Автопилот — это система , используемая для управления траекторией воздушного судна, морского или космического корабля без необходимости постоянного ручного управления со стороны человека-оператора. Автопилоты не заменяют людей-операторов. Вместо этого автопилот помогает оператору управлять транспортным средством, позволяя оператору сосредоточиться на более широких аспектах операций (например, на контроле траектории, погоды и бортовых систем). [1]
Автопилот, если он присутствует, часто используется в сочетании с автоматом тяги — системой управления мощностью двигателей.
Систему автопилота иногда в просторечии называют «Джордж» [2] (например, «мы позволим Джорджу полетать на некоторое время» ). Этимология прозвища неясна: некоторые утверждают, что это отсылка к изобретателю Джорджу Де Бисону, который запатентовал автопилот в 1930-х годах, в то время как другие утверждают, что пилоты Королевских ВВС придумали этот термин во время Второй мировой войны , чтобы символизировать, что их самолет технически принадлежал королю Георгу VI . [3]
На заре авиации самолеты требовали постоянного внимания пилота для безопасного полета. По мере увеличения дальности полета самолетов, что позволяло совершать многочасовые полеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения некоторых задач пилота.
Первый автопилот самолета был разработан корпорацией Sperry в 1912 году. [4] Автопилот соединял гироскопический указатель курса и указатель ориентации с рулями высоты и рулем направления с гидравлическим приводом . ( Элероны не были подключены, поскольку двугранный угол крыла должен был обеспечить необходимую устойчивость по крену.) Это позволяло самолету лететь прямо и ровно по компасному курсу без внимания пилота, что значительно снижало рабочую нагрузку пилота.
Лоуренс Сперри , сын известного изобретателя Элмера Сперри , продемонстрировал его в 1914 году на конкурсе по авиационной безопасности, проходившем в Париже . Сперри продемонстрировал достоверность изобретения, управляя самолетом, отведя руки от органов управления и сделав его видимым для зрителей. Элмер Сперри-младший, сын Лоуренса Сперри, и капитан Ширас продолжили работу над одним и тем же автопилотом после войны, и в 1930 году они испытали более компактный и надежный автопилот, который удерживал самолет Воздушного корпуса армии США на истинном курсе и высоте. в течение трех часов. [5]
В 1930 году Королевское авиационное предприятие в Соединенном Королевстве разработало автопилот, названный « помощник пилота» , который использовал пневматический гироскоп для перемещения органов управления полетом. [6]
Автопилот получил дальнейшее развитие, включив, например, улучшенные алгоритмы управления и гидравлические сервомеханизмы. Добавление дополнительных приборов, например радионавигационных средств, позволило летать ночью и в плохую погоду. В 1947 году самолет C-53 ВВС США совершил трансатлантический перелет, включая взлет и посадку, полностью под управлением автопилота. [7] [8] Билл Лир разработал свой автопилот F-5 и систему автоматического управления подходом и был награжден Collier Trophy в 1949 году . [9]
В начале 1920-х годов танкер Standard Oil JA Moffet стал первым кораблем, использовавшим автопилот.
Piasecki HUP-2 Retriever был первым серийным вертолетом с автопилотом. [10]
Цифровой автопилот лунного модуля программы «Аполлон» был ранним примером полностью цифровой системы автопилота на космическом корабле. [11]
Не все пассажирские самолеты, летающие сегодня, имеют систему автопилота. Старые и меньшие по размеру самолеты гражданской авиации по-прежнему управляются вручную, и даже небольшие авиалайнеры с количеством мест менее двадцати также могут быть без автопилота, поскольку они используются в коротких полетах с двумя пилотами. Установка автопилотов на самолетах с числом мест более двадцати обычно является обязательной в соответствии с международными авиационными правилами. Автопилоты для небольших самолетов имеют три уровня управления. Одноосный автопилот управляет самолетом только по оси крена ; такие автопилоты также известны в просторечии как «выравниватели крыла», что отражает их единственную возможность. Двухосный автопилот управляет самолетом как по оси тангажа , так и по крену, и может представлять собой не что иное, как выравниватель крыла с ограниченной способностью корректировать колебания тангажа; или он может получать входные данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения истинного автоматического управления полетом сразу после взлета воздушного судна и незадолго до приземления; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосный автопилот добавляет управление по оси рыскания и не требуется во многих небольших самолетах.
