Авиационный тренажёр

Информацию об игровых авиатренажерах смотрите в статье Авиасимулятор.

Авиационный (пилотажный) тренажер — это имитатор полета, предназначенный для наземной подготовки пилотов. В авиационном тренажере имитируется динамика полета и работа систем ВС с помощью специальных моделей, реализованных в программном обеспечении вычислительного комплекса тренажера.

Подготовка пилотов на авиационном тренажере – один из важнейших элементов обеспечения безопасной эксплуатации ВС. Он позволяет минимизировать негативное влияние так называемого человеческого фактора, т.е. позволяет свести к минимуму возможность ошибочных действий экипажа ВС. В случае, если национальное законодательсво страны допускает эксплуатацию ВС пилотами со слабой тренажерной подготовкой, то значительная или даже большая часть авиационных происшествий в этой стране происходит по причине человеческого фактора. В ином случае, в странах с достаточной тренажерной подготовкой пилотов, основными причинами авиапросшествий становятся, как правило, не человеческие ошибки, а отказы авиационной техники.

С развитием цифровой техники современные авиационные тренажеры достигли такого уровня развития, что подготовка пилотов на тренажерах стала более эффективной, чем подготовка на реальном ВС. Это связано с тем, что в реальном полете экипаж вынужден уделять значительное время выполнению рутинных операций, не связанных с выполнением конкретных задач обучения, например, выполнению длительных "полета по коробочке", набора высоты, полета в зону и т.д. В то же время на тренажере специальное программное обеспечение позволяет мгновенно менять условия полета, погоду, географическое положение, останавливать выполнение задания для разбора и повтора и т.д. Также на тренажере можно без ограничений выполнять отработку действий в нештатных ситуациях, некоторые из которых либо опасны для отработки в реальном полете, либо вообще их отработка в реальном полете запрещена. Кроме этого, подготовка пилотов на авиатренажерах выгодна с экономической точки зрения (несмотря на высокую стоимость современных тренажеров приближающуюся к стоимости самого ВС).

Необходимость тренажерной подготовки общепризнанна. Однако тренажерная подготовка несет потенциальную опасность, связанную с возможным привитием ложных навыков. Это связано с возможной недостаточной адекватностью моделей ВС. Примером привития ложного навыка на тренажере, приведшего к авиакатастрофе, является катастрофа American Airlines Flight 587. Как показало расследование этой катастрофы,^[1] пилотов этой авиакомпании обучали на тренажере агрессивно работать рулем направления при попадании в зону турбулентности, что в реальном полете привело к раскачке самолета по рысканию с последующим отделением вертикального оперения от фюзеляжа. При этом подобные действия на тренажере не приводили к выходу самолета за пределы эксплуатационных ограничений.

Для исключения возможности привития ложных навыков в мировой практике на протяжении нескольких последних десятилетий отработаны специальные подробные стандарты, регулирующие процесс создания и квалификационных испытаний тренажеров. Сейчас тренажеры, сертифицированные по самому высокому уровню международных стандартов (Level D по JAR-FSTD или Level VII по ICAO 9625), имеют такой высокую степень имитации реального полета, что позволяют выпускать правых пилотов по завершению курса тренажерной переподготовки на новый тип ВС сразу в коммерческий полет без выполнения вывозной программы на ВС.

Современные авиатренажеры находят также применение в исследовательских целях, например, для отработки действий экипажа при выходе за пределы эксплуатационных ограничений (выход на большие углы атаки, выход из сложных пространственных положений и т.п.).^[2]

В военной авиации авиационные тренажеры представляют особую ценность, т.к. они позволяют практически без ограничений имитировать реальную боевую обстановку, которую очень трудно сымитировать в мирное время в ходе учений.

Считается, что для нормального процесса подготовки пилотов требуется не менее одного авиационного тренажера на 20 воздушных судов. Однако, в настоящее время в России работают всего около десяти современных тренажеров.^[3] Поэтому, в связи с резким увеличением аварийности в российской авиации^[4] из-за недостаточной подготовленности экипажей, Росавиация предприняла попытку улучшить ситуацию, закупив ряд авиационных тренажеров.^[5]

Авиационные тренажеры можно разделить на четыре основные группы:

• Full Mission Simulator (FMS)
• Full Flight Simulator (FFS)
• Flight Training Device (FTD)
• Flight Procedures Training Device (FPTD)

В современной практике подготовки пилотов гражданской авиации наибольшее распространение получили комплексные тренажеры (FFS) и процедурные тренажеры (FPTD).

