Қанатты машиналардың электроникалық жүйелері

Кіріспе

Ұшақтарда қолданылатын электрондық жүйелер

Авионика (авиация және электрониканың біріктірілуі) – ұшақтарда қолданылатын электрондық жүйелер. Авионикалық жүйелерге байланыс, навигация, көптеген жүйелерді көрсету және басқару, сондай-ақ жеке функцияларды орындау үшін ұшаққа орнатылған жүздеген жүйелер кіреді. Олар полиция тікұшағындағы қарапайым іздеу шамдарынан бастап, әуедегі ерте ескерту платформасының күрделі тактикалық жүйелеріне дейін болуы мүмкін.

Тарих

"Авионика" термині 1949 жылы Aviation Week & Space Technology журналының аға редакторы Филипп Класс "авиация электроникасы" сөздерінің біріктірілімі ретінде пайда болды. Радиобайланыс алғаш рет Бірінші дүниежүзілік соғысқа дейін әуе кемелерінде қолданылды. Алғашқы әуедегі радиолар цеппелиндерде орнатылды, бірақ әскерилер ауыррақ ұшақтарда тасымалданатын жеңіл радио құрылғыларын жасауға көшті, соның арқасында барлау ұшақтары түсірілген жағдайда дереу байқағандарын хабарлай алатын болды. Ұшақтан алғашқы тәжірибелік радиохабар 1910 жылдың тамызында АҚШ Әскери-теңіз күштері тарапынан жіберілді. Бірінші әуе кемелері радиотелеграфия арқылы хабар тарата бастады, сондықтан олар екі орындық ұшақтарда екінші экипаж мүшесінің Морзе кодымен хабарды беру үшін телеграф кілтін басуын қажет етті. Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде 1917 жылы триодты вакуумдық түтікшелердің жасалуының нәтижесінде AM дауысты екі жақты радио байланысы мүмкін болды, бұл бір орындық ұшақтағы ұшқышқа ұшып бара жатқанда оны пайдалануға жеткілікті қарапайым болды. Радар, бүгінде әуе кемелерін басқару және әуе қозғалысын бақылауда қолданылатын негізгі технология, 1930 жылдары, Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін әуе қорғанысы жүйесі ретінде бірнеше елдерде, көбінесе құпия түрде әзірленді. Көптеген қазіргі заманғы авионикалық жүйелердің бастауы Екінші дүниежүзілік соғыс кезеңіне саяды. Мысалы, бүгінде кең таралған автопилот жүйелері бомбалаушы ұшақтардың биік қабаттан дәл нысананы тигізуіне көмектесетін арнайы жүйелер ретінде пайда болды. Қазіргі заманғы авионика әскери ұшақтарға жұмсалатын қаражаттың маңызды бөлігін құрайды. F-15E және қазіргі кезде қолданыстан шығарылған F-14 сияқты ұшақтардың бюджетінің шамамен 20 пайызы авионикаға жұмсалады. Көптеген қазіргі тікұшақтардың бюджеті 60/40 арақатынасында авионикаға басымдық береді. Азаматтық нарықта да авиониканың құны өсті. Ұшуды басқару жүйелері (fly-by-wire) және тар әуе кеңістігінен туындаған жаңа навигациялық қажеттіліктер даму шығындарын арттырды. Басты өзгеріс – соңғы кездегі жеке авиацияның өркендеуі. Ұшақтарды көліктің негізгі түрі ретінде пайдаланатын адамдардың саны артуымен қатар, осы шектеулі әуе кеңістігінде ұшақтарды қауіпсіз басқарудың күрделі әдістері ойлап табылды.

The term "avionics" was coined in 1949 by Philip J. Klass, senior editor at Aviation Week & Space Technology magazine as a portmanteau of "aviation electronics". Radio communication was first used in aircraft just prior to World War I. The first airborne radios were in zeppelins, but the military sparked development of light radio sets that could be carried by heavier than air craft, so that aerial reconnaissance biplanes could report their observations immediately in case they were shot down. The first experimental radio transmission from an airplane was conducted by the U. S. Navy in August 1910. The first aircraft radios transmitted by radiotelegraphy, so they required two seat aircraft with a second crewman to tap on a telegraph key to spell out messages by Morse code. During World War I, AM voice two way radio sets were made possible in 1917 by the development of the triode vacuum tube, which were simple enough that the pilot in a single seat aircraft could use it while flying. Radar, the central technology used today in aircraft navigation and air traffic control, was developed by several nations, mainly in secret, as an air defense system in the 1930s during the runup to World War II. Many modern avionics have their origins in World War II wartime developments. For example, autopilot systems that are commonplace today began as specialized systems to help bomber planes fly steadily enough to hit precision targets from high altitudes. Modern avionics is a substantial portion of military aircraft spending. Aircraft like the F 15E and the now retired F 14 have roughly 20 percent of their budget spent on avionics. Most modern helicopters now have budget splits of 60/40 in favour of avionics. The civilian market has also seen a growth in cost of avionics. Flight control systems (fly by wire) and new navigation needs brought on by tighter airspaces, have pushed up development costs. The major change has been the recent boom in consumer flying. As more people begin to use planes as their primary method of transportation, more elaborate methods of controlling aircraft safely in these high restrictive airspaces have been invented.

