Авионика: Электронные системы в авиации.

Введение

Электронные системы, используемые на летательных аппаратах

Авионика (комбинация слов "авиация" и "электроника") – это электронные системы, используемые на летательных аппаратах. Авионические системы включают в себя средства связи, навигации, отображение информации и управление множеством систем, а также сотни систем, устанавливаемых на самолеты для выполнения отдельных задач. Это могут быть как простые устройства, например, прожектор для полицейского вертолета, так и сложные комплексы, такие как тактическая система для платформы дальнего радиолокационного обнаружения.

История

Термин "авионика" был придуман в 1949 году Филиппом Классом, старшим редактором журнала Aviation Week & Space Technology, как портманто слов "aviation electronics" (авиационная электроника). Радиосвязь впервые стала использоваться в самолетах незадолго до Первой мировой войны. Первые бортовые радиоприемники были установлены на дирижаблях, но военные стимулировали разработку легких радиостанций, которые можно было перевозить на самолетах тяжелее воздуха, чтобы разведывательные бипланы могли немедленно докладывать о своих наблюдениях в случае подбития. Первая экспериментальная радиопередача с самолета была осуществлена ВМС США в августе 1910 года. Первые самолетные радиостанции использовали радиотелеграфию, поэтому требовался двухместный самолет со вторым членом экипажа, который передавал сообщения азбукой Морзе с помощью телеграфного ключа. Во время Первой мировой войны в 1917 году стали возможны AM-голосовые двухсторонние радиостанции благодаря разработке триодной вакуумной лампы, которая была достаточно простой для использования пилотом в одноместном самолете во время полета. Радар, ключевая технология, используемая сегодня в авиационной навигации и управлении воздушным движением, разрабатывался несколькими странами, в основном в секрете, как система противовоздушной обороны в 1930-х годах в преддверии Второй мировой войны. Многие современные системы авионики берут свое начало в разработках времен Второй мировой войны. Например, системы автопилота, которые сегодня широко распространены, изначально создавались как специализированные системы для обеспечения устойчивого полета бомбардировщиков при бомбометании с большой высоты. Современная авионика составляет значительную часть военных расходов на авиацию. На самолеты, такие как F-15E и выведенный из эксплуатации F-14, приходится примерно 20% бюджета, затрачиваемого на авионику. В большинстве современных вертолетов сейчас бюджет распределяется в соотношении 60/40 в пользу авионики. Гражданский рынок также наблюдает рост стоимости авионики. Системы управления полетом (fly by wire) и новые навигационные требования, обусловленные более плотным воздушным пространством, привели к увеличению затрат на разработку. Основным изменением стал недавний бум в сфере гражданской авиации. С увеличением числа людей, использующих самолеты в качестве основного средства передвижения, разрабатываются более сложные методы безопасного управления воздушными судами в этих ограниченных воздушных пространствах.

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.

Рынок

Ассоциация авиационной электроники сообщает о продажах авионики на сумму 1,73 миллиарда долларов за первые три квартала 2017 года в бизнес-авиации и авиации общего назначения, что на 4,1% больше по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. 73,5% продаж пришлось на Северную Америку, 42,3% составили поставки на новые воздушные суда, а 57,7% – модернизация, обусловленная приближающимся сроком 1 января 2020 года, установленным в США для обязательного внедрения системы ADS-B Out.

Авионика самолетов

Кокпит или, в более крупных самолетах, под кабиной пилотов или в подвижном носовом обтекателе, является типичным местом размещения оборудования авионики, включая системы управления, контроля, связи, навигации, метеорологического обеспечения и предотвращения столкновений. Большинство самолетов питают свою авионику от электрических систем постоянного тока напряжением 14 или 28 вольт; однако, более крупные и сложные самолеты (такие как авиалайнеры или военные боевые самолеты) используют системы переменного тока напряжением 115 вольт и частотой 400 Гц. Среди основных производителей авионики – The Boeing Company, Panasonic Avionics Corporation, Honeywell (которая теперь владеет Bendix/King), Universal Avionics Systems Corporation, Rockwell Collins (ныне Collins Aerospace), Thales Group, GE Aviation Systems, Garmin, Raytheon, Parker Hannifin, UTC Aerospace Systems (ныне Collins Aerospace), Selex ES (ныне Leonardo), Shadin Avionics и Avidyne Corporation. Международные стандарты для оборудования авионики разрабатываются Комитетом по авиационной электронике (AEEC) и публикуются ARINC.

