Цифровая система управления полётом¶

Цифровая система управления полётом (ЦСУП) — совокупность бортового радиоэлектронного оборудования летательного аппарата, в которой обработка сигналов и выработка управляющих команд осуществляется в цифровой форме с помощью бортовых вычислительных машин. В англоязычной авиационной терминологии для обозначения таких систем используется аббревиатура DCS (Digital Control System), которая в русскоязычной среде также применяется для краткого обозначения цифровых комплексов управления. ЦСУП пришла на смену аналоговым электромеханическим и гидромеханическим системам и стала основой для реализации концепции «электрического самолёта» (fly-by-wire).

¶Назначение и функции

Основное назначение цифровой системы управления полётом — обеспечение устойчивости и управляемости летательного аппарата во всех режимах полёта, включая выход за пределы нормальных эксплуатационных ограничений. Система воспринимает действия лётчика (отклонение ручки управления, педалей, рычагов), преобразует их в электрические сигналы, которые обрабатываются бортовым компьютером. На основе математической модели динамики самолёта и данных о текущем состоянии (высота, скорость, углы атаки и скольжения, перегрузки) вычислитель формирует команды на рулевые привода.

Ключевые функции ЦСУП:

• стабилизация заданных режимов полёта;
• ограничение предельных режимов по углу атаки, перегрузке и скорости;
• демпфирование колебаний планера;
• автоматическая балансировка и триммирование;
• обеспечение заданных характеристик управляемости (например, независимость усилий на ручке от скорости);
• интеграция с другими системами: автопилотом, системой автоматической посадки, навигационным комплексом.

¶Устройство и принцип работы

Типовая цифровая система управления полётом состоит из трёх основных подсистем: датчиков первичной информации, вычислительного ядра и исполнительных механизмов.

Датчики измеряют параметры движения: угловые скорости (датчики угловых скоростей — ДУС), линейные ускорения (акселерометры), углы атаки и скольжения (флюгерные датчики), воздушную скорость и высоту (приёмники воздушного давления), а также положения рулей и педалей. В современных системах широко применяются инерциальные навигационные системы (ИНС), обеспечивающие высокоточные данные об ориентации и положении аппарата в пространстве.

Вычислительное ядро — это один или несколько бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), работающих по принципу резервирования. Вычислители получают сигналы от датчиков, сравнивают их с командами лётчика и с математической моделью, после чего рассчитывают управляющие сигналы для рулевых приводов. Для повышения надёжности применяются многоканальные схемы: например, система с четырёхкратным резервированием (quadruplex) с мажоритарным голосованием, при котором выходной сигнал формируется на основе совпадения показаний большинства каналов.

Исполнительные механизмы — это электрогидравлические или электрические рулевые приводы (актуаторы), которые непосредственно отклоняют рулевые поверхности: элероны, руль высоты, руль направления, рули интерцепторов, стабилизатор. В системах fly-by-wire механическая связь между ручкой управления и рулями полностью отсутствует.

¶История развития

Первые эксперименты с электрической передачей сигналов управления проводились ещё в 1930-х годах, однако надёжность тогдашней электроники не позволяла отказаться от механического дублирования. Активное развитие цифровых систем началось в 1960–1970-х годах в связи с появлением компактных и достаточно надёжных бортовых вычислителей.

Одной из первых стран, применивших цифровую систему управления на серийном самолёте, стал СССР. В 1970-х годах ОКБ Сухого разработало электродистанционную систему управления (ЭДСУ) для истребителя Су-27, который совершил первый полёт в 1977 году. Эта система имела четырёхкратное резервирование и аналогово-цифровую архитектуру. Полностью цифровая система с четырёхкратным резервированием была внедрена на истребителе МиГ-29.

На Западе пионером применения fly-by-wire стал европейский консорциум Airbus: на самолёте Airbus A320 (первый полёт в 1987 году) впервые в гражданской авиации была установлена полностью цифровая система управления с боковой ручкой (сайдстиком). Американская компания General Dynamics внедрила цифровую систему на истребителе F-16 (1974 год), но с аналоговым резервным каналом.

¶Классификация

Цифровые системы управления полётом классифицируются по нескольким признакам.

По степени интеграции:

• автономные ЭДСУ (управляют только рулевыми поверхностями);
• комплексные системы, объединённые с системой автоматического управления (САУ), системой траекторного управления и навигацией.

По типу резервирования:

• дублированные (двухканальные);
• троированные (трёхканальные);
• квадруплексные (четырёхканальные).

По наличию механического резерва:

• системы с механическим дублированием (используются как страховка при полном отказе электроники);
• системы без механического резерва (чистый fly-by-wire), применяемые на большинстве современных истребителей и пассажирских лайнерах.

¶Применение

Цифровые системы управления полётом применяются на всех современных военных и гражданских летательных аппаратах. В военной авиации ЦСУП является обязательным условием для реализации сверхманёвренных режимов, таких как управляемый вывод на закритические углы атаки (например, «кобра Пугачёва» на Су-27 и Су-35). Без цифровой системы невозможна работа двигателей с отклоняемым вектором тяги, поскольку управление ими требует мгновенной синхронизации с рулями.

В гражданской авиации ЦСУП обеспечивает комфорт пассажиров за счёт демпфирования турбулентности, снижает массу самолёта (за счёт отказа от тяжёлых механических тяг и гидравлики) и повышает топливную эффективность. Системы автоматической посадки по категории III ИКАО (нулевая видимость) также требуют цифрового управления.

Помимо самолётов, цифровые системы управления применяются на вертолётах (например, Ка-52, Ми-28Н), беспилотных летательных аппаратах, а также на ракетах-носителях и космических кораблях (например, на «Союзе-2» и «Федерации»).

¶Преимущества и недостатки

Преимущества цифровых систем управления:

• высокая точность и быстродействие;
• возможность реализации сложных алгоритмов управления, недоступных аналоговым системам;
• снижение массы и упрощение компоновки планера;
• улучшение устойчивости и манёвренности;
• снижение нагрузки на лётчика за счёт автоматического ограничения режимов.

Недостатки и риски:

• высокая чувствительность к сбоям программного обеспечения (известны случаи катастроф, вызванных ошибками ПО, например, инциденты с Airbus A400M);
• необходимость сложного и дорогостоящего резервирования;
• уязвимость к электромагнитным помехам и импульсному излучению;
• потеря управляемости при полном отказе всех каналов электроснабжения (требуются аварийные источники питания).

¶См. также

• Электродистанционная система управления
• Fly-by-wire
• Бортовая цифровая вычислительная машина
• Система автоматического управления