596
0,2
2015-07-04
Цифровые самолеты
via Shvonder
Бытует мнение, что старые самолеты надежней современных, поскольку содержат меньшее количество электроники. На примере самолета А-320 я постараюсь объяснить, как обеспечивается надежность и безопасность современных «компьютерных» самолетов.
Что такое «Fly-by-wire»?
На заре авиации управление самолетом осуществлялось механически — с помощью тросов и тяг, соединяющих органы управления (штурвал и педали) с элеронами и рулями направляния и высоты.
По мере роста размеров и скоростей самолетов, росли и физические усилия, затрачиваемые пилотом на управление. В помощь человеку пришли бустерные механизмы (гидроусилители). Хотя они и облегчали работу пилота, управление ими по-прежнему осуществлялось тросами и тягами. Надежность таких систем управления обеспечивалась дублированием тяг, тросов и исполнительных механизмов.
Обе схемы управления – механическая и бустерная — применяются и поныне, как в легкомоторной авиации, так и на больших самолетах, в т.ч. на SR-71 и на Ан-225 «Мрия».
В середине 50-х для военных самолетов были разработаны новые, т.н. статически неустойчивые аэродинамические компоновки, дающие значительный прирост в маневренности, но не позволяющие совершать полет без постоянной коррекции. Требовалось парировать возникающие возмущения быстрее, чем они развивались. Из-за низкой скорости реакции человек оказался не в состоянии решить эту задачу и для управления статически неустойчивыми самолетами была разработана электродистанционная система управления (ЭДСУ или Fly-by-wire, FBW). На основе данных, поступающих с датчиков и органов управления, ЭДСУ формировала сигналы для сервоприводов аэродинамических поверхностей (элеронов и рулей). То есть, человек управлял ЭДСУ, а ЭДСУ управляла самолетом.
Первые ЭДСУ были аналоговыми, позже появились цифровые. Сейчас ЭДСУ применяются практически на всех боевых самолетах и активно внедряются в гражданской авиации. Но в гражданской авиации они служат уже не для целей свехманевренности
Рассмотрим реализацию концепции Fly-by-Wire на примере самолета А-320.
Если вы заглянете в кабину А320, то вместо штурвалов обнаружите джойстики (в терминологии Airbus- сайдстики) на боковых консолях. Каждый сайдстик оборудован тензометрическими датчиками, данные с которых обрабатываются компьютерами и учетом текущей ситуации передаются на исполнительные механизмы.
Самолет А320 имеет 7 компьютеров управления полетом — 2 компьютера ELAC (Elevator Aileron Computer), 3 компьютера SEC (Spoilers Elevator Computer) и 2 компьютера FAC (Flight Augmentation Computer).
предчувствуя вопросы о «железе» — компьютеры ELAC работают на процессоре Motorola 68000, SEC — INTEL 80186. smile.gif
Каждый из этих компьютеров имеет 2 модуля – Control Unit и Monitoring Unit. Фактически, это 2 независимых устройства, получающие и обрабатывающие одинаковые данные. Но если Monitoring Unit обнаруживает несовпадение результатов собственных вычислений с результатами вычислений Control Unit, то этот компьютер считается неисправным и его функции берет на себя его «напарник». Для исключения возможных ошибок, программное обеспечение Control Unit и Monitoring Unit разрабатывалось разыми группами программистов на разных языках.*
Даже в случае полного отказа пары, другие пары смогут выполнять её функции. Так например, за триммер стабилизатора отвечает компьютер ELAC2. В случае его отказа, функции ELAC2 сможет взять на себя ELAC1, затем SEC1, затем SEC2. То есть, помимо параллельно работающих одинаковых блоков существует и дублирование функций между разными блоками. Этим обеспечивается многократное резервирование системы управления полетом.
Каждый из компьютеров имеет функцию самодиагностики по следующим параметрам – контроль процессора (watchdog и контрольные суммы), контроль питания, контроль входов и выходов, контроль обратной связи. Диагностика входов обеспечивается сравнением одинаковых сигналов, полученных с разных устройств.
Существует несколько уровней — режимов работы компьютеров управления полетом, которые в терминологии Airbus называются “laws”.
Первый режим — NORMAL LAW. Этот режим является основным и наиболее часто используемым. Самолет будет подчиняться пилоту, но не даст превысить критические значения угла атаки, перегрузки, крена и тангажа, а также будет контролировать скорость, не позволяя перейти ограничения максимальной и минимальной скоростей для текущего режима полета. Данный режим сохраняет работоспособность при отказе любого из 7 компьютеров.
