Авионика ( смесь авиации и электроники ) — это электронные системы , используемые на самолетах . Авиационные системы включают связь, навигацию , отображение и управление несколькими системами, а также сотнями систем, которые устанавливаются на самолеты для выполнения отдельных функций. Они могут быть такими простыми, как прожектор для полицейского вертолета , или такими сложными, как тактическая система для бортовой платформы раннего предупреждения . [1]
Термин « авионика » был придуман в 1949 году Филипом Дж. Классом , старшим редактором журнала Aviation Week & Space Technology, как термин « авиационная электроника ». [2] [3]
Радиосвязь впервые была использована в самолетах незадолго до Первой мировой войны . [4] Первые бортовые радиостанции были на дирижаблях , но военные стимулировали разработку легких радиостанций, которые можно было переносить на самолетах тяжелее воздуха, чтобы бипланы воздушной разведки могли немедленно сообщать о своих наблюдениях в случае, если они будут сбиты. Первая экспериментальная радиопередача с самолета была проведена ВМС США в августе 1910 года. Первые авиационные радиостанции передавались посредством радиотелеграфии , поэтому требовался двухместный самолет со вторым членом экипажа, который нажимал на телеграфный ключ и записывал сообщения азбукой Морзе. . Во время Первой мировой войны в 1917 году стало возможным создание радиостанций двусторонней голосовой связи AM благодаря разработке триодной электронной лампы , которая была достаточно простой, чтобы пилот одноместного самолета мог использовать ее во время полета.
Радар , основная технология, используемая сегодня в авиационной навигации и управлении воздушным движением , был разработан несколькими странами, в основном секретно, в качестве системы противовоздушной обороны в 1930-х годах во время подготовки ко Второй мировой войне . Многие современные авионики берут свое начало в разработках военного времени времен Второй мировой войны. Например, системы автопилота , которые сегодня являются обычным явлением, начинались как специализированные системы, помогающие самолетам-бомбардировщикам летать достаточно стабильно, чтобы поражать точные цели с больших высот. [5] Решение Великобритании в 1940 году поделиться своей радиолокационной технологией со своим американским союзником, в частности, магнетронной электронной трубкой , в знаменитой миссии Тизарда , значительно сократило время войны. [6] Современная авионика составляет значительную часть расходов на военные самолеты. На такие самолеты, как F-15E и ныне снятый с вооружения F-14, примерно 20 процентов бюджета тратится на авионику. Большинство современных вертолетов теперь имеют соотношение бюджета 60/40 в пользу авионики. [7]
На гражданском рынке также наблюдается рост стоимости авионики. Системы управления полетом ( электрические ) и новые потребности в навигации, вызванные сужением воздушного пространства, привели к увеличению затрат на разработку. Главным изменением стал недавний бум потребительских авиаперевозок. По мере того, как все больше людей начинают использовать самолеты в качестве основного средства передвижения, были изобретены более сложные методы безопасного управления воздушными судами в этих строгих воздушных пространствах. [ нужна цитата ]
Авионика играет важную роль в инициативах по модернизации, таких как проект Федерального управления гражданской авиации (ФАУ) « Система воздушного транспорта нового поколения» в США и инициатива «Единое европейское небо» по исследованию ОрВД (SESAR) в Европе. Объединенное управление планирования и развития разработало дорожную карту развития авионики в шести областях: [8]
Ассоциация авиационной электроники сообщает о продажах авионики на сумму 1,73 миллиарда долларов за первые три квартала 2017 года в деловой авиации и авиации общего назначения , что означает годовой рост на 4,1%: 73,5% приходится на Северную Америку, 42,3% приходится на передовую установку, а 57,7% приходится на модернизацию согласно крайнему сроку, установленному в США. с 1 января 2020 года для обязательного захода на посадку по ADS-B . [9]
Кабина или, в более крупных самолетах, под кабиной самолета, является типичным местом расположения оборудования отсека авионики , включая системы управления, мониторинга, связи, навигации, погоды и предотвращения столкновений. Большинство самолетов питают свою авионику от электрических систем постоянного тока напряжением 14 или 28 В; однако более крупные и сложные самолеты (например, авиалайнеры или военные боевые самолеты) имеют системы переменного тока , работающие при 115 Вольтах 400 Гц переменного тока. [10] Существует несколько крупных поставщиков летной авионики, в том числе The Boeing Company , Panasonic Avionics Corporation , Honeywell (которая сейчас владеет Bendix/King ), Universal Avionics Systems Corporation , Rockwell Collins (сейчас Collins Aerospace), Thales Group , GE Aviation Systems. , Garmin , Raytheon , Parker Hannifin , UTC Aerospace Systems (теперь Collins Aerospace), Selex ES (теперь Leonardo SpA ), Shadin Avionics и Avidyne Corporation .