Автопилоты в современных сложных самолетах являются трехосными и обычно делят полет на фазы руления , взлета, набора высоты, крейсерского полета (горизонтального полета), снижения, захода на посадку и фазы посадки. Существуют автопилоты, которые автоматизируют все этапы полета, кроме руления и взлета. Подход к посадке на взлетно-посадочную полосу, управляемый автопилотом, и управление самолетом при выкатке (т. е. удержание его в центре взлетно-посадочной полосы) известен как Autoland, при котором автопилот использует подход к системе посадки по приборам (ILS) Cat IIIc, который используется, когда видимость равна нулю. Эти подходы сегодня доступны на взлетно-посадочных полосах многих крупных аэропортов, особенно в аэропортах, подверженных неблагоприятным погодным явлениям, таким как туман . Самолет обычно может остановиться самостоятельно, но ему потребуется отключить автопилот, чтобы покинуть взлетно-посадочную полосу и вырулить к воротам. Автопилот часто является неотъемлемым компонентом системы управления полетом .
Современные автопилоты используют компьютерное программное обеспечение для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета, а затем управляет системой управления полетом , чтобы направлять самолет. В такой системе, помимо классического управления полетом, многие автопилоты включают в себя возможности управления тягой, которые могут управлять дросселями для оптимизации воздушной скорости.
Автопилот современного большого самолета обычно считывает свое положение и положение самолета с помощью инерциальной системы наведения . Инерциальные системы наведения со временем накапливают ошибки. Они будут включать в себя системы уменьшения ошибок, такие как карусельная система, которая вращается раз в минуту, чтобы любые ошибки рассеивались в разных направлениях и имели общий эффект обнуления. Ошибка в гироскопах известна как дрейф. Это связано с физическими свойствами системы, будь то механическая или лазерная, которые искажают данные о местоположении. Разногласия между ними разрешаются с помощью цифровой обработки сигналов , чаще всего шестимерного фильтра Калмана . Шестью измерениями обычно являются крен, тангаж, рыскание, высота , широта и долгота . Воздушное судно может летать по маршрутам, которые имеют требуемый коэффициент производительности, поэтому для выполнения полетов по этим конкретным маршрутам необходимо отслеживать величину ошибки или фактический коэффициент производительности. Чем дольше полет, тем больше ошибок накапливается в системе. Для корректировки положения самолета можно использовать радиосредства, такие как DME, обновления DME и GPS .
.jpg/1280px-EBACE_2019,_Le_Grand-Saconnex_(EB190664).jpg)
Промежуточным вариантом между полностью автоматическим и ручным полетом является управление рулевым колесом ( CWS ). Хотя CWS все реже используется в качестве отдельной опции в современных авиалайнерах, она по-прежнему используется на многих самолетах. Обычно автопилот, оснащенный CWS, имеет три положения: выключено, CWS и CMD. В режиме CMD (командный) автопилот полностью контролирует самолет и получает данные либо от настройки курса/высоты, либо от радио и навигационных средств, либо от FMS (системы управления полетом). В режиме CWS пилот управляет автопилотом с помощью кнопок на штурвале или ручке управления. Эти входные данные преобразуются в определенный курс и положение, которые автопилот затем будет удерживать до тех пор, пока не будет получено указание поступить иначе. Это обеспечивает стабильность по тангажу и крену. Некоторые самолеты используют разновидность CWS даже в ручном режиме, например MD-11, который использует постоянный CWS при крене. Во многих отношениях современный самолет Airbus с электронным управлением в нормальном праве всегда находится в режиме CWS. Основное отличие состоит в том, что в этой системе ограничения самолета контролируются бортовым компьютером , и пилот не может направить самолет за пределы этих ограничений. [12]
Аппаратное обеспечение автопилота различается в зависимости от реализации, но обычно при его разработке в первую очередь учитываются резервирование и надежность. Например, система управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770, используемая на Боинге 777, использует тройные микропроцессоры FCP-2002, которые прошли формальную проверку и изготовлены с использованием радиационно-стойкого процесса. [13]
Программное и аппаратное обеспечение автопилота строго контролируется, а также применяются обширные процедуры тестирования.
