Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о системе самолета. Для использования в других целях, см Автопилот (значения) .

Панель управления автопилотом из Боинга 747-200 самолетов

Автопилота является системой , используемой для управления траекторией самолета, морского судна или корабля , не требуя постоянное ручное управление человеком - оператором. Автопилоты не заменяют людей-операторов. Вместо этого автопилот помогает оператору управлять транспортным средством, позволяя оператору сосредоточиться на более широких аспектах работы (например, отслеживании траектории, погоды и бортовых систем). [1]

Когда он присутствует, автопилот часто используется в сочетании с автоматом тяги , системой для управления мощностью, выдаваемой двигателями.

Система автопилота иногда в просторечии упоминается как «Джордж» [2] (например, «мы позволим Джорджу летать на некоторое время» ). Этимологии прозвища неясно: некоторые утверждают , что это ссылка на изобретатель Джордж Де Бисон, который запатентовал автопилот в 1930 - х годах, в то время как другие утверждают , что ВВС пилоты придуманы термин во время Второй мировой войны , чтобы символизировать , что их самолеты технически принадлежали королю Георгу VI . [3]

Первые автопилоты [ править ]

Смотрите также: Гироскопический автопилот
Панель управления автопилотом Honeywell C-1 времен Второй мировой войны

На заре авиации самолет требовал постоянного внимания пилота, чтобы летать безопасно. По мере того как дальность полета самолетов увеличивалась, позволяя выполнять многочасовые полеты, постоянное внимание приводило к серьезной усталости. Автопилот предназначен для выполнения некоторых задач пилота.

Первый автопилот самолета был разработан Sperry Corporation в 1912 году. Автопилот соединял гироскопический указатель курса и авиагоризонт с гидравлическими рулями высоты и руля направления . ( Элероны не были соединены, так как двугранный угол крыла рассчитывался для обеспечения необходимой устойчивости крена.) Это позволяло самолету лететь прямо и горизонтально по компасному курсу без внимания пилота, что значительно уменьшало рабочую нагрузку пилота.

Лоуренс Сперри (сын известного изобретателя Элмера Сперри ) продемонстрировал его в 1914 году на конкурсе по безопасности полетов в Париже . Сперри продемонстрировал надежность изобретения, управляя самолетом, держа руки подальше от управления и видимыми для посторонних. Элмер Сперри-младший, сын Лоуренса Сперри, и капитан Ширас продолжили работу над тем же автопилотом после войны, и в 1930 году они испытали более компактный и надежный автопилот, который удерживал самолет армейской авиации США на истинном курсе и высоте на три часа. [4]

В 1930 году Royal Aircraft Establishment в Великобритании разработал автопилот, называемый помощником пилотов, который использовал гироскоп с пневматическим вращением для перемещения органов управления полетом. [5]

Автопилот получил дальнейшее развитие, включая, например, улучшенные алгоритмы управления и гидравлические сервомеханизмы. Добавление большего количества инструментов, таких как средства радионавигации, 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. [6] [7] Билл Лир разработал свой автопилот F-5 и систему автоматического управления заходом на посадку и был удостоен награды Collier Trophy за 1949 год. [8]

В начале 1920-х танкер Standard Oil JA Moffet стал первым судном, использующим автопилот.

Пясецкий HUP-2 ретривер был первый серийный вертолет с автопилотом. [9]

Лунный модуль цифрового автопилота программы Apollo был ранним примером полностью цифровой системы автопилота в космическом корабле. [10]

Современные автопилоты [ править ]

Современный блок управления полетом самолета Airbus A340

Не все пассажирские самолеты, летающие сегодня, имеют систему автопилота. Старые и небольшие самолеты авиации общего назначения по-прежнему управляются вручную, и даже небольшие авиалайнеры с менее чем двадцатью местами также могут не иметь автопилота, поскольку они используются в краткосрочных полетах с двумя пилотами. Установка автопилотов на самолетах с более чем двадцатью местами обычно является обязательной в соответствии с международными авиационными правилами. В автопилотах для небольших самолетов есть три уровня управления. Одноосный автопилот управляет самолетом только по оси крена ; Такие автопилоты также известны в просторечии как «выравниватели крыла», что отражает их единственную способность. Двухкоординатный автопилот управляет самолетом в поле.ось, а также крен, и может быть немного больше, чем выравниватель крыла с ограниченной способностью корректировать колебания шага; или он может получать входные данные от бортовых радионавигационных систем для обеспечения истинного автоматического наведения полета после того, как самолет взлетел, незадолго до посадки; или его возможности могут находиться где-то между этими двумя крайностями. Трехосный автопилот добавляет контроль по оси рыскания и не требуется для многих небольших самолетов.