Процедурные тренажеры

Процедурные тренажеры (Flight Procedures Training Device) предназначены для отработки экипажем процедур подготовки и выполнения полета.

В тренажерах такого назначения пульты, приборы и органы управления обычно имитируется с помощью сенсорных мониторов. Для удобства отдельные пульты и органы управления могут быть представлены в виде полноразмерных макетов. Обычно это имитаторы боковых ручек управления ВС, имитаторы пульта управления автопилотом, имитаторы лицевых панелей вычислительной системы самолетовождения.

Процедурные тренажеры не предназначены для приобретения навыков пилотирования. Поэтому они обычно не оборудуются системой визуализации.

С характеристиками современного процедурного тренажера можно ознакомиться, например, в этой презентации тренажера (англ.)

Комплексные тренажеры

Комплексный тренажер

В соответствии с определением, данным в Федеральных авиационных правилах "Сертификация технических средств подготовки авиационного персонала" под комплексными тренажерами (Full Flight Simulator) понимают авиационные тренажеры, обеспечивающие подготовку экипажей в полном объеме их функциональных обязанностей по летной эксплуатации воздушного судна конкретного типа.

Комплексные тренажеры - это тренажеры самого высокого уровня. Как правило, они имеют систему подвижности. Кабина комплексного тренажера выполняется в виде полной реплики реальной кабины воздушного судна. На комплексные тренажеры устанавливаются передовые системы визуализации.

С характеристиками современного комплексного тренажера можно ознакомиться в этой презентации тренажера (англ.)

Система визуализации

Угол ошибки линии визирования проекционной системы

Коллимационная оптическая система

Коллимационная система визуализации

Современные системы визуализации бывают двух типов — проекционные и коллимационные. В системах визуализации обоих типов изображение проецируется с помощью проекторов на сферических или цилиндрических экранах. Проецирование изображения на экранах, расположенных в непосредственной близости от кабины тренажера приводит к тому, что линия визирования удаленных проецируемых объектов зависит от положения глаз пилотов. Угол этой ошибки – параллакс - можно оценить формулой

$\alpha = \mathrm{arctg}\,(D / L)$ , где

D — расстояние от головы пилота до центра настройки системы визуализации,

L — расстояние от центра настройки системы визуализации до экрана.

Так при D=1м и L=3м для показанного на рисунке случая, то есть при настройке системы визуализации на левого пилота, параллакс равен 18 градусам.

Стандарт ИКАО 9625 требует значение параллакса не более 10 градусов для каждого пилота при настройке системы визуализации на срединную точку между пилотами. Для указанного на рисунке случая при D=0,5м, параллакс относительно срединной точки равен 9 градусам.

Наличие параллакса - недостаток свойственный именно проекционным системам визуализации. В кабине тренажера с проекционной системой визуализации существует только одна точка, в которой параллакс равен нулю. При проектировании системы визуализации за эту точку принимают место пилотирующего пилота. Так как в двучленном экипаже пилотирующим может быть как левый, так и правый пилот, то в этом случае в системе визуализации предусматривают две точки нулевой ошибки с возможностью переключения с одного места на другое.

Причиной параллакса является близко расположенный экран, а также свойство света рассеиваться при отражении от негладкой поверхности экрана. Но, если идущий от проекторов свет коллимировать, т.е. проецировать таким образом, чтобы лучи света визуализируемого объекта были параллельны друг другу, то явление параллакса будет устранено. На этом принципе основана работа коллимационной системы визуализации. В коллимационной системе свет от проекторов пропускают через специальную оптическую систему – через экран обратной проекции на сферическое зеркало. Таким образом создается иллюзия объектов удаленных на большое расстояние.

Стоимость коллимационной системы визуализации превышает 1 млн.$, но только она позволяет отрабатывать на тренажере навыки визуальной посадки. Коллимационные системы устанавливаются на комплексные тренажеры FFS и тренажеры FTD Level 2 (Level 2 по JAR-FSTD).

Важным элементом системы визуализации является видеопроекторы. В современных тренажерах применяются DLP-проекторы. В комплексных тренажерах - более совершенные LCOS-проекторы или LED-проекторы.