Международные стандарты на авиационное оборудование разрабатываются Комитетом по электронной инженерии авиакомпаний (AEEC) и публикуются ARINC.
Коммуникации соединяют кабину экипажа с землей и кабину экипажа с пассажирами. Бортовая связь обеспечивается системами громкой связи и самолетными переговорными устройствами.
Система авиационной связи УКВ работает в воздушном диапазоне от 118,000 МГц до 136,975 МГц. Каждый канал отделен от соседних на 8,33 кГц в Европе и на 25 кГц в других странах. УКВ также используется для связи в прямой видимости, например, самолет-самолет и самолет-УВД. Используется амплитудная модуляция (АМ), а разговор ведется в симплексном режиме. Авиационная связь может осуществляться также с использованием ВЧ (особенно для трансокеанских перелетов) или спутниковой связи.
Аэронавигация — это определение положения и направления на поверхности Земли или над ней. Авионика может использовать спутниковые навигационные системы (такие как GPS и WAAS ), инерциальную навигационную систему (INS), наземные радионавигационные системы (такие как VOR или LORAN ) или любую их комбинацию. Некоторые навигационные системы, такие как GPS, автоматически рассчитывают местоположение и отображают его летному экипажу на движущихся картах. Более старые наземные навигационные системы, такие как VOR или LORAN, требуют, чтобы пилот или штурман нанес на бумажную карту пересечение сигналов для определения местоположения самолета; современные системы автоматически рассчитывают положение и отображают его летному экипажу на движущихся картах.
Первые намеки на стеклянные кабины появились в 1970-х годах, когда годные к полетам экраны с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) начали заменять электромеханические дисплеи, датчики и приборы. «Стеклянная» кабина означает использование компьютерных мониторов вместо датчиков и других аналоговых дисплеев. Самолеты получали все больше дисплеев, циферблатов и информационных панелей, которые в конечном итоге стали конкурировать за место и внимание пилотов. В 1970-х годах средний самолет имел более 100 приборов и органов управления в кабине. [11] Стеклянные кабины начали появляться в частном самолете Gulfstream G‑IV в 1985 году. Одна из ключевых проблем в стеклянных кабинах — найти баланс между тем, насколько управление автоматизировано, а сколько пилот должен делать вручную. Обычно они пытаются автоматизировать полеты, постоянно информируя пилота. [11]
Самолеты имеют средства автоматического управления полетом. Автопилот был впервые изобретен Лоуренсом Сперри во время Первой мировой войны, чтобы управлять самолетами-бомбардировщиками, достаточно устойчивыми, чтобы поражать точные цели на высоте 25 000 футов. Когда он был впервые принят на вооружение армии США , инженер Honeywell сидел на заднем сиденье с болторезами, чтобы отключить автопилот в случае возникновения чрезвычайной ситуации. В настоящее время большинство коммерческих самолетов оснащены системами управления полетом, чтобы уменьшить ошибки пилота и рабочую нагрузку при посадке или взлете. [5]
Первые простые коммерческие автопилоты использовались для управления курсом и высотой и имели ограниченные возможности в таких вопросах, как тяга и поверхности управления полетом . В вертолетах автостабилизация использовалась аналогичным образом. Первые системы были электромеханическими. Появление электродистанционных и электроприводных поверхностей полета (вместо традиционных гидравлических) повысило безопасность. Как и в случае с дисплеями и приборами, важные электромеханические устройства имели ограниченный срок службы. Программное обеспечение систем, критически важных для безопасности, подвергается очень строгому тестированию.
Система индикации количества топлива (FQIS) контролирует количество топлива на борту. Используя различные датчики, такие как емкостные трубки, датчики температуры, плотномеры и датчики уровня, компьютер FQIS рассчитывает массу топлива, оставшегося на борту.
Система контроля и мониторинга топлива (FCMS) аналогичным образом сообщает об остатке топлива на борту, но, управляя насосами и клапанами, также управляет перекачкой топлива по различным бакам.
В дополнение к управлению воздушным движением большинство крупных транспортных самолетов и многие более мелкие используют систему оповещения о дорожном движении и предотвращения столкновений (TCAS), которая может определять местоположение близлежащих самолетов и давать инструкции по предотвращению столкновения в воздухе. Меньшие самолеты могут использовать более простые системы оповещения о дорожном движении, такие как TPAS, которые являются пассивными (они не опрашивают активно транспондеры других самолетов) и не предоставляют рекомендаций по разрешению конфликтов.
Чтобы избежать контролируемого полета на землю ( CFIT ), самолеты используют такие системы, как системы предупреждения о сближении с землей (GPWS), в которых в качестве ключевого элемента используются радиолокационные высотомеры. Одним из основных недостатков GPWS является отсутствие «прогнозируемой» информации, поскольку она обеспечивает только «просмотр вниз» по высоте над местностью. Чтобы преодолеть этот недостаток, современные самолеты используют систему предупреждения о местности ( TAWS ).