При отказе нескольких компьютеров активизируется второй режим — ALTERNATE LAW. В этом режиме сохраняется защита от критических перегрузок, а так же от потери или превышения скорости.
При множественных отказах компьютеров активизируется третитй режим — DIRECT LAW. В этом режиме сигналы с сайдстика не обрабатываются и поступают напрямую на сервоприводы.
В случае полного отказа всех 7 компьютеров управления полетом, А-320 имеет гидромеханическую систему резервирования по курсу и тангажу.
И в заключение. За всю историю А-320, катастрофа по вине техники была лишь единожды – в 1988 году, после чего все самолеты были доработаны.
На настоящий момент выпущено около 5 тысяч самолетов этого семейства.
Инженеры в Боинге еще более суровы.
В каждом из трех компьютеров системы Fly-by-Wire самолета Boeing-777 в целях исключения ошибок используется три процессора разных производителей — Intel 80486, Motorola 68040 и AMD 29050. Все они выполняют одинаковые задачи. ПО написано на ADA. Тем не менее, каждый процессор требует своей обвязки и собственного компилятора, что также повышает надежность системы в целом. При выявлении различий в результатах компьютер отключается. Боинг называет эту схему «triple-triple redundant architecture».
А теперь небольшой обзор отечественной разработки — Системы дистанционного управления СДУ-10МК.
С 2007 по 2009 гг я работал на приборостроительном предприятии (Элара, Чебоксары) ведущим инженером по этому изделию. Пишу в большей степени по памяти, так как в данный момент работаю в другом месте и доступа к технической документации не имею. Остался лишь конспект. Изделие не секретное.
СДУ-10МК (СДУ-10МК сер. 2) — 4-х кратно дублированная аналого-цифровая система управления самолетом в продольном, поперечном и путевом каналах. Система заменяет механическую проводку управления. Эта система устанавливается на самолеты СУ-30МК… (В основном для ВВС Индии) Состав изделия
2 сдвоенных блока питания. Энергоснабжение СДУ осуществляется от двух независимых источников постоянного тока с номиналом напряжения 27В, работающих в буфере с аккумуляторными батареями, и двух независимых источников переменного трёхфазного тока напряжением 115В частотой 400Гц. Выдерживает кратковременные скачки напряжения по постоянному току до 50 вольт. СДУ — жизнеобеспечивающая система. Самолет просто упадет если СДУ откажет
Вычислители. Объединены в несколько блоков и шкаф. В общей сложности, состоят из 60 модулей (читай — печатных плат). Производят обработку сигналов от датчиков и выдают исполнительные сигналы на рулевые машины. Вычислители работают одновременно и формируют средние результирующие сигналы. Система продолжает работать при двух независимых отказах в разных каналах вычислителей. То есть при отказе в одном из вычислителей его выходные сигналы начинают отличаться от сигналов других вычислителей. При превышении (принижении) заданного порога, вычислитель отключается и выдается сигнал в речевой информатор и на пульт управления. Его можно попробовать перезапустить с пульта управления. При нескольких отказах сигналы сравнивать становится не с чем и система переходит в режим жесткой связи (В этом режиме управлять истребителем практически невозможно, так как он имеет несбалансированную аэродинамическую схему и его постоянно уводит). Ни одной катастрофы, связанной с отказом СДУ-10МК не было. Авария вроде была одна.
Датчики. Преобразуют различные физические параметры полета в электрические сигналы. Датчики в СДУ полностью независимы от других систем. То есть, например, у навигационного комплекса (ПНК) и у СДУ есть аналогичные по функционалу датчики. Все датчики 4-х кратно дублированы. СДУ «снимает» следующие параметры полета:
— Давление статическое и динамическое (ДАД, ДДД — датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления) для измерения скорости и высоты полета. Эти параметры необходимо знать, так как на разных высотах разная плотность воздуха, а на разных скоростях разное сопротивление
— Угловые скорости (ДУС, БДГ — датчик угловых скоростей, блок датчиков гироскопических). Требуется для определения угловой скорости вращения вокруг своих осей. СДУ моментально возвращает самолет в исходное положение при любых отклонениях планера
— Положение ручки управления и педали (ДПР — датчик положения резервированный). Эти датчики преобразуют в электрический сигнал положение ручки управления в двух плоскостях (крен, тангаж) и педали (курс)
Пульты. ПП, ПУ — пульт проверки, пульт управления. Предназначены для выполнения проверки работоспособности СДУ и управления СДУ во время работы а также для контроля работоспособности и перезапуска системы во время полета
Рулевые машины. Предназначены для преобразования электрических сигналов СДУ в механические. Механические сигналы предварительно усиливаются гидравлическими машинами которые в состав СДУ не входят Режимы работы
СДУ работает в нескольких режимах: взлет-посадка, полет, дозаправка. Режимы отличаются в основном передаточными коэффициентами и функционированием отдельных отклоняемых поверхностей. Например, в режиме «дозаправка» самолет движется намного плавнее, чем в режиме «полет». Во время полета система постоянно анализирует положение самолета в пространстве, скорость и направление полета и управляет флаперонами, носками, передним горизонтальным оперением, рулями направления и высоты а также углом отклонения сопел в вертикальной плоскости.