Система подвижности

Шестистепенной динамический стенд

Система подвижности приводит кабину тренажера в движение, что позволяет пилотам ощущать созданную им нормальную, продольную и боковую перегрузку и угловые ускорения по всем трем осям.^[6] В виду ограниченности хода платформы имитация перегрузки выполняется только кратковременно, но это считается достаточным, так как ключевой информацией для пилота является изменение перегрузки, вызванное управлением, а не само значение перегрузки.

При разработке математического закона движения платформы тренажера моделируемое на тренажере уравнение движения ВС с помощью методов гармонического анализа раскладывают в ряд гармонических колебаний - гармоник. Первые гармоники – гармоники самой малой частоты вносят наибольший вклад в перемещение самолета. При этом человек именно к этим длиннопериодическим колебаниям наименее чувствителен. Так, если медленно увеличивать перегрузку до небольших значений, то человек в положении сидя может даже не почувствовать ее изменения. Высшие гармоники с ростом частоты вносят все меньший вклад в движение и они все более чувствительны для человека. Поэтому низшие гармоники подавляют, используя фильтр верхних частот.

Базовая схема алгоритма управления системы подвижности

Помимо кратковременной имитации перегрузки существует также возможность и долговременной имитации перегрузки. Наиболее простым и широко используемым способом имитации длительной перегрузки является использование горизонтальной составляющей силы тяжести для имитации продольной и боковой перегрузки путем соответствующего наклона платформы. Для того, чтобы добиться этого эффекта, при формирования закона движения платформы уравнение движения ВС пропускают через фильтр нижних частот, который подавляет высшие гармоники.

Другим способом имитации долговременной перегрузки является установка кабины тренажера на центрифуге. Однако, тренажеры на центрифуге в виду дороговизны не получили широкого распространения и используются только в развитых странах для подготовки летчиков-истребителей и космонавтов^{[7] [8]} (см. основную статью High-G training).

График движения платформы

Динамика движения платформы тренажера продемонстрирована на графике. На графике видно, что система подвижности имитирует перегрузку на небольшом участке времени (меньше секунды), на котором ускорение разгона платформы достигает ускорения моделируемого ВС. Далее в связи с ограниченностью рабочего хода платформы, она тормозится и возвращается в нейтральное положение. При этом, торможение и возврат платформы осуществляется с ускорением ниже порога восприятия человека.

Системы подвижности подразделяются по типу силового привода на гидравлические, электрические, электрогидравлические и электропневматические.

В практике наибольшее распространение получили гидравлические системы подвижности в виду того, что для перемещения подвижного модуля необходимо развивать на приводе большое усилие, превышающее 10тc. Преимуществом гидравлических систем подвижности является также наличие самосмазывающих свойств. Однако, гидравлические системы подвижности имеют высокую стоимость эксплуатации, связанную, прежде всего, с высоким энергопотреблением (порядка 100кВт) гидронасосной станции. Также гидронасосная станция требует отдельного помещения для организации теплоотвода, шумо- и виброизоляции. Помимо этого агрегаты под давлением требуют повышенного внимания при эксплуатации.

На смену гидравлическим системам подвижности приходят электрические системы подвижности.^[9] Они потребляют в 4-5 раз меньше электроэнергии и практически бесшумны.^[10]

Однако, электрические системы подвижности заметно уступают гидравлическим системам по плавности хода, несмотря на то, что успешно проходят сертификацию по международным нормам. Это связано с тем, что электрические системы подвижности не смогли довести до уровня гидравлических систем по способности к развитию мгновенной мощности. Такое преимущество гидравлические системы продолжают иметь благодаря присутствию в их конструкции гидроаккумуляторов. В связи с этим гидравлические системы подвижности продолжают оставаться эталонами по качеству движения.

Компания Thales T&S вышла на рынок с компромиссным решением – электрогидравлической системой подвижности,^[11] использующей в своей основе принцип работы самолетных автономных рулевых машин (АРМ).^[12] Силовые приводы электрогидравлической системы являются также гидравлическими, как и приводы гидравлической системы подвижности, но в электрогидравлической системе иначе организовано гидропитание приводов. Если в гидравлической системе подвижности гидропитание осуществляется централизованно от одной насосной станции, находящейся на удалении от тренажера, то в электрогидравлической системе каждый гидропривод имеет индивидуальный гидронасос с приводом от электромотора и они располагаются непосредственно у гидроприводов. Это и ряд других технических решений позволило компании TT&S осуществить "гидравлическую компенсацию веса тренажера" ,^[11] что обеспечило электрогидравлической системе преимущество электрической системы подвижности – низкое энергопотребление; при этом она обладает плавностью хода близкой к плавности хода гидравлической системы подвижности.