Регистраторы данных в кабине коммерческих самолетов, широко известные как «черные ящики», хранят информацию о полете и звук из кабины . Их часто извлекают из самолета после крушения, чтобы определить настройки управления и другие параметры во время инцидента.
Погодные системы, такие как метеорологический радар (обычно Arinc 708 на коммерческих самолетах) и детекторы молний , важны для самолетов, летающих ночью или в метеорологических условиях по приборам , когда пилоты не могут видеть погоду впереди. Сильные осадки (по данным радара) или сильная турбулентность (по данным грозовой активности) являются признаками сильной конвективной активности и сильной турбулентности, а погодные системы позволяют пилотам отклоняться от этих областей.
Детекторы молний, такие как Stormscope или Strikefinder, стали достаточно недорогими и пригодны для использования в легких самолетах. В дополнение к радару и обнаружению молний, наблюдения и расширенные радиолокационные изображения (например, NEXRAD ) теперь доступны через спутниковые каналы передачи данных, что позволяет пилотам видеть погодные условия далеко за пределами диапазона их собственных бортовых систем. Современные дисплеи позволяют интегрировать информацию о погоде с перемещением карт, местности и дорожного движения на одном экране, что значительно упрощает навигацию.
Современные метеорологические системы также включают системы обнаружения сдвига ветра и турбулентности, а также системы предупреждения о местности и дорожном движении. [12] Бортовая метеорологическая авионика особенно популярна в Африке , Индии и других странах, где авиаперевозки являются растущим рынком, но наземная поддержка не так хорошо развита. [13]
Произошел прогресс в направлении централизованного управления многочисленными сложными системами, установленными на самолетах, включая мониторинг и управление двигателем. Системы мониторинга работоспособности и использования (HUMS) интегрированы с компьютерами управления воздушным судном, чтобы заранее предупреждать специалистов по техническому обслуживанию о деталях, которые потребуют замены.
Концепция интегрированной модульной авионики предлагает интегрированную архитектуру с прикладным программным обеспечением, переносимым через сборку общих аппаратных модулей. Он использовался в реактивных истребителях четвертого поколения и авиалайнерах последнего поколения .
Военные самолеты были разработаны либо для доставки оружия, либо в качестве глаз и ушей других систем вооружения. Огромный набор датчиков, доступных военным, используется для любых необходимых тактических средств. Как и в случае с управлением самолетами, более крупные сенсорные платформы (такие как E‑3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) оснащены компьютерами управления полетами.
Самолеты полиции и скорой помощи также оснащены сложными тактическими датчиками.
В то время как авиационная связь обеспечивает основу для безопасного полета, тактические системы предназначены для того, чтобы выдерживать суровые условия поля боя. Тактические системы УВЧ , УКВ (30–88 МГц) и спутниковой связи в сочетании с методами ECCM и криптографией защищают связь. Каналы передачи данных, такие как Link 11 , 16 , 22 и BOWMAN , JTRS и даже TETRA , предоставляют средства передачи данных (например, изображений, информации о наведении и т. д.).
Бортовой радар был одним из первых тактических датчиков. Преимущество высоты, обеспечивающей дальность действия, привело к значительному вниманию к бортовым радиолокационным технологиям. Радары включают бортовой радар раннего предупреждения (AEW), противолодочную борьбу (ASW) и даже метеорологический радар ( Arinc 708 ) и радар наземного слежения/приближения.
Военные используют радары в быстрых самолетах, чтобы помочь пилотам летать на малых высотах . Хотя на гражданском рынке уже некоторое время имеется метеорадиолокатор [14] , существуют строгие правила его использования для навигации самолета. [15]
Гидролокатор погружения, установленный на ряде военных вертолетов, позволяет вертолету защищать судоходные средства от подводных лодок или надводных угроз. Самолеты морской поддержки могут сбрасывать активные и пассивные гидроакустические устройства ( акустические буи ), которые также используются для определения местоположения подводных лодок противника.
Электрооптические системы включают в себя такие устройства, как проекционный дисплей (HUD), инфракрасный передний обзор (FLIR), инфракрасный поиск и слежение и другие пассивные инфракрасные устройства ( пассивный инфракрасный датчик ). Все они используются для предоставления изображений и информации летному экипажу. Эти изображения используются для всего: от поисково-спасательных работ до навигационных средств и обнаружения целей .
Электронные меры поддержки и системы защиты широко используются для сбора информации об угрозах или возможных угрозах. Они могут использоваться для запуска устройств (в некоторых случаях автоматических) противодействия прямым угрозам самолету. Они также используются для определения состояния угрозы и ее идентификации.
Системы авионики военных, коммерческих и перспективных моделей гражданских самолетов связаны между собой с помощью шины данных авионики. Общие протоколы шины данных авионики и их основное применение включают:
