Глава 2. Обобщенная структура авиационных тренажеров и их классификация

Тренажер это обучающее средство, обеспечивающее полную или частичную имитацию функционирования некоторой реальной человеко-машинной системы, ее взаимодействие с внешней средой и управления. Тренажер предназначен для формирования и совершенствования у обучаемого определенных профессиональных навыков и умений, необходимых ему для управления реальным объектом.

Авиационный тренажер представляет собой наземную имитационную систему, воспроизводящую с той или иной степенью подобия внутрикабинную и внешнюю обстановку, поступающую к оператору ЛА инструментальную, визуальную информацию, условия полета, характеристики движения, факторы, воздействующие на человека. АТ (авиационный тренажер) должна имитироваться специфика управления самим ЛА, так и его функциональными системами, при этом должны имитироваться не только «штатные» условия, но и определенное число «нештатных ситуаций», возможных в реальном полете.

АТ должен отвечать следующим требованиям:

1. АТ должен позволять обучаемым экипажам получать за ограниченное время цикла тренировок всю совокупность навыков умений, необходимых для безопасного пилотирования ЛА во всей области ожидаемых условий эксплуатации

2. Тренажер не должен быть чрезмерно сложным, громоздким, метало и энергоемким механизмом, требующим больших площадей и объемов для его размещения; продолжительность цикла его разработки и испытаний не должна превышать заданного календарного срока.

Преимуществами АТ как обучающих средств по сравнению с ЛА (учебно-тренировочными или основными) являются:

- высокая экономичность, позволяющая заметно сокращать налет ЛА, экономить топливо и ресурс материальной части при обучении;

- возможность имитации опасных режимов, отказов, пожаров и т. п., которые в реальных учебных полетах практиче­ски не воспроизводятся из-за условий безопасности; безопасность самого обучения, так как ошибки экипажа не приводят к возникновению реальной опасности*; возможность «замораживания» условий полета, многократ­ного повторения режимов в учебных целях; относительная легкость выделения инструктором ошибок и разъяснения их курсантам как непосредственно при их воз­никновении, так и после «полета»;

- использование при обучении широкого набора средств объек­тивного контроля (СОК), предусматривающих регистрацию большого числа параметров.

Различные виды современных АТ отличаются составом, кон­струкцией элементов, степенью полноты имитации условий, уров­нем адекватности и т. д. Различия имеются также в технических данных вычислителей, систем визуализации, подвижности. Указан­ные отличия влияют на общие характеристики АТ как обучающе­го средства, т. е. на достигаемые цели, конечные результаты и эффективность обучения. Влияют они, естественно, на стоимость и экономичность тренажера.

Аппаратурный состав каждого конкретного типа АТ определяет­ся, с одной стороны, его назначением, с другой — спецификой ЛА, особенностями установленных на нем функциональных систем, в том числе системы управления, а также принятыми методами подго­товки. Однако, несмотря на большое разнообразие указанных факторов и различия в конструктивных и схемных решениях тре­нажеров, вполне возможно указать обобщенную структуру типо­вого АТ (рис. 1.1). Эта структура может быть использована при анализе тренажеров и при обсуждении задач обучения. В после­дующих разделах книги структура АТ и ее составляющие будут описаны более детально.

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема АТ

Основными центрами типовой структуры АТ являются рабочие места обучающихся (РМО) - одно или несколько - и рабочее место инструктора (РМИ).

На РМО с определенной степенью точности (адекватности) воспроизводятся:

– рабочая зона или вся кабина реального ЛА; условия имитируемого полета;

– характеристики управления и его функциональные послед­ствия как при

правильных, так и при ошибочных дейст­виях обучающегося;

– визуальная информация, поступающая к операторам; системы сигнализации и контроля, установленные на ЛА.

