Авионика ( смесь авиации и электроники ) — это электронные системы , используемые на самолетах . Авиационные системы включают связь, навигацию , отображение и управление несколькими системами, а также сотни систем, которые устанавливаются на самолетах для выполнения отдельных функций. Они могут быть такими простыми, как прожектор для полицейского вертолета , или такими сложными, как тактическая система для бортовой платформы раннего оповещения . [1]
Термин « авионика » был придуман в 1949 году Филиппом Дж. Классом , старшим редактором журнала Aviation Week & Space Technology, как сокращение от « авиационная электроника ». [2] [3]
Радиосвязь впервые была использована в самолетах незадолго до Первой мировой войны . [4] Первые бортовые радиостанции были в цеппелинах , но военные инициировали разработку легких радиостанций, которые могли перевозиться на летательных аппаратах тяжелее воздуха, чтобы воздушные разведывательные бипланы могли немедленно сообщать о своих наблюдениях в случае, если их сбили. Первая экспериментальная радиопередача с самолета была проведена ВМС США в августе 1910 года. Первые самолетные радиостанции передавали данные с помощью радиотелеграфии , поэтому для них требовался двухместный самолет со вторым членом экипажа, который нажимал на телеграфный ключ , чтобы передавать сообщения азбукой Морзе . Во время Первой мировой войны в 1917 году стали возможны голосовые двухсторонние радиостанции AM благодаря разработке триодной вакуумной лампы , которые были достаточно просты, чтобы пилот одноместного самолета мог использовать их во время полета.
Радар , центральная технология, используемая сегодня в навигации самолетов и управлении воздушным движением , была разработана несколькими странами, в основном секретно, как система противовоздушной обороны в 1930-х годах в преддверии Второй мировой войны . Многие современные авионики берут свое начало в военных разработках времен Второй мировой войны. Например, системы автопилота , которые сегодня являются обычным явлением, начинались как специализированные системы, помогающие бомбардировщикам летать достаточно устойчиво, чтобы поражать точные цели с больших высот. [5] Решение Великобритании в 1940 году поделиться своей технологией радаров со своим союзником США, в частности, магнетронной вакуумной трубкой , в знаменитой миссии Тизарда , значительно сократило войну. [6] Современная авионика составляет существенную часть расходов на военные самолеты. Такие самолеты, как F-15E и ныне снятый с вооружения F-14 , тратят примерно 20 процентов своего бюджета на авионику. Большинство современных вертолетов теперь имеют разделение бюджета 60/40 в пользу авионики. [7]
Гражданский рынок также увидел рост стоимости авионики. Системы управления полетом ( fly-by-wire ) и новые потребности в навигации, вызванные более тесными воздушными пространствами, подтолкнули затраты на разработку. Главным изменением стал недавний бум потребительских полетов. Поскольку все больше людей начинают использовать самолеты в качестве основного средства передвижения, были изобретены более сложные методы безопасного управления самолетами в этих жестких воздушных пространствах. [ необходима цитата ]
Авионика играет важную роль в таких инициативах по модернизации, как проект Федерального управления гражданской авиации (FAA) Next Generation Air Transportation System в Соединенных Штатах и инициатива Single European Sky ATM Research (SESAR) в Европе. Совместное управление планирования и развития выдвинуло дорожную карту для авионики в шести областях: [8]
Ассоциация авиационной электроники сообщает о продажах авионики на сумму 1,73 млрд долларов за первые три квартала 2017 года в деловой и гражданской авиации , что на 4,1% больше, чем за год: 73,5% пришлось на Северную Америку, 42,3% пришлось на передовые установки, а 57,7% — на модернизацию , поскольку крайний срок для обязательного захода на посадку ADS-B в США истекает 1 января 2020 года . [9]
Кабина или, в более крупных самолетах, под кабиной самолета или в подвижном носовом обтекателе является типичным местом для оборудования отсека авионики , включая системы управления, мониторинга, связи, навигации, погоды и предотвращения столкновений. Большинство самолетов питают свою авионику с помощью 14- или 28-вольтовых электрических систем постоянного тока ; однако более крупные, более сложные самолеты (например, авиалайнеры или военные боевые самолеты) имеют системы переменного тока , работающие на 115 вольт 400 Гц переменного тока. [10] Существует несколько основных поставщиков бортового радиоэлектронного оборудования, включая The Boeing Company , Panasonic Avionics Corporation , Honeywell (которая теперь владеет Bendix/King ), Universal Avionics Systems Corporation , Rockwell Collins (теперь Collins Aerospace), Thales Group , GE Aviation Systems , Garmin , Raytheon , Parker Hannifin , UTC Aerospace Systems (теперь Collins Aerospace), Selex ES (теперь Leonardo ), Shadin Avionics и Avidyne Corporation .
Международные стандарты для бортового электронного оборудования разрабатываются Комитетом по электронной инженерии авиакомпаний (AEEC) и публикуются ARINC.
Связь между кабиной экипажа и землей, а также кабиной экипажа и пассажирами осуществляется с помощью систем оповещения и бортовых переговорных устройств.
Система авиационной связи VHF работает в диапазоне частот от 118,000 МГц до 136,975 МГц. Каждый канал отстоит от соседних на 8,33 кГц в Европе и на 25 кГц в других местах. VHF также используется для связи в зоне прямой видимости, например, самолет-самолет и самолет-диспетчер. Используется амплитудная модуляция (AM), и разговор ведется в симплексном режиме. Связь с самолетом может также осуществляться с использованием HF (особенно для трансокеанских перелетов) или спутниковой связи.
Воздушная навигация — 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 вычисляют положение и отображают его экипажу на дисплеях с движущейся картой. Более старые наземные навигационные системы, такие как VOR или LORAN, требуют, чтобы пилот или штурман наносили пересечение сигналов на бумажную карту, чтобы определить местоположение самолета; современные системы автоматически вычисляют положение и отображают его экипажу на дисплеях с движущейся картой.
Первые намеки на стеклянные кабины появились в 1970-х годах, когда пригодные для полетов экраны с электронно- лучевой трубкой (ЭЛТ) начали заменять электромеханические дисплеи, датчики и приборы. «Стеклянная» кабина относится к использованию компьютерных мониторов вместо датчиков и других аналоговых дисплеев. Самолеты постепенно получали больше дисплеев, циферблатов и информационных панелей, которые в конечном итоге конкурировали за пространство и внимание пилота. В 1970-х годах в среднем самолете было более 100 приборов и органов управления в кабине. [11] Стеклянные кабины начали появляться с частным самолетом Gulfstream G-IV в 1985 году. Одной из ключевых проблем в стеклянных кабинах является баланс между тем, насколько автоматизировано управление и насколько пилот должен делать это вручную. Обычно они пытаются автоматизировать летные операции, постоянно информируя пилота. [11]
Самолеты имеют средства автоматического управления полетом. Автопилот был впервые изобретен Лоуренсом Сперри во время Первой мировой войны , чтобы самолеты-бомбардировщики летали достаточно устойчиво, чтобы поражать точные цели с высоты 25 000 футов. Когда он был впервые принят на вооружение американскими военными , инженер Honeywell сидел на заднем сиденье с болторезами, чтобы отключить автопилот в случае чрезвычайной ситуации. В настоящее время большинство коммерческих самолетов оснащены системами управления полетом самолета, 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 полномочия в таких вещах, как тяга и поверхности управления полетом . В вертолетах автостабилизация использовалась аналогичным образом. Первые системы были электромеханическими. Появление управления по проводам и электроприводных поверхностей полета (вместо традиционных гидравлических) повысило безопасность. Как и в случае с дисплеями и приборами, критические устройства, которые были электромеханическими, имели конечный срок службы. В критических для безопасности системах программное обеспечение проходит очень строгие испытания.
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 вычисляет массу топлива, оставшегося на борту.
Система контроля и мониторинга топлива (FCMS) сообщает об оставшемся на борту топливе аналогичным образом, 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 движении и предотвращения столкновений (TCAS), которая может определять местоположение близлежащих самолетов и предоставлять инструкции по предотвращению столкновений в воздухе. Более мелкие самолеты могут использовать более простые системы оповещения о движении, такие как TPAS, которые являются пассивными (они не опрашивают активно транспондеры других самолетов) и не предоставляют рекомендаций по разрешению конфликтов.
Чтобы избежать контролируемого столкновения с землей ( CFIT ), самолеты используют такие системы, как системы предупреждения о близости земли (GPWS), которые используют радиолокационные высотомеры в качестве ключевого элемента. Одним из основных недостатков GPWS является отсутствие информации о «прогнозировании», поскольку она обеспечивает только высоту над землей «вниз». Чтобы преодолеть эту слабость, современные самолеты используют систему предупреждения о близости земли ( TAWS ).