В системе имеются ограничители предельных режимов не позволяющие летчику вывести самолет за пределы его возможностей. При приближении к предельным режимам ручка летчика начинает мощно дрожать, так, словно самолет сейчас развалится, хотя на самом деле это имитация.
Технологии производства и контроль качества
Система выполнена полностью на отечественной элементной базе. Предприятие-изготовитель имеет собственные механические цеха, цех по производству печатных плат, цех микроэлектроники. Система не герметичная. Все печатные платы имеют влагозащитное покрытие в виде 3-х слоев лака. Особо чувствительные платы покрывают компаундом. Несущие конструкции изготавливаются на станках с ЧПУ.
Качество контролируется на всех этапах производства самими цехами, ОТК и военным представительством. Протокол испытаний изделия соизмерим с 96 листовым журналом. После изготовления систему испытывают примерно 2 недели.
Остальное
Система проходит жесточайшие испытания, и по-моему, это самое живучее электронное изделие на самолете. Ее испытывают при температурах -60..60 градусов, часами трясут на вибростендах, загрязняют солями, песками, грибами, парами. Весит система примерно 120 кг. и очень дорого стоит, но это коммерческая тайна предприятия-изготовителя.
На данный момент разработаны более современные цифровые аналоги (например, КСУ-35), но СДУ-10МК по-прежнему производится и успешно применяется.
На 3 рисунке — Блок питания БП-58 из состава СДУ-10У, С (СУ-27) после испытаний на пониженной температуре. Это более старая система которая тоже до сих пор выпускается.
Источник: www.yaplakal.com/
Бытует мнение, что старые самолеты надежней современных, поскольку содержат меньшее количество электроники. На примере самолета А-320 я постараюсь объяснить, как обеспечивается надежность и безопасность современных «компьютерных» самолетов.
Что такое «Fly-by-wire»?
На заре авиации управление самолетом осуществлялось механически — с помощью тросов и тяг, соединяющих органы управления (штурвал и педали) с элеронами и рулями направляния и высоты.
По мере роста размеров и скоростей самолетов, росли и физические усилия, затрачиваемые пилотом на управление. В помощь человеку пришли бустерные механизмы (гидроусилители). Хотя они и облегчали работу пилота, управление ими по-прежнему осуществлялось тросами и тягами. Надежность таких систем управления обеспечивалась дублированием тяг, тросов и исполнительных механизмов.
Обе схемы управления – механическая и бустерная — применяются и поныне, как в легкомоторной авиации, так и на больших самолетах, в т.ч. на SR-71 и на Ан-225 «Мрия».
В середине 50-х для военных самолетов были разработаны новые, т.н. статически неустойчивые аэродинамические компоновки, дающие значительный прирост в маневренности, но не позволяющие совершать полет без постоянной коррекции. Требовалось парировать возникающие возмущения быстрее, чем они развивались. Из-за низкой скорости реакции человек оказался не в состоянии решить эту задачу и для управления статически неустойчивыми самолетами была разработана электродистанционная система управления (ЭДСУ или Fly-by-wire, FBW). На основе данных, поступающих с датчиков и органов управления, ЭДСУ формировала сигналы для сервоприводов аэродинамических поверхностей (элеронов и рулей). То есть, человек управлял ЭДСУ, а ЭДСУ управляла самолетом.
Первые ЭДСУ были аналоговыми, позже появились цифровые. Сейчас ЭДСУ применяются практически на всех боевых самолетах и активно внедряются в гражданской авиации. Но в гражданской авиации они служат уже не для целей свехманевренности
Рассмотрим реализацию концепции Fly-by-Wire на примере самолета А-320.
Если вы заглянете в кабину А320, то вместо штурвалов обнаружите джойстики (в терминологии Airbus- сайдстики) на боковых консолях. Каждый сайдстик оборудован тензометрическими датчиками, данные с которых обрабатываются компьютерами и учетом текущей ситуации передаются на исполнительные механизмы.