Сообщения

Связь обеспечивает соединение кабины экипажа с землей и кабины экипажа с пассажирами. Бортовая связь осуществляется посредством систем громкой связи и внутренней связи самолета. Система авиационной связи VHF работает в диапазоне частот от 118.000 МГц до 136.975 МГц. В Европе каналы разделены на 8,33 кГц, а в остальном мире – на 25 кГц. VHF также используется для прямой связи, например, между самолетами и между самолетом и УВД. Применяется амплитудная модуляция (AM), а обмен информацией происходит в симплексном режиме. Связь с воздушным судном также может осуществляться с использованием HF (особенно для трансокеанских рейсов) или спутниковой связи.

Авианавигация – это определение местоположения и направления на или над поверхностью Земли. Авионика может использовать спутниковые навигационные системы (такие как GPS и WAAS), инерциальные навигационные системы (INS), наземные радионавигационные системы (такие как VOR или LORAN) или любую их комбинацию. Некоторые навигационные системы, например GPS, автоматически вычисляют положение и отображают его экипажу на подвижных картах. Более старые наземные навигационные системы, такие как VOR или LORAN, требуют от пилота или навигатора вычисления пересечения сигналов на бумажной карте для определения местоположения самолета; современные системы автоматически вычисляют положение и отображают его экипажу на подвижных картах.

Мониторинг

Первые признаки появления "стеклянных кабин" возникли в 1970-х годах, когда экраны электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) начали заменять электромеханические дисплеи, указатели и приборы. "Стеклянная" кабина подразумевает использование компьютерных мониторов вместо указателей и других аналоговых дисплеев. Самолеты постепенно оснащались все большим количеством дисплеев, циферблатов и информационных панелей, которые в конечном итоге конкурировали за пространство и внимание пилотов. В 1970-х годах средний самолет имел более 100 приборов и органов управления в кабине пилота. "Стеклянные кабины" начали внедряться с появлением частного самолета Gulfstream G-IV в 1985 году. Одной из ключевых задач при разработке "стеклянных кабин" является баланс между степенью автоматизации управления и объемом задач, выполняемых пилотом вручную. Как правило, стремятся автоматизировать операции полета, постоянно информируя пилота. Первые простые коммерческие автопилоты использовались для управления курсом и высотой и имели ограниченные возможности управления тягой и рулевыми поверхностями. В вертолетах автоматическая стабилизация применялась аналогичным образом. Первые системы были электромеханическими. Внедрение систем управления по проводам и электроприводных рулевых поверхностей (вместо традиционных гидравлических) повысило безопасность. Как и в случае с дисплеями и приборами, критически важные электромеханические устройства имели ограниченный срок службы. В системах, критичных для безопасности, программное обеспечение подвергается очень строгим испытаниям.

Системы предотвращения столкновений

В дополнение к управлению воздушным движением большинство крупных транспортных самолетов и многие небольшие используют систему предупреждения столкновений и обхода трафика (TCAS), которая способна определять местоположение близлежащих воздушных судов и выдавать указания по предотвращению столкновения в воздухе. Меньшие самолеты могут использовать более простые системы оповещения о трафике, такие как TPAS, которые являются пассивными (они не осуществляют активный запрос транспондеров других самолетов) и не предоставляют рекомендации по разрешению конфликтных ситуаций. Для предотвращения управляемого полета в местность (CFIT) самолеты используют системы предупреждения о близости к земле (GPWS), в которых ключевым элементом являются радиолокационные высотомеры. Одним из основных недостатков GPWS является отсутствие информации о будущем положении, поскольку она предоставляет только высоту над местностью в направлении "вниз". Для устранения этого недостатка современные самолеты используют систему предупреждения о рельефе местности (TAWS).

Записывающие устройства полета

В коммерческих самолетах кабины пилотов используются бортовые самописцы, обычно известные как "черные ящики", для хранения информации о полете и звукозаписи из кабины. Они часто извлекаются из самолета после крушения для определения настроек органов управления и других параметров во время происшествия.