Электрогидравлическая система подвижности производства TT&S установлена на комплексном тренажере самолета Сухой Суперджет-100.^[13]

На рынке также представлена электропневматическая система подвижности, в которой реализован принцип пневматической разгрузки червячной пары.^[14] Электропневматическая система подвижности производства MOOG^[15] установлена на комплексном тренажере самолета Ан-148.^[16]

Групповые тренажеры

Если тренажеры гражданских самолетов практически достигли потолка своего развития для современного уровня элементной базы, то Групповые тренажеры (Full Mission Simulator) продолжают иметь практически неограниченные возможности для своего совершенствования. Групповые тренажеры предназначены для отработки групповых боевых действий. Они объединены в единую сеть с помощью интерфейса HLA, который позволяет объединять разнородные тренажеры - авиационные, танковые, артиллеристcкие и др.^[17] Об особенностях и перспективах групповых тренажеров смотрите видеосюжет Пилотажный тренажер.

Сертификация

Правом сертификации авиационных тренажеров в России обладает Минтранс в лице Росавиации и Ространснадзора. Минтранс также признает право на подготовку документов для сертификации Центром экспертизы и сертификации авиационных тренажеров^[18] при ЦАГИ и институтом ГосНИИ ГА. Однако Минтранс может сертифицировать авиационные тренажеры только по устаревшим «Нормам годности авиационных тренажеров для подготовки авиационного персонала воздушного транспорта», утвержденные Росавиацией 15.05.98г. с Дополнением № 1 от 18.07.2000г. Минтранс не может ввести в России современные международные нормы в виду того, что большинство тренажеров, действующих в России, не смогут пройти сертификацию по международным нормам.^[19][20] Это связано с тем, что отечественные тренажеры проходят проверку и сертифицируются в основном по субъективной оценке летчиков-экспертов. В то время как зарубежные нормы требуют, прежде всего, прохождения объективных тестов со строго определенными жесткими допусками.

На смену отечественным Нормам годности готовятся к выпуску новые нормы годности,^[21] гармонизированные с международным стандартом ИКАО 9625.^[22]

Имеющийся правовой вакуум в сертификации авиационных тренажеров в России помимо указанного стандарта ИКАО 9625 заполняют европейский стандарт JAR-FSTD^[23] организации EASA, и американский стандарт 14 CFR Part 60^[24] Федерального управления гражданской авиации США.

Кроме основных стандартов, в которых представлены сертификационные требования к тренажерам, широко используется также следующие документы:

• "Требования к данным конструкции и к данным характеристик авиационных тренажеров"^[25] организации IATA. В этом документе определены требования к пакету данных по конструкции ВС, необходимые для создания современного тренажера.

• "Справочник по оценке самолетных тренажеров" организации RAeS.^[26] В этом документе представлены методики выполнения объективных тестов.

Так же при разработке тренажеров применяются стандарты организации ARINC:^[27]

• ARINC 610B - Руководство по применению в тренажерах авионического оборудования и программного обеспечения

• ARINC 436 - Руководство по разработке электронного Руководства по квалификационным испытаниям тренажера.

Правом сертификации тренажеров обладает английское авиационное общество RAeS.

В России до сих пор не было произведено тренажера, сертифицированного по высшему уровню международного стандарта (сертификат EASA, FAA). Первую сертификацию тренажера, изготовленного отечественной компанией по высшему уровню международного стандарта, можно будет полагать моментом выхода отечественного тренажеростроения на мировой уровень.

На постсоветском пространстве наиболее близко к сертификации по высшему международному уровню подошли на Украине в КБ Антонова, сертифицировав тренажер самолета Ан-148 по национальным нормам,^{[28] [29]} приближенным к международным нормам.^{[источник не указан 579 дней]}

Стоимость

По итогам открытого аукциона, состоявшегося в 2011 году, cтоимость типичного комплексного тренажера серийной конструкции - тренажера самолета А-320 высшего уровня по ИКАО - составила около $12 млн.^[30]

Стоимость аналогичного тренажера российского самолета SSJ-100 составила около $17,5 млн.^[31] Это составляет почти половину каталожной стоимости натурального самолета.

Ссылки

1. ↑ Документальный фильм "Авиакатастрофа в Нью-Йорке" англ. Plane Crash in Queens. из сериала Секунды до катастрофы телеканала National Geographic. Архивировано из первоисточника 30 июня 2012.
2. ↑ В ЦАГИ состоялось техническое совещание консорциума по проекту «SUPRA». Пресс-релиз ЦАГИ (20-09-2011). Архивировано из первоисточника 18 июня 2012.
3. ↑ Бюшгенс А.Г. Российский тренажерный рынок на пути к мировым стандартам. Агентство АвиаПорт (20-01-2012). Архивировано из первоисточника 18 июня 2012.
4. ↑ 2011 год стал самым безопасным за всю историю IATA. Деловой авиационный портал ATO.ru (19-12-2011). Архивировано из первоисточника 18 июня 2012.
5. ↑ Об итогах конкурсов, проводимых Федеральным агентством воздушного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации на поставку шести авиационных тренажеров. Росавиация (18-08-2011). Архивировано из первоисточника 18 июня 2012.
6. ↑ Александров В. В. и др. Математические задачи динамической имитации полета / Под общ. ред. В.А.Садовничего. — М.: Из-во Моск. ун-та, 1986.
7. ↑ Центрифуги. Центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина
8. ↑ Desdemona: The next generation in movement simulation  (англ.). TNO Defence, Security and Safety. Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
9. ↑ Dr. Sunil Murthy Motion Control: Electrifying the feel of flight. Machine Design (03-06-2009). Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
10. ↑ CAE True™ Electric Motion System.
11. ↑ ^{1 2} Thales eM2K: 6-DOF Motion System. Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
12. ↑ Рулевой привод // Авиация: Энциклопедия / Под ред. Г. П. Свищева. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1994.
13. ↑ Пилотажный тренажер самолета SSJ 100 готов к обучению российских пилотов. Деловой авиационный портал (22-11-2011). Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
14. ↑ Motion & Control loading system. SIM Industries. Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
15. ↑ Electric Pneumatic Motion Base. MOOG. Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
16. ↑ Сборка тренажера Ан-148. S7 Training (22-12-2010). Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
17. ↑ А.Бюшгенс В небо, не отрываясь от земли. // Наука и жизнь. — 2008. — № 12.
18. ↑ Центр экспертизы и сертификации авиационных тренажеров
19. ↑ Серёгин Г. Н. Авиационные тренажеры — реальный путь к повышению безопасности полётов // "Право и безопасность" : Журнал. — 2006. — № 3-4 (20-21).
20. ↑ Смяткин А.А. Технические решения в тренажерах квалификационного уровня «D», меняющие методику подготовки летного состава. Текст выступления за круглым столом «Тренажерные технологии – резерв повышения безопасности полетов» (20-05-2011).
21. ↑ Сертификация авиационных тренажеров - интервью представителя ИКАО в России Шибаева В.М.
22. ↑ Руководство по критериям оценки самолетных тренажеров ИКАО 9625 = Manual of Criteria for the Qualification of Flight Simulation Training Devices. — 3-е изд. — ИКАО, 2009. — Т. 1. — 664 с. — ISBN Doc 9625 AN/938
23. ↑ JAR-FSTD A: Airplane Flight Simulation Training Devices
24. ↑ Federal Aviation Regulations CFR Part 60 Change 1
25. ↑ Требования к данным конструкции и к данным характеристик авиационных тренажеров. IATA, 7-е издание, 2009 г.
26. ↑ Справочник по оценке самолетных тренажеров = Aeroplane Flight Simulation Training Device Evaluation Handbook. — 4-е изд. — RAeS, 2009. — Т. 1. — 693 с.
27. ↑ Стандарты организации ARINC
28. ↑ Тренажер Ан-148 уровня D получил сертификат. Пресс-релиз КБ Антонова (19-05-2011). Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
29. ↑ Правительство обещает поддержать отечественный авиапром. Телеканал новостей «24» (20-05-2011). Архивировано из первоисточника 24 апреля 2012.
30. ↑ Заказ №0173100002911000034. Портал госзакупок (17-05-2011). Архивировано из первоисточника 18 июня 2012.
31. ↑ Заказ №0173100002911000063. Портал госзакупок (25-07-2011). Архивировано из первоисточника 30 июня 2012.

См. также

Новости авиатренажеростроения на портале АвиаПорт.Ru

Как строят тренажер - видеосюжет на телеканале Discovery Science

Flight simulator

Full flight simulator

Advanced Flight Simulation devices

Collimated light

Платформа Гью — Стюарта

Acceleration onset cueing