Некоторые автопилоты также используют разнообразие конструкции. Благодаря этой функции безопасности критически важные программные процессы не только будут выполняться на отдельных компьютерах и, возможно, даже с использованием разных архитектур, но и на каждом компьютере будет работать программное обеспечение, созданное разными инженерными группами, часто запрограммированное на разных языках программирования. Обычно считается маловероятным, что разные команды инженеров допустят одни и те же ошибки. Поскольку программное обеспечение становится более дорогим и сложным, разнообразие проектов становится все менее распространенным, поскольку все меньше инженерных компаний могут себе это позволить. Компьютеры управления полетом космического корабля «Шаттл» использовали эту схему: было пять компьютеров, четыре из которых дублировали идентичное программное обеспечение, а пятый резервировал программное обеспечение, разработанное независимо. Программное обеспечение пятой системы обеспечивало только основные функции, необходимые для управления шаттлом, что еще больше уменьшало любую возможную общность с программным обеспечением, работающим в четырех основных системах.
Система повышения устойчивости (SAS) — это еще один тип автоматической системы управления полетом; однако вместо поддержания требуемой высоты или траектории полета самолета SAS будет перемещать поверхности управления самолетом, чтобы демпфировать неприемлемые движения. SAS автоматически стабилизирует самолет по одной или нескольким осям. Наиболее распространенным типом SAS является демпфер рыскания , который используется для уменьшения склонности к крену самолетов со стреловидным крылом. Некоторые демпферы рыскания являются частью системы автопилота, а другие являются автономными системами. [14]
В демпферах рыскания используется датчик, определяющий скорость вращения самолета (гироскоп или пара акселерометров), [15] компьютер/усилитель и исполнительный механизм. Датчик определяет, когда самолет начинает часть голландского крена с рысканием. Компьютер обрабатывает сигнал датчика, чтобы определить отклонение руля направления, необходимое для демпфирования движения. Компьютер приказывает приводу переместить руль направления в направлении, противоположном движению, поскольку руль направления должен противодействовать движению, чтобы уменьшить его. Голландский крен демпфируется, и самолет становится устойчивым относительно оси рыскания. Поскольку голландский крен представляет собой нестабильность, присущую всем самолетам со стреловидным крылом, большинству самолетов со стреловидным крылом требуется какой-то демпфер рыскания.
Существует два типа демпфера рыскания: последовательный демпфер и параллельный демпфер рыскания. [16] Привод параллельного демпфера рыскания будет перемещать руль направления независимо от педалей пилота, в то время как привод последовательного демпфера рыскания сцеплен с квадрантом управления рулем направления и приведет к перемещению педали при движении руля направления.
Некоторые самолеты имеют системы повышения устойчивости, которые стабилизируют самолет более чем по одной оси. Например, Boeing B-52 требует SAS как по тангажу, так и по рысканию [ 17 ] , чтобы обеспечить устойчивую платформу для бомбардировок. Многие вертолеты оснащены системами SAS по тангажу, крену и рысканию. Системы SAS по тангажу и крену работают почти так же, как описанный выше демпфер рыскания; однако вместо того, чтобы демпфировать голландский крен, они будут гасить колебания по тангажу и крену, чтобы улучшить общую устойчивость самолета.
Посадка по приборам определяется Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) по категориям. Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может быть произведена автоматически без вмешательства пилота.
КАТЕГОРИЯ I. Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения 200 футов (61 м) и видимостью вперед или дальностью видимости на взлетно-посадочной полосе (RVR) 550 метров (1800 футов). Автопилоты не требуются. [18]
CAT II - эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения от 200 футов (61 м) до 100 футов (30 м) и RVR 300 метров (980 футов). У автопилотов есть пассивное требование отказа.
CAT IIIa . Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения всего 50 футов (15 м) и RVR 200 метров (660 футов). Ему нужен отказоустойчивый автопилот. Вероятность приземления за пределами предписанной зоны должна составлять всего лишь 10–6 .
CAT IIIb - Как IIIa, но с добавлением автоматического выкатывания после приземления, при котором пилот берет на себя управление на некотором расстоянии вдоль взлетно-посадочной полосы. Эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения менее 50 футов или без высоты принятия решения и с видимостью вперед 250 футов (76 м) в Европе (76 метров, сравните это с размером самолета, некоторые из которых сейчас превышают 70 метров ( 230 футов в длину) или 300 футов (91 м) в США. Для помощи при посадке без принятия решения необходим отказоустойчивый автопилот. Для этой категории необходима определенная форма системы наведения по ВПП: по крайней мере, отказопассивная, но она должна быть работоспособной при посадке без высоты принятия решения или при RVR ниже 100 метров (330 футов).
CAT IIIc - как IIIb, но без высоты принятия решения или минимума видимости, также известного как «ноль-ноль». Пока не реализовано, поскольку пилотам потребуется рулить при нулевой видимости. Самолет, способный приземлиться в категории CAT IIIb, оснащенный автоматическим тормозом , сможет полностью остановиться на взлетно-посадочной полосе, но не сможет рулить.
Отказ-пассивный автопилот: в случае отказа самолет остается в управляемом положении и пилот может взять его под управление для ухода на второй круг или завершения посадки. Обычно это двухканальная система.
Автопилот, работающий при отказе: в случае отказа ниже высоты оповещения заход на посадку, подсветка и посадка все равно могут быть завершены автоматически. Обычно это трехканальная система или двухдуальная система.
В радиоуправляемом моделировании , особенно радиоуправляемых самолетов и вертолетов , автопилот обычно представляет собой набор дополнительного аппаратного и программного обеспечения, которое занимается предварительным программированием полета модели. [19]
Руководитель полета (FD) является очень важным компонентом управления самолетом. Он считается важнейшим компонентом системы авионики самолета. Основная функция руководителя полета - обеспечивать визуальное руководство пилотом, управляющим самолетом вручную. Независимо от того, управляете ли вы вручную или нет, сегодня директор полета используется во всех системах автопилота. Когда директор полета включен, он показывает розовый треугольник посередине PFD, его также можно назвать или считать «перекрестием». FD — это бортовой компьютер, дающий пилоту инструкции о том, как управлять самолетом и где разместить указатель ориентации. Когда пилот, летящий вручную, совместил свой указатель ориентации с розовым перекрестием FD, этот пилот летит по правильной траектории полета, указанной компьютерами самолета. Руководитель полета всегда готов помочь вам выполнить множество задач в зависимости от ситуации. Он может помочь вам поддерживать вертикальную скорость, определенную высоту, курс и/или навигационное отслеживание — все в одном. Руководители полета чрезвычайно полезны, когда дело доходит до захода на посадку по приборам, когда вам необходимо поддерживать точный курс до посадки, поскольку они точно покажут вам, как расположить самолет на правильном курсе. Насколько полезны эти директора по управлению полетами, они также очень безопасны. Они повышают осведомленность пилота и помогают минимизировать рабочую нагрузку на пилота, особенно в сложных условиях полета, включая пасмурную или ненастную погоду.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)