Нарық

Ұшақ электроникасы қауымдастығы 2017 жылдың алғашқы үш тоқсанында бизнес және жалпы авиациядағы авионика сатудың $1.73 миллиард долларды құрап, жылдық өсім 4.1% болғанын хабарлады: сатудың 73.5% Солтүстік Америкадан жасалған, алдыңғы орнату 42.3% құрады, ал 57.7% АҚШ-тың 2020 жылғы 1 қаңтардағы міндетті ADS-B шығу талабына байланысты жаңартулар болды.

Әуе кемесінің авиация жүйесі

Кокпит немесе, үлкен ұшақтарда, ұшақтың кокпитінің астында немесе жылжымалы мұрын бөлігінде, авиациялық жабдықтардың орналасқан жері болып табылады, оның ішінде басқару, бақылау, байланыс, навигация, ауа райы және соқтығысудан сақтау жүйелері. Көптеген ұшақтар өздерінің авиациялық құралдарын 14 немесе 28 вольтты тұрақты ток электр жүйелерімен қамтамасыз етеді; бірақ, үлкен, күрделі ұшақтар (әуе лайнерлері немесе әскери ұшақтар) 115 вольт 400 Гц айнымалы ток жүйелерін пайдаланады. Ұшу авиациясын өндіретін ірі компаниялардың қатарында Boeing компаниясы, Panasonic Avionics Corporation, Honeywell (қазір Bendix/King-тің иесі), Universal Avionics Systems Corporation, Rockwell Collins (қазір Collins Aerospace), Thales Group, GE Aviation Systems, Garmin, Raytheon, Parker Hannifin, UTC Aerospace Systems (қазір Collins Aerospace), Selex ES (қазір Leonardo), Shadin Avionics және Avidyne Corporation бар. Авионика жабдықтарына арналған халықаралық стандарттарды Әуе компанияларының электрондық инженерия комитеті (AEEC) әзірлейді және ARINC басып шығарады.

Байланыс

Байланыс ұшақ кабинасын жермен және ұшақ кабинасын жолаушылармен байланыстырады. Ұшақ ішіндегі байланыс жария хабарлау жүйелері және ұшақ ішкі байланыс құралдары арқылы қамтамасыз етіледі. VHF авиациялық байланыс жүйесі 118.000 МГц-ден 136.975 МГц-ге дейінгі жиілік диапазонында жұмыс істейді. Еуропада әр канал көршілес каналдардан 8.33 кГц, ал басқа аймақтарда 25 кГц арақашықтықта орналасқан. VHF сонымен қатар тікелей көру шегіндегі байланыс үшін де қолданылады, мысалы, ұшақтан ұшаққа және ұшақтан әуе қозғалысын басқару орталығымен (АТҚ) байланыс үшін. Амплитудалық модуляция (AM) пайдаланылады және сөйлесу симплекс режимінде жүзеге асырылады. Ұшақ байланысы HF (әсіресе мұхиттан өтетін рейстер үшін) немесе спутниктік байланыс арқылы да жүргізілуі мүмкін.

Аэронавигация – Жер бетінде немесе одан жоғарыдағы орналасу мен бағытты анықтау. Авианика спутниктік навигация жүйелерін (мысалы, GPS және WAAS), инерциялық навигация жүйелерін (INS), жердегі радио навигация жүйелерін (мысалы, VOR немесе LORAN) немесе олардың кез келген комбинациясын қолдана алады. GPS сияқты кейбір навигация жүйелері орналасуын автоматты түрде есептеп, ұшақ экипажына жылжымалы карта дисплейлерінде көрсетеді. VOR немесе LORAN сияқты ескі жердегі навигация жүйелері ұшқыш немесе навигатордан ұшақтың орналасуын анықтау үшін қағаз картада сигналдардың қиылысуын белгілеуді қажет етеді; ал заманауи жүйелер позицияны автоматты түрде есептеп, ұшу экипажына жылжымалы карта дисплейлерінде көрсетеді.

Бақылау

Шынылы пилот кабиналарының алғашқы белгілері 1970 жылдары пайда болды, сол кезде ұшуға жарамды катодты сәулелі түтік (CRT) экрандары электромеханикалық дисплейлерді, өлшегіштерді және аспаптарды алмастыра бастады. "Шынылы" пилот кабинасы – өлшегіштер мен басқа да аналогты дисплейлердің орнына компьютерлік мониторларды пайдалану. Ұшақтарда дисплейлердің, диалдардың және ақпараттық панельдердің саны артып, олар ұшқыштардың назарына таласып, алаңдата бастады. 1970 жылдары бір ұшақта 100-ден астам аспап пен басқару құралы болған. Шынылы пилот кабиналары 1985 жылы Gulfstream G-IV жеке ұшағымен қолданысқа енді. Шынылы пилот кабиналарындағы маңызды мәселелердің бірі – қанша басқаруды автоматтандыру және ұшқыш қанша жұмысты қолмен атқаруы керек екенін дұрыс теңестіру. Әдетте, ұшқыштың толық хабардар болуын қамтамасыз ете отырып, ұшу операцияларын автоматтандыруға тырысады. Алғашқы қарапайым коммерциялық автопилоттар бағытты және биіктікті басқару үшін қолданылды, ал жылдамдық пен ұшуды басқару беттері сияқты мәселелерде шектеулі өкілеттіктерге ие болды. Тікұшақтарда да осыған ұқсас автоматты тұрақтандыру жүйесі қолданылды. Алғашқы жүйелер электромеханикалық болды. Сым арқылы басқару және дәстүрлі гидравликалық жүйелердің орнына электрмен жұмыс істейтін ұшу беттерінің пайда болуы қауіпсіздікті арттырды. Дисплейлер мен аспаптар сияқты, электромеханикалық маңызды құрылғылардың да қызмет ету мерзімі шектеулі болды. Қауіпсіздікке қатысты жүйелерде бағдарламалық жасақтама өте қатаң түрде тексеріледі.

Тездетуді болдырмау жүйелері

Әуе қозғалысын бақылауды толықтыру үшін көптеген ірі көлік ұшақтары және көптеген кіші ұшақтар жақын маңдағы ұшақтардың орналасқан жерін анықтап, әуеде соқтығысудан аулақ болуға қатысты нұсқаулар беретін қозғалыс ескерту және соқтығысуды болдырмау жүйесін (TCAS) пайдаланады. Шағын ұшақтар TPAS сияқты қарапайым қозғалыс ескерту жүйелерін қолдануы мүмкін, олар пассивті (басқа ұшақтардың транспондерлерін белсенді түрде сұрамайды) және қақтығысты шешу бойынша кеңес бермейді. Басқарылатын ұшуды жерге (CFIT) түсіруді болдырмау үшін ұшақтар радиолокациялық биіктікөлшегіштерді маңызды құрамдас бөлік ретінде пайдаланатын жерге жақындау туралы ескерту жүйелерін (GPWS) қолданады. GPWS-тің басты кемшіліктерінің бірі – «алға қарау» ақпаратының жетіспеуі, себебі ол тек жер бетінен биіктікті «төмен қарау» арқылы ұсынады. Бұл кемшілікті жою үшін қазіргі заманғы ұшақтар жер бедерін анықтау және ескерту жүйесін (TAWS) қолданады.

Ұшуды тіркеу құрылғылары

Кәсіптік ұшақтардың пилот кабинасындағы деректер тіркегіштері, көбінесе "қара жәшіктер" деп аталады, ұшу туралы ақпаратты және пилот кабинасынан аудионы сақтайды. Олар көбінесе апаттан кейін ұшақтан табылып, оқиға кезінде басқару параметрлері мен басқа да мәліметтерді анықтау үшін қолданылады.

Ауа райы жүйелері

Ауа райы жүйелері, мысалы, ауа райы радары (әдетте коммерциялық ұшақтарда Arinc 708) және найзағай детекторлары, түнде немесе аспаптық метеорологиялық жағдайларда ұшатын ұшақтар үшін маңызды, онда ұшқыштардың алдағы ауа райын көруі мүмкін емес. Радар арқылы анықталатын қатты жауын-шашын немесе найзағай белсенділігі арқылы анықталатын күшті турбуленттілік – бұл күшті конвективті белсенділік пен қатты турбуленттіліктің көрсеткіштері, ал ауа райы жүйелері ұшқыштарға осы аймақтарды айналып өтуге мүмкіндік береді. Stormscope немесе Strikefinder сияқты найзағай детекторлары енді жеңіл ұшақтар үшін қолжетімді деңгейде арзан болды. Радар және найзағайды анықтаудан өзге, бақылаулар мен кеңейтілген радарлық суреттер (мысалы, NEXRAD) спутниктік деректер арқылы қол жетімді, бұл ұшқыштарға өз ұшу жүйелерінің қабылдауынан тыс ауа райы жағдайларын көруге мүмкіндік береді. Заманауи дисплейлер ауа райы туралы ақпаратты жылжымалы карталармен, жер бедерімен және қозғалыспен бір экранға біріктіруге мүмкіндік береді, бұл навигацияны қатты жеңілдетеді. Заманауи ауа райы жүйелеріне желдің бағытын өзгерткендегі және турбуленттілікті анықтау, сондай-ақ жер бедері мен қозғалыс туралы ескерту жүйелері де кіреді. Ұшақтағы ауа райы авиациясы Африка, Үндістан және әуе тасымалдары өсіп келе жатқан, бірақ жердегі қолдау жетілмеген басқа елдерде кең таралған.