Автопилоты в современных сложных самолетах являются трехосными и обычно делят полет на фазы руления , взлета, набора высоты, крейсерского полета (горизонтальный полет), снижения, захода на посадку и посадки. Существуют автопилоты, которые автоматизируют все эти фазы полета, кроме руления и взлета. Управляемая автопилотом посадка на взлетно-посадочная полоса и управление самолетом при развертывании (то есть удержание его в центре взлетно-посадочной полосы) известны как посадка CAT IIIb или Autoland , доступная сегодня на взлетно-посадочных полосах многих крупных аэропортов, особенно в аэропортах, подверженных неблагоприятным воздействиям. погодные явления, такие как туман . Посадка, выкатывание и управление рулежкой к месту стоянки самолета известны как CAT IIIc. На данный момент это не используется, но может быть использовано в будущем. Автопилот часто является неотъемлемой частьюСистема управления полетом .

Современные автопилоты используют компьютерное программное обеспечение для управления самолетом. Программное обеспечение считывает текущее положение самолета, а затем управляет системой управления полетом для управления самолетом. 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 местоположение и положение самолета с помощью инерциальной системы наведения . В инерционных системах наведения со временем накапливаются ошибки. Они будут включать системы уменьшения ошибок, такие как карусельная система, которая вращается один раз в минуту, так что любые ошибки рассеиваются в разных направлениях и имеют общий эффект обнуления. Погрешность гироскопов называется дрейфом. Это происходит из-за физических свойств внутри системы, будь то механическое или лазерное наведение, которые искажают данные о местоположении. Разногласия между ними разрешаются с помощью цифровой обработки сигналов , чаще всего с помощью шестимерного фильтра Калмана . Шесть измерений обычно - это крен, тангаж, рыскание, высота , широта., и долгота . Самолеты могут летать по маршрутам, которые имеют требуемый коэффициент полезного действия, поэтому для выполнения полета по этим конкретным маршрутам необходимо контролировать количество ошибок или фактический коэффициент производительности. Чем дольше полет, тем больше ошибок накапливается в системе. Радиопомощи, такие как DME, обновления DME и GPS, могут использоваться для корректировки местоположения воздушного судна.

Управление рулевым колесом [ править ]

Серводвигатель для приложений автопилота

Вариант на полпути между полностью автоматизированным полетом и ручным полетом - это управление рулевым колесом.(CWS). Несмотря на то, что в современных авиалайнерах он все реже используется в качестве отдельной опции, CWS все еще используется на многих самолетах сегодня. Как правило, автопилот, оснащенный CWS, имеет три положения: выключено, CWS и CMD. В режиме CMD (командный) автопилот полностью контролирует самолет и получает данные от установки курса / высоты, радио и навигационных средств или от FMS (системы управления полетом). В режиме CWS пилот управляет автопилотом через входы на штурвале или ручке. Эти входные данные преобразуются в определенный курс и положение, которые автопилот будет удерживать до тех пор, пока не поступит иное указание. Это обеспечивает стабильность по тангажу и крену. Некоторые самолеты используют форму CWS даже в ручном режиме, например MD-11, который использует постоянный CWS в крене. Во многих отношениях современный электромеханический самолет Airbus вНормальный закон 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 эти пределы. [11]

Детали компьютерной системы [ править ]

Аппаратное обеспечение автопилота различается в зависимости от реализации, но, как правило, в первую очередь учитываются резервирование и надежность. Например, в системе управления полетом автопилота Rockwell Collins AFDS-770, используемой на Boeing 777, используются микропроцессоры FCP-2002 с тройным дублированием, которые прошли формальную проверку и изготовлены с использованием радиационно-стойкого процесса. [12]

Программное и аппаратное обеспечение автопилота строго контролируется, и проводятся обширные процедуры тестирования.