Систем погоды

Погодные системы, такие как метеорологические радары (обычно Arinc 708 на коммерческих самолетах) и детекторы молний, важны для самолетов, выполняющих полеты ночью или в условиях инструментальных метеорологических условий, когда пилотам невозможно видеть погоду впереди. Сильные осадки (определяемые радаром) или сильная турбулентность (определяемая активностью молний) являются признаками интенсивной конвективной активности и сильной турбулентности, и погодные системы позволяют пилотам обходить эти зоны. Детекторы молний, такие как Stormscope или Strikefinder, стали достаточно доступными для использования на легких самолетах. Помимо радиолокации и обнаружения молний, наблюдения и расширенные радиолокационные изображения (например, NEXRAD) теперь доступны через спутниковые каналы связи, позволяя пилотам видеть погодные условия на значительном удалении от возможностей собственных бортовых систем. Современные дисплеи позволяют интегрировать информацию о погоде с подвижными картами, рельефом местности и данными о воздушном движении на одном экране, что значительно упрощает навигацию. Современные метеорологические системы также включают в себя обнаружение сдвига ветра и турбулентности, а также системы предупреждения о близости к земле и о воздушном движении. Бортовая метеорологическая авионика особенно популярна в Африке, Индии и других странах, где рынок авиаперевозок растет, но наземное обслуживание развито недостаточно.

Системы управления воздушными судами

Произошел переход к централизованному управлению множеством сложных систем, установленных на самолетах, включая мониторинг и управление двигателями. Системы контроля технического состояния и эксплуатации (HUMS) интегрированы с бортовыми компьютерами управления для заблаговременного предупреждения обслуживающего персонала о деталях, подлежащих замене. Концепция интегрированной модульной авионики предполагает единую архитектуру с прикладным программным обеспечением, которое может быть перенесено на различные сборочные блоки общих аппаратных модулей. Она применялась в истребителях четвертого поколения и в новейших моделях авиалайнеров.

Миссия или тактическая авионика

Военные самолеты разрабатываются либо для доставки вооружений, либо для обеспечения наблюдения и разведки для других систем вооружений. Широкий спектр сенсоров, доступных военным, используется для решения любых тактических задач. Как и в случае управления воздушными судами, крупные сенсорные платформы (такие как E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) оснащены бортовыми компьютерами управления полетом. Самолеты полиции и экстренных служб также несут на борту сложные тактические сенсоры.

Военная связь

В то время как авиационная связь является основой безопасного полета, тактические системы разработаны для выдерживания суровых условий боевого поля. UHF, VHF Tactical (30–88 МГц) и SatCom системы, в сочетании с методами ECCM и криптографией, обеспечивают защиту связи. Каналы передачи данных, такие как Link 11, 16, 22, BOWMAN, JTRS и даже TETRA, предоставляют возможность передачи данных (например, изображений, информации о целях и т.п.).

Радар

Радар был одним из первых тактических сенсоров. Преимущество высоты, обеспечивающее большую дальность обнаружения, обусловило значительное развитие бортовых радиолокационных технологий. К радарам относятся системы воздушного раннего предупреждения (AEW), противолодочные системы (ASW), а также метеорологические радары (Arinc 708) и радары для отслеживания наземных целей и определения близости к земле. Военные используют радары на скоростных самолетах, чтобы помочь пилотам летать на малых высотах. Хотя на гражданском рынке метеорологические радары используются уже давно, существуют строгие правила, регулирующие их применение для навигации воздушных судов.

Сонар

Погружной гидролокатор, устанавливаемый на различные военные вертолеты, позволяет им защищать морские суда от подводных лодок и надводных угроз. Самолеты морской поддержки могут сбрасывать активные и пассивные гидроакустические буи (сонобуи), которые также используются для определения местоположения вражеских подводных лодок.

Электрооптика

Электрооптические системы включают в себя такие устройства, как головной дисплей (HUD), тепловизор (FLIR), система инфракрасного поиска и сопровождения целей, а также другие пассивные инфракрасные устройства (пассивный инфракрасный датчик). Все они используются для предоставления экипажу изображений и информации. Эти изображения применяются для решения широкого спектра задач – от поиска и спасения до средств навигации и захвата целей.

ЭСМ/ДАС

Электронные средства поддержки и системы защиты широко используются для сбора информации об угрозах или потенциальных угрозах. Они могут применяться для запуска устройств (в некоторых случаях – автоматически) для противодействия непосредственным угрозам самолету. Они также используются для определения характеристик угрозы и её идентификации.