Әуе кемесін басқару жүйелері

Ұшақтарға орнатылған көптеген күрделі жүйелердің, оның ішінде қозғалтқышты бақылау және басқарудың орталықтандырылған басқаруға қарай дамуы байқалды. Ұшақтың денсаулығы мен пайдалануын қадағалау жүйелері (HUMS) ұшақтарды басқару компьютерлерімен біріктіріліп, техникалық қызметкерлерге ауыстыруды қажет ететін бөлшектер туралы алдын ала хабарлайды. Интеграцияланған модульдік авионика тұжырымы, ортақ аппараттық модульдер жиынтығында қолданылатын бағдарламалық жасақтамамен біріктірілген архитектураны ұсынады. Ол төртінші буынның әскери ұшақтарында және ең соңғы буынның жолаушылар ұшақтарында қолданылған.

Миссиялық немесе тактикалық авианика

Әскери ұшақтар қару жеткізу немесе басқа қару жүйелері үшін көз бен құлақ болу мақсатында жасалған. Әскерилерде қолжетімді кең ауқымды сенсорлар қажетті тактикалық міндеттер үшін пайдаланылады. Ұшақтарды басқару сияқты, ірі сенсорлық платформаларда (мысалы, E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) миссияны басқару компьютерлері орнатылған. Полиция және жедел жәрдем ұшақтары да күрделі тактикалық сенсорларды тасымалдайды.

Әскери байланыс

Ұшақтардың байланыс жүйесі қауіпсіз ұшудың негізін құраса, тактикалық жүйелер соғыс даласының қатал жағдайларына төтеп беру үшін жасалған. UHF, VHF Tactical (30–88 МГц) және SatCom жүйелері, ECCM әдістерімен және шифрлау арқылы байланысты қамтамасыз етеді. 11, 16, 22 және BOWMAN, JTRS және TETRA сияқты деректер желілері (суреттер, нысана туралы ақпарат сияқты) деректерді тарату құралдарын ұсынады.

Радар

Әуедегі радар – алғашқы тактикалық сенсорлардың бірі болды. Биіктіктің қамтамасыз ететін қашықтығы, әуедегі радар технологияларына ерекше назар аударуға себеп болды. Радарлардың ішінде әуедегі ерте ескерту (AEW), су астына қарсы күрес (ASW), тіпті ауа райы радары (Arinc 708) және жерді бақылау/жақындық радары бар. Әскерилер жылдам ұшақтарда радарды ұшқыштарға төмен қабатта ұшуға көмектесу үшін пайдаланады. Азаматтық нарықта ауа райы радары біраз уақыттан бері қолданылып келеді, бірақ оны ұшақты бағыттау үшін пайдалануға қатысты қатаң ережелер бар.

Сонар

Әскери тікұшақтарға орнатылған суға батыратын сонар кемелерді су асты және суүсті емес қауіптерден қорғауға мүмкіндік береді. Теңіз қолдау ұшақтары белсенді және пассивті сонар құрылғыларын (сонобуйлерді) тастай алады, олар жаудың су асты кемелерінің орнын анықтау үшін де пайдаланылады.

Электрооптика

Электрооптикалық жүйелерге бас-көтеріп қарау дисплейі (HUD), алға қарау инфрақызыл (FLIR), инфрақызыл іздеу және нысананы қадағалау, сондай-ақ басқа да пассивті инфрақызыл құрылғылар (пассивті инфрақызыл сенсор) кіреді. Бұл құрылғылардың бәрі ұшу экипажына бейне және ақпарат ұсыну үшін қолданылады. Осы бейнелер іздеу-құтқару операцияларынан бастап, навигациялық көмек пен нысананы анықтауға дейін түрлі мақсаттарда пайдаланылады.

ESM/DAS

Электрондық қолдау шаралары мен қорғаныс құралдары жүйелері қауіптің немесе мүмкін қауіптің жай-күйін анықтау және оны тану үшін, сондай-ақ қауіптер туралы ақпарат жинау үшін кеңінен қолданылады. Олар тікелей қауіптерге қарсы ұшақты қорғау үшін құрылғыларды (кейбір жағдайларда автоматты түрде) іске қосуға да мүмкіндік береді.