Некоторые автопилоты также используют разнообразие дизайна. В этой функции безопасности критически важные программные процессы будут выполняться не только на отдельных компьютерах и, возможно, даже с использованием разных архитектур, но и на каждом компьютере будет работать программное обеспечение, созданное разными группами инженеров, часто запрограммированное на разных языках программирования. Обычно считается маловероятным, что разные инженерные команды совершат одни и те же ошибки. По мере того, как программное обеспечение становится более дорогим и сложным, разнообразие дизайнов становится менее распространенным, потому что меньшее количество инженерных компаний может себе это позволить. Компьютеры управления полетом на космическом шаттлеиспользовали эту схему: было пять компьютеров, четыре из которых с дублированием запускали идентичное программное обеспечение, а пятый резервное копирование выполняло программное обеспечение, которое было разработано независимо. Программное обеспечение пятой системы обеспечивало только основные функции, необходимые для управления шаттлом, что еще больше уменьшало любую возможную общность с программным обеспечением, работающим на четырех основных системах.

Системы повышения устойчивости [ править ]

Система повышения устойчивости (SAS) - еще один тип автоматической системы управления полетом; однако вместо того, чтобы поддерживать самолет в заданном положении или траектории полета, SAS будет приводить в действие органы управления полетом, чтобы гасить вибрацию самолета независимо от положения или траектории полета. SAS может автоматически стабилизировать самолет по одной или нескольким осям. Наиболее распространенным типом SAS является демпфер рыскания, который используется для устранения голландской тенденции крена самолетов со стреловидным крылом. Некоторые демпферы рыскания являются неотъемлемой частью системы автопилота, а другие - автономными системами.

Демпферы рыскания обычно состоят из датчика скорости рыскания (гироскопа или углового акселерометра), компьютера / усилителя и сервопривода. Поворот вокруг вертикальной оси демпфера использует рыскания датчика скорости толка , когда самолет начинает голландский рулон. Компьютер обрабатывает сигналы от датчика скорости рыскания, чтобы определить величину поворота руля направления, которая требуется для гашения голландского крена. Затем компьютер дает сервоприводу команду переместить руль направления на эту величину. Голландский крен смягчается, и самолет становится устойчивым относительно оси рыскания. Поскольку голландский крен - это нестабильность, присущая всем самолетам со стреловидным крылом, на большинстве самолетов со стреловидным крылом установлена ​​какая-то система демпфирования рыскания.

Есть два типа демпферов рыскания: последовательные демпферы рыскания и параллельные демпферы рыскания. Сервопривод параллельного демпфера рыскания будет приводить в действие руль направления независимо от педалей руля направления, в то время как сервопривод демпфера последовательного рыскания сцеплен с квадрантом управления рулем направления, и приведет к перемещению педали, когда система дает команду рулю направления на движение.

Некоторые самолеты имеют системы повышения устойчивости, которые стабилизируют самолет более чем по одной оси. Боинг В-52 , например, требует как шаг и рыскания SAS для того , чтобы обеспечить стабильную платформу бомбардировки. Многие вертолеты имеют системы SAS по тангажу, крену и рысканью. Системы SAS по тангажу и крену работают почти так же, как описанный выше демпфер рыскания; однако вместо того, чтобы гасить голландский крен, они будут гасить колебания тангажа и крена или бафтинга для улучшения общей устойчивости самолета.

Автопилот для посадки по ILS [ править ]

Посадки по приборам определяются по категориям Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Они зависят от требуемого уровня видимости и степени, в которой посадка может производиться автоматически без участия пилота.

CAT I - эта категория позволяет пилотам приземляться с высотой принятия решения 200 футов (61 м) и прямой видимостью или дальностью видимости на взлетно-посадочной полосе (RVR) 550 метров (1800 футов). Автопилоты не требуются.[13]

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). Автопилоты требуют пассивного 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 быть только 10 −6 .