Условия полета имитируются с помощью нескольких компо­нентов АТ. В сложных тренажерах система имитации кинематических параметров движения и акселерационного воздействия на обучающегося (СИКП) воспроизводит линейные и угловые пере­мещения, ускорения, перегрузки, вибрации. Чаще всего ее назы­вают системой подвижности. В более простых тренажерах исполь­зуются либо упрощенные средства имитации вибрации и эффекта перегрузки, например вибрационные платформы, перегрузочные кресла, костюмы, либо этот информационный канал вообще отсут­ствует.

Система имитации акустических параметров (СИАП) воспроиз­водит шумовые эффекты.

Приборы – имитаторы, установленные на соответствующих местах РМО, воспроизводят работу пилотажного оборудования (ИПО).

Система имитации внешней визуальной обстановки (СИВВО) воспроизводит с той или иной степенью полноты то, что видит экипаж из кабины (вне-кабинную обстановку). Обычно это подхо­ды к аэродрому, взлетно-посадочная полоса и окружающая ее местность, территория, которую ЛА пролетает, другие ЛА, нахо­дящиеся вблизи и выполняющие какие-либо маневры, и г. д.

Вычислительный комплекс (ВК) обеспечивает моделирование динамики полета, работы силовой установки, пилотажно-навигационного оборудования (ПНО) и других функциональных систем. Кроме того, ВК воспроизводит сигналы, необходимые для работы многих систем тренажера, в частности системы подвижности, а иног­да и СИВВО. Структура математического обеспечения расчленяется на ряд самостоятельных имитаторов — имитатор динамики полета (ИДП), имитатор силовых установок (ИСУ), имитатор пилотажно-навигационного оборудования (ИПНО), имитатор атмосферных условий (ИАУ) и т. д.

Управление реализуется с помощью имитатора системы управ­ления ЛА (ИСУЛА), связанного практически со всеми подсисте­мами и компонентами АТ. Модель, описывающая работу ИСУЛА, воспроизводится в ВК, а механические, электрические или гидрав­лические агрегаты управления образуют отдельные внешние под­системы.

На рис. 1.1 ИСУЛА условно показан в виде одного самостоя­тельного агрегата.

На РМИ с помощью специальной системы отображается вся ин­формация, видимая курсантом (оператором) на своем рабочем месте и необходимая инструктору для контроля за его действия­ми. С помощью аппаратуры контроля и управления обучением (АКУО) инструктор осуществляет управление процессом трени­ровок.

Для дополнительного контроля за работой тренажера и ходом обучения может использоваться разветвленная контрольно-запи­сывающая аппаратура (КЗА), которая обычно сопрягается со спе­циализированной измерительно-информационной системой (ИИС). В зависимости от располагаемых технических средств и математического обеспечения система КЗА ИИС может обеспечивать руч­ную или автоматизированную расшифровку регистрируемых дан­ных и последующую выдачу информации. Наиболее совершен­ные ИИС позволяют получать информацию в темпе проведения эксперимента или непосредственно после него, а также автомати­зированный анализ информации и ее документирование.

Как уже говорилось, используемые в настоящее время авиационные тренажеры весьма разнообразны по составу, конструкции, решаемым зада­чам. Поэтому классификация их может осуществляться исходя из различных признаков, Эти признаки можно свести к характеристи­кам и конструкции соответствующих компонентов, либо к характе­ристикам структуры и функциям (назначению) АТ в целом.

По назначению и объему решаемых задач тренажеры делятся на процедурные, специализированные и комплексные; в последнее время создаются комплексы тренажеров.

Процедурные АТ (ПАТ) наиболее просты по конструкции и составу. Они предназначены для решения двух типов задач:

– приобретения устойчивых навыков конкретных видов дея­тельности оператора в кабинах со сложным оборудованием и большим числом управляющих органов (рычагов, кнопок, переключателей и т. п.);

– отработки отдельных важных последовательностей процедур управления, выполняемых одним из членов экипажей на кон­кретных этапах полета и в определенных условиях.

Главная цель ПАТ — отработка автоматизма в моторных дейст­виях операторов.

В