создание системы управления общесамолетным оборудованием СУОСО-МС-21. СУОСО интегрирована практически во все основные системы самолета (гидравлическую, шасси, электроснабжения, кислородную и т. д.). Она является системой, которая обеспечивает управление, сигнализацию и контроль технического состояния самолетных систем.
СУОСО-МС-21 создана компанией «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (УКБП), имеющей многолетний опыт разработки такого рода оборудования. Фирма входит в состав концерна КРЭТ. Ранее УКБП создало системы управления общесамолетным оборудованием для Ил-96-400 (СУОСО-400Т), Як-130 (СУОСО-130), Ту-204СМ (СУОСО-204), а также системы управления общевертолетным оборудованием для Ка-226 (СУОВО-226) и Ми-171А2 (СУОВО-В1). Эти системы позволяют значительно уменьшить нагрузку на летчиков, повысить безопасность полета. В проектах Ту-204СМ и Ми-171А2 использование СУОСО обеспечило переход на двухчленный экипаж.

При разработке системы для самолета МС-21 был применен анализ информационно-управляющего поля кабины самолета, что предопределило архитектуру системы. В ее состав вошли блок вычислитель-концентратор БВК-12, блок преобразования сигналов БПС-14, блок защиты и коммутации БЗК-1, блок управления обогревом стекол БУОС-1.

Внедрение системы позволило реализовать функцию вторичного распределения электроэнергии твердотельными блоками защиты и коммутации, а также функцию защиты сопрягаемых систем и фидера самолета от перегрузок по току. Кроме того, СУОСО-МС-21 обеспечила снижение массы и номенклатуры средств управления и контроля общесамолетного оборудования. Она повысила глубину контроля общесамолетного оборудования, понизив вероятности отказов каналов управления систем, сократив время обслуживания и предполетной подготовки. С помощью СУОСО-МС-21 была реализована отказоустойчивость разнородной архитектуры системы управления.
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment