Изложена концепция реализации системы управления для беспилотного транспортного вертолета. Определены требования к системе необходимые для создания аппарата указанного класса, а также оценка снижения стоимости создания ЛА
Ключевые слова: беспилотный вертолет (БВ), опционально-пилотируемый вертолет (ОПВ), бортовой комплекс управления (БКУ).
Сегодня в большинстве случаев становиться понятно, что беспилотная техника со временем потеснит «классические» пилотируемые летательные аппараты, начиная от вертолетов заканчивая самолетами.
Высокотехнологичная область находится на первом этапе создания целого семейства от аппаратов до пилотажных комплексов различной глубины автоматизации систем. Среди разработчиков существуют два основных подхода по проектированию беспилотных систем: первый идет по направлению развития беспилотников в чистом виде, где человеческий фактор полностью исключен из управления летающей техникой; второй идет по пути сохранения живого пилотирования, но обеспечив максимальное упрощение управление летательным аппаратом. С последующим развитием технологий, достигнув приемлемого уровня готовности и безопасности, оба пути соединяться в едином направлении, которое позволит опционально выбирать разные уровни контроля, что в настоящее время уже реализуется во многих перспективных проектах.
Примером второго пути развития беспилотных систем являются проекты компаний Sikorsky и Boeing. Проекты заключаются в модернизации серийных вертолетов с применением современных автономных технологий. Примером технологии служит демонстратор, построенный на базе вертолёта модели S-92B и UH-60. Ключевым моментом реализации технологии заключается в обеспечении сокращения эксплуатационных расходов и повышении конкурентоспособности по сравнению с другими винтокрылыми аппаратами. Новые вычислительные системы беспилотных технологий позволят повысить уровень автономности, что обеспечит снижение требований к пилотированию и повысит востребованность воздушного судна на коммерческом рынке.
На сегодняшний день сегмент вертолетов гражданского назначения имеет устойчивую тенденцию развития, что обеспечивает за счет наличия у них конструктивных особенностей с перечнем уникальных полетных характеристик, которые являются незаменимыми во многих областях хозяйственной деятельности. По данным International Bureau of Aviation (Рисунок 1) наблюдается устойчивая мировая тенденция роста флота вертолетов гражданского назначения [1].
Рис. 1. Статистика по динамики мирового флота вертолетов гражданского назначения
В тоже время в вертолетной отрасли наблюдается дефицит пилотов, где средний возраст пилота вертолета в Российской Федерации составляет 53 года [2]. Проблема подготовки пилотов связана с тенденцией по уменьшению количества АУЦ (Рисунок 2) [3]. В настоящее время подготовкой пилотов вертолетов гражданского назначения занимаются только два АУЦ (Омский летно-технический колледж и ЗАО «Русские вертолетные системы»), что обеспечивает около 180 пилотов в год. Ежегодно из профессии уходит около 200 пилотов вертолетов, что говорит о будущих проблемах обеспечения рынка авиаперевозок в Российской Федерации [2].
Рис. 2. Динамика количества АУЦ в Российской Федерации
Решение проблемы нехватки авиационных кадров и удовлетворения устойчивой потребности авиаперевозок возможно за счёт применения беспилотных ЛА. Но в настоящее время существует большое количество ограничений связанных с применением беспилотных ЛА в различных отраслях, а именно:
— Ограничение применения при выполнении работ требующих точного пилотирования или пилотирования в ограниченном пространстве (городская застройка или наличие плотного авиационного трафика);
— Ограничение по перевозке людей;
— Ограничения полетов над населенными пунктами.
Третье ограничение связано с проблемой отсутствия нормативной базы и процесса сертификации беспилотных ЛА. Второе ограничение связано с обеспечением достаточного уровня надежности и безопасности эксплуатации, что может быть отработанно путем применения ОПВ [4].
Первое ограничение может быть решено путем автоматизации маневров ЛА с применением и отработкой на ОПВ комплекса управления.
Путь построения от пилотируемого вертолета в полностью беспилотный вертолет возможно посредством модернизации серийного пилотируемого вертолета в два этапа. На первом этапе, используются имеющиеся серийные изделия и оборудование, с минимальной переделкой для обеспечения создания варианта вертолета, предназначенного для полетов, как с летчиком, так и в беспилотном режиме — опционально-пилотируемый вариант. Это позволит отработать беспилотный вариант вертолета, проверить правильность выполнения логики работы под контролем летчика-испытателя. На втором этапе, при установке необходимого обновленного оборудования, создать вариант полностью беспилотного варианта вертолета и подтвердить полученные при отработке первого этапа результаты.
Для реализации первого этапа вертолет должен оснащается бортовым комплексом управления (БКУ), обеспечивающим возможность выполнения вертолетом всех беспилотных режимов, а также сохраняет возможность пилотирования летчиком как минимум по правилам визуального полета. Управление беспилотным полетом осуществляется как непосредственно с терминала на борту вертолета, так и по радиоканалу с наземного пункта управления.
На втором этапе создается полностью беспилотный вертолет путем модернизации программно-аппаратного обеспечения. Управление и контроль беспилотного вертолета осуществляется также с наземного пункта управления (НПУ). Для облегчения конструкции и увеличения длительности полета с вертолета демонтируются все более не нужные органы управления и средства индикации летчика, элементы механической проводки управления.
При выборе состава и структуры БКУ должны обеспечиваться следующие основные требования:
Функциональные:
— обеспечение достаточной точности навигационного решения (величина порядка единиц метров) для осуществления требуемой точности управления (величина по скорости до единицы м/с и по углам до градуса) при выполнении маловысотного полета, в том числе на режимах взлет/посадка, с обеспечением обновления информации не менее 50 Гц [5];
— БКУ должен иметь открытую архитектуру, как в части внутренней структуры, так и в части интерфейса с целевым оборудованием, а также возможность осуществления коррекционных действий с удаленного пункта управления (НПУ или пилотируемый летательный аппарат (ЛА) в случае отсутствия связи с НПУ);
— обеспечение достаточной скорости принятия решений при реализации автоматического или автоматизированного полета;
— обеспечение алгоритмов выполнения маневров в соответствии с правилами полета по приборам и обеспечения требования норм ИКАО и ФАП, в том числе внештатных;
Безопасности и надежности:
— обеспечение требований по показателям надежности работы комплекса;
— обеспечение отказоустойчивости комплекса, то есть сохранение его работоспособности без ухудшения технических характеристик при возникновении одного отказа или нескольких разнородных отказов аппаратуры из состава БКУ;
— способность комплекса к аппаратно-алгоритмической реконфигурации при обнаружении и распознавании отказа аппаратуры для обеспечения его работоспособности;
— обеспечение защиты информации КРЛ от несанкционированного доступа и управления;
— реализация процедур опознавания и идентификации ЛА;
Эксплуатационные:
— обеспечение оперативного (в полете) изменения полетного задания по информации, полученной от пункта управления по командной радиолинии;
— обеспечение снижения уровня оперативного контроля состояния и работоспособности систем ЛА, с сохранением достаточного уровня информирования оператора для принятия решений;
— наличие развитых средств обеспечения контролепригодности комплекса на всех этапах его применения, в том числе при реализации предполетного контроля, для обнаружения и распознавания (идентификации) отказа аппаратуры.
Возможны два варианта исполнения БКУ: с использованием электродистанционной системой управления (ЭДСУ) на ЛА или на базе имеющейся механической проводки управления со штатным вычислителем управления [6].
Оснащение БКУ ЭДСУ вместо механической проводки позволит:
— уменьшить массу вертолета за счет исключения механической части проводки управления;
— повысить управляемость вертолета до I уровня (по стандарту ADS-33) в различных условиях его эксплуатации;
— парировать выход параметров полета за эксплуатационные ограничения;
— уменьшить психофизиологическую нагрузку на экипаж с повышением его ситуационной осведомленности.
Альтернативный вариант создания БКУ выполняется с использованием штатной механической СУ с бортовым вычислителем управления. Переоборудование в опционально-пилотируемый ЛА осуществляется посредством параллельного подключения комплекса управления к штатной проводке управления аппаратом, что позволяет:
— сократить экономические и технические затраты на доработку вертолета;
— сократить объем летных испытаний ЛА в пилотируемом режиме, поскольку используются отработанные органы управления;
— упростить поэтапное проведение испытаний отдельных режимов автоматического режима управления;
— обеспечить возможность поэтапного наращивания программно-аппаратных средств БКУ, что дает возможность вести параллельно как летные испытания БКУ и вертолета в целом, так и собственно разработку (наращивание) программно-аппаратных средств БКУ.
Помимо системы управления маневрированием вертолет оснащен основными и вспомогательными системами, управление которыми необходимо осуществлять как вручную летчиком при выполнении пилотируемого полета, так и в автоматическом режиме, при беспилотном полете. Внедрение бортовой интегрированной системы контроля и управления позволит выполнять анализ состояния общевертолетных систем и аппаратно-алгоритмическую реконфигурацию в случае возникновения отказов, а также осуществлять проверку работоспособность комплекса пред/после полетной подготовки.
При реализации предложенной концепции модернизации пилотируемого вертолета в опционального-пилотируемый вертолет позволит обеспечить сокращение следующего объёма работ:
— уменьшение объёма разработок 60 % систем на этапах эскизно-технического проекта (Этап 1) и выпуска РКД (Этап 2) (объём разработок остается в части модернизации ПНК, системы управления ЛА и общевертолётными системами);
— объём доработок по результатам испытаний (Этап 3) останется на том же уровне затрат;
— уменьшение объёма доработки опытного производства (Этап 4) на 90 %;
Работы на данном этапе касаются доработки линии сборки ЛА в части, линии монтирования и проверки оборудования.
— уменьшение стоимости изготовления опытных вертолетов, как для наземных (Этап 5), так и для летных испытаний (Этап 6) на 60 % (ввиду возможности доработки серийных вертолетов);
— уменьшение объёма стендовых испытаний (Этап 7) на 60 % (ввиду проведения повторного цикла испытаний только для отработки оборудования и агрегатов системы управления);
— увеличение летных и сертификационных полетов (Этап 8) в 1,5 раза с 350 до 500 полетов.
Увеличение число полётов связанно с отсутствием в настоящий момент сертификационного базиса для ОПВ.
На рисунке 3 представлен график сравнения стоимости разработки ОПВ и пилотируемого вертолета (ПВ) по этапам разработки изделия.
Рисунок 3 Структура стоимости разработки ОПВ и ПВ
Реализация концепции создания системы опционально-пилотируемого вертолета путем модернизации пилотируемого вертолета позволяет в течение двух-трех лет создать ОПВ с последующей модернизацией в БЛА, отвечающий всем современным требованиям к ЛА по необходимому функционалу, надежности и отказоустойчивости, обеспечит решение проблемы роста авиаперевозок при существующей нехватке авиационных кадров, а также отработки нормативной базы и процесса сертификации беспилотных ЛА.
Литература:
- Интернет ресурс https://russia.trud.com
- Интернет ресурс http://www.ato.ru
- Интернет портал Росавиации https://favt.gov.ru
- Bento M. Unmanned aerial vehicles: an overview // Inside GNSS. — 2008. — № 1.
- Forecast International Expects UAV Market to Rise Strongly through the Next Decade
- UAVglobal. Unmanned systems and manufacturers: информационный портал, http://www.uavglobal.com