Самолет А320 имеет 7 компьютеров управления полетом — 2 компьютера ELAC (Elevator Aileron Computer), 3 компьютера SEC (Spoilers Elevator Computer) и 2 компьютера FAC (Flight Augmentation Computer).
предчувствуя вопросы о «железе» — компьютеры ELAC работают на процессоре Motorola 68000, SEC — INTEL 80186. smile.gif
Каждый из этих компьютеров имеет 2 модуля – Control Unit и Monitoring Unit. Фактически, это 2 независимых устройства, получающие и обрабатывающие одинаковые данные. Но если Monitoring Unit обнаруживает несовпадение результатов собственных вычислений с результатами вычислений Control Unit, то этот компьютер считается неисправным и его функции берет на себя его «напарник». Для исключения возможных ошибок, программное обеспечение Control Unit и Monitoring Unit разрабатывалось разыми группами программистов на разных языках.*
Даже в случае полного отказа пары, другие пары смогут выполнять её функции. Так например, за триммер стабилизатора отвечает компьютер ELAC2. В случае его отказа, функции ELAC2 сможет взять на себя ELAC1, затем SEC1, затем SEC2. То есть, помимо параллельно работающих одинаковых блоков существует и дублирование функций между разными блоками. Этим обеспечивается многократное резервирование системы управления полетом.
Каждый из компьютеров имеет функцию самодиагностики по следующим параметрам – контроль процессора (watchdog и контрольные суммы), контроль питания, контроль входов и выходов, контроль обратной связи. Диагностика входов обеспечивается сравнением одинаковых сигналов, полученных с разных устройств.
Существует несколько уровней — режимов работы компьютеров управления полетом, которые в терминологии Airbus называются “laws”.
Первый режим — NORMAL LAW. Этот режим является основным и наиболее часто используемым. Самолет будет подчиняться пилоту, но не даст превысить критические значения угла атаки, перегрузки, крена и тангажа, а также будет контролировать скорость, не позволяя перейти ограничения максимальной и минимальной скоростей для текущего режима полета. Данный режим сохраняет работоспособность при отказе любого из 7 компьютеров.
При отказе нескольких компьютеров активизируется второй режим — ALTERNATE LAW. В этом режиме сохраняется защита от критических перегрузок, а так же от потери или превышения скорости.
При множественных отказах компьютеров активизируется третитй режим — DIRECT LAW. В этом режиме сигналы с сайдстика не обрабатываются и поступают напрямую на сервоприводы.
В случае полного отказа всех 7 компьютеров управления полетом, А-320 имеет гидромеханическую систему резервирования по курсу и тангажу.
И в заключение. За всю историю А-320, катастрофа по вине техники была лишь единожды – в 1988 году, после чего все самолеты были доработаны.
На настоящий момент выпущено около 5 тысяч самолетов этого семейства.
Инженеры в Боинге еще более суровы.
В каждом из трех компьютеров системы Fly-by-Wire самолета Boeing-777 в целях исключения ошибок используется три процессора разных производителей — Intel 80486, Motorola 68040 и AMD 29050. Все они выполняют одинаковые задачи. ПО написано на ADA. Тем не менее, каждый процессор требует своей обвязки и собственного компилятора, что также повышает надежность системы в целом. При выявлении различий в результатах компьютер отключается. Боинг называет эту схему «triple-triple redundant architecture».
А теперь небольшой обзор отечественной разработки — Системы дистанционного управления СДУ-10МК.
С 2007 по 2009 гг я работал на приборостроительном предприятии (Элара, Чебоксары) ведущим инженером по этому изделию. Пишу в большей степени по памяти, так как в данный момент работаю в другом месте и доступа к технической документации не имею. Остался лишь конспект. Изделие не секретное.
СДУ-10МК (СДУ-10МК сер. 2) — 4-х кратно дублированная аналого-цифровая система управления самолетом в продольном, поперечном и путевом каналах. Система заменяет механическую проводку управления. Эта система устанавливается на самолеты СУ-30МК… (В основном для ВВС Индии) Состав изделия
2 сдвоенных блока питания. Энергоснабжение СДУ осуществляется от двух независимых источников постоянного тока с номиналом напряжения 27В, работающих в буфере с аккумуляторными батареями, и двух независимых источников переменного трёхфазного тока напряжением 115В частотой 400Гц. Выдерживает кратковременные скачки напряжения по постоянному току до 50 вольт. СДУ — жизнеобеспечивающая система. Самолет просто упадет если СДУ откажет
Вычислители. Объединены в несколько блоков и шкаф. В общей сложности, состоят из 60 модулей (читай — печатных плат). Производят обработку сигналов от датчиков и выдают исполнительные сигналы на рулевые машины. Вычислители работают одновременно и формируют средние результирующие сигналы. Система продолжает работать при двух независимых отказах в разных каналах вычислителей. То есть при отказе в одном из вычислителей его выходные сигналы начинают отличаться от сигналов других вычислителей. При превышении (принижении) заданного порога, вычислитель отключается и выдается сигнал в речевой информатор и на пульт управления. Его можно попробовать перезапустить с пульта управления. При нескольких отказах сигналы сравнивать становится не с чем и система переходит в режим жесткой связи (В этом режиме управлять истребителем практически невозможно, так как он имеет несбалансированную аэродинамическую схему и его постоянно уводит). Ни одной катастрофы, связанной с отказом СДУ-10МК не было. Авария вроде была одна.
Датчики. Преобразуют различные физические параметры полета в электрические сигналы. Датчики в СДУ полностью независимы от других систем. То есть, например, у навигационного комплекса (ПНК) и у СДУ есть аналогичные по функционалу датчики. Все датчики 4-х кратно дублированы. СДУ «снимает» следующие параметры полета:
— Давление статическое и динамическое (ДАД, ДДД — датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления) для измерения скорости и высоты полета. Эти параметры необходимо знать, так как на разных высотах разная плотность воздуха, а на разных скоростях разное сопротивление
— Угловые скорости (ДУС, БДГ — датчик угловых скоростей, блок датчиков гироскопических). Требуется для определения угловой скорости вращения вокруг своих осей. СДУ моментально возвращает самолет в исходное положение при любых отклонениях планера
— Положение ручки управления и педали (ДПР — датчик положения резервированный). Эти датчики преобразуют в электрический сигнал положение ручки управления в двух плоскостях (крен, тангаж) и педали (курс)
Пульты. ПП, ПУ — пульт проверки, пульт управления. Предназначены для выполнения проверки работоспособности СДУ и управления СДУ во время работы а также для контроля работоспособности и перезапуска системы во время полета
Рулевые машины. Предназначены для преобразования электрических сигналов СДУ в механические. Механические сигналы предварительно усиливаются гидравлическими машинами которые в состав СДУ не входят Режимы работы
СДУ работает в нескольких режимах: взлет-посадка, полет, дозаправка. Режимы отличаются в основном передаточными коэффициентами и функционированием отдельных отклоняемых поверхностей. Например, в режиме «дозаправка» самолет движется намного плавнее, чем в режиме «полет». Во время полета система постоянно анализирует положение самолета в пространстве, скорость и направление полета и управляет флаперонами, носками, передним горизонтальным оперением, рулями направления и высоты а также углом отклонения сопел в вертикальной плоскости.
В системе имеются ограничители предельных режимов не позволяющие летчику вывести самолет за пределы его возможностей. При приближении к предельным режимам ручка летчика начинает мощно дрожать, так, словно самолет сейчас развалится, хотя на самом деле это имитация.
Технологии производства и контроль качества
Система выполнена полностью на отечественной элементной базе. Предприятие-изготовитель имеет собственные механические цеха, цех по производству печатных плат, цех микроэлектроники. Система не герметичная. Все печатные платы имеют влагозащитное покрытие в виде 3-х слоев лака. Особо чувствительные платы покрывают компаундом. Несущие конструкции изготавливаются на станках с ЧПУ.
Качество контролируется на всех этапах производства самими цехами, ОТК и военным представительством. Протокол испытаний изделия соизмерим с 96 листовым журналом. После изготовления систему испытывают примерно 2 недели.
Остальное
Система проходит жесточайшие испытания, и по-моему, это самое живучее электронное изделие на самолете. Ее испытывают при температурах -60..60 градусов, часами трясут на вибростендах, загрязняют солями, песками, грибами, парами. Весит система примерно 120 кг. и очень дорого стоит, но это коммерческая тайна предприятия-изготовителя.
На данный момент разработаны более современные цифровые аналоги (например, КСУ-35), но СДУ-10МК по-прежнему производится и успешно применяется.
На 3 рисунке — Блок питания БП-58 из состава СДУ-10У, С (СУ-27) после испытаний на пониженной температуре. Это более старая система которая тоже до сих пор выпускается.
Источник: www.yaplakal.com/