CAT IIIb - как IIIa, но с добавлением автоматического разворачивания после приземления, когда 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 прямой видимостью 250 футов (76 м) в Европе (76 метров, сравните это с размерами самолетов, некоторые из которых теперь превышают 70 метров ( 230 футов) в длину) или 300 футов (91 м) в США. Для помощи при посадке без принятия решения необходим аварийный автопилот. Для этой категории необходима система наведения на ВПП: по крайней мере, отказоустойчивую, но она должна быть исправной для посадки без высоты принятия решения или для RVR ниже 100 метров (330 футов).

CAT IIIc - То же, что и IIIb, но без минимальных значений высоты принятия решения или видимости, также известных как «ноль-ноль». Еще не реализовано, так как это потребовало бы от пилотов руления при нулевой видимости. Самолет, способный приземлиться в CAT IIIb с автоматическим тормозом , сможет полностью остановиться на взлетно-посадочной полосе, но не сможет рулить.

Отказоустойчивый автопилот: в случае отказа самолет остается в управляемом положении, и пилот может взять его под свой контроль, чтобы обойти или завершить посадку. Обычно это двухканальная система.

Автопилот с отказом в работе: в случае отказа ниже аварийной высоты заход на посадку, сигнализация и посадка могут быть выполнены автоматически. Обычно это трехканальная система или двухканальная система.

Радиоуправляемые модели [ править ]

В радиоуправляемом моделировании , особенно в самолетах и вертолетах с радиоуправлением , автопилот обычно представляет собой набор дополнительного оборудования и программного обеспечения, которое занимается предварительным программированием полета модели. [14]

См. Также [ править ]

  • Акронимы и сокращения в авионике
  • Гирокомпас
  • Беспилотный автомобиль

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Автоматизированное управление полетом" (PDF) . faa.gov . Федеральное управление гражданской авиации . Проверено 20 февраля 2014 года .
  2. ^ "Джордж Автопилот" . Исторические крылья . Томас Ван Харе . Проверено 18 марта 2014 года .
  3. ↑ Бейкер, Марк (1 апреля 2020 г.). «ПОЗИЦИЯ ПРЕЗИДЕНТА: ДАЕМ ДЖОРДЖУ ПЕРЕРЫВ» . aopa.org . Ассоциация владельцев самолетов и пилотов . Дата обращения 16 мая 2020 .
  4. ↑ Ежемесячный научно-популярный журнал «Now - The Automatic Pilot» , февраль 1930 г., стр. 22.
  5. ^ "Пилот-робот держит самолет на истинном курсе" Popular Mechanics , декабрь 1930, стр. 950.
  6. ^ Стивенс, Брайан; Льюис, Франк (1992). Управление самолетом и моделирование . Нью-Йорк: Вили. ISBN 978-0-471-61397-8.
  7. ^ Flightglobal / Архив [1] [2] [3] [4]
  8. ^ Награды Collier Trophy
  9. ^ "HUP-1 Retriever / H-25 Army Mule Helicopter" . boeing.com . Боинг . Проверено 1 ноября 2018 года .
  10. ^ Уильям С. Widnall, том 8, вып. 1, 1970 (октябрь 1970). "Цифровой автопилот лунного модуля, журнал космических аппаратов" . DOI : 10.2514 / 3.30217 . Проверено 7 сентября 2019 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ https://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/steering-wheel-controls.htm . Отсутствует или пусто |title=( справка )
  12. ^ "Система управления автопилотом Rockwell Collins AFDS-770" . Рокуэлл Коллинз. 3 февраля 2010 года. Архивировано 22 августа 2010 года . Проверено 14 июля 2010 года .
  13. ^ "Руководство по аэронавигационной информации" . faa.gov . FAA . Проверено 16 июня 2014 .
  14. ↑ Алан Парех (14 апреля 2008 г.). "Самолет с автопилотом" . Взломанные гаджеты . Архивировано 27 июля 2010 года . Проверено 14 июля 2010 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Как быстро вы можете безопасно летать", июнь 1933 г., страница " Популярная механика", страница 858, фотография автоматического пилота Сперри и его основные функции в полете при установке.