Самописцы данных кабины коммерческого самолета, обычно называемые «черными ящиками», хранят информацию о полете и аудио из кабины . Их часто извлекают из самолета после крушения, чтобы определить настройки управления и другие параметры во время инцидента.
Метеорологические системы, такие как метеорологический радар (обычно Arinc 708 на коммерческих самолетах) и детекторы молний, важны для самолетов, летающих ночью или в метеорологических условиях , когда пилоты не могут видеть погоду впереди. Сильные осадки (определяемые радаром) или сильная турбулентность (определяемая по активности молний) являются признаками сильной конвективной активности и сильной турбулентности, и погодные системы позволяют пилотам отклоняться от этих областей.
Детекторы молний, такие как Stormscope или Strikefinder, стали достаточно недорогими, чтобы быть практичными для легких самолетов. В дополнение к радарам и обнаружению молний, наблюдения и расширенные радиолокационные изображения (например, NEXRAD ) теперь доступны через спутниковые соединения данных, позволяя пилотам видеть погодные условия далеко за пределами диапазона их собственных бортовых систем. Современные дисплеи позволяют интегрировать информацию о погоде с движущимися картами, рельефом местности и трафиком на одном экране, что значительно упрощает навигацию.
Современные метеорологические системы также включают в себя системы обнаружения сдвига ветра и турбулентности, а также системы предупреждения о рельефе местности и движении. [12] Самолетная метеорологическая авионика особенно популярна в Африке , Индии и других странах, где авиаперевозки являются растущим рынком, но наземная поддержка не так хорошо развита. [13]
Наблюдается прогресс в направлении централизованного управления многочисленными сложными системами, установленными на самолетах, включая мониторинг и управление двигателем. Системы мониторинга состояния и использования (HUMS) интегрированы с компьютерами управления самолетом, чтобы давать обслуживающему персоналу ранние предупреждения о деталях, которые необходимо заменить.
Концепция интегрированной модульной авионики предлагает интегрированную архитектуру с прикладным программным обеспечением, переносимым через сборку общих аппаратных модулей. Она использовалась в истребителях четвертого поколения и последнем поколении авиалайнеров .
Военные самолеты были разработаны либо для доставки оружия, либо для того, чтобы быть глазами и ушами других систем вооружения. Огромный набор датчиков, доступных военным, используется для любых тактических средств, которые требуются. Как и в случае с управлением самолетами, более крупные сенсорные платформы (такие как E‑3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) имеют компьютеры управления миссией.
Полицейские и самолеты скорой помощи также оснащены сложными тактическими датчиками.
В то время как авиационная связь обеспечивает основу для безопасного полета, тактические системы разработаны так, чтобы выдерживать суровые условия поля боя. Системы UHF , VHF Tactical (30–88 МГц) и SatCom 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 (таких как изображения, информация о цели и т. д.).
Бортовой радар был одним из первых тактических датчиков. Преимущество высоты, обеспечивающей дальность, означало значительное внимание к технологиям бортовых радаров. Радары включают в себя бортовой радар раннего предупреждения (AEW), противолодочную войну (ASW) и даже метеорологический радар ( Arinc 708 ) и наземный радар слежения/близости.
Военные используют радары в быстрых самолетах, чтобы помочь пилотам летать на малых высотах . В то время как на гражданском рынке уже некоторое время есть метеорологические радары, [14] существуют строгие правила их использования для навигации самолета. [15]
Погружной сонар, установленный на ряде военных вертолетов, позволяет вертолету защищать судоходные активы от подводных лодок или надводных угроз. Самолеты морской поддержки могут сбрасывать активные и пассивные гидроакустические устройства ( гидроакустические буи ), которые также используются для определения местоположения вражеских подводных лодок.
Электрооптические системы включают в себя такие устройства, как проекционный дисплей (HUD), передний инфракрасный датчик (FLIR), инфракрасный поиск и слежение и другие пассивные инфракрасные устройства ( пассивный инфракрасный датчик ). Все они используются для предоставления изображений и информации экипажу самолета. Эти изображения используются для всего: от поиска и спасения до навигационных средств и обнаружения целей .
Электронные средства поддержки и системы оборонительных средств широко используются для сбора информации об угрозах или возможных угрозах. Они могут использоваться для запуска устройств (в некоторых случаях автоматически) для противодействия прямым угрозам самолету. Они также используются для определения состояния угрозы и ее идентификации.
Системы авионики в военных, коммерческих и передовых моделях гражданских самолетов связаны между собой с помощью шины данных авионики. Распространенные протоколы шины данных авионики, с их основным применением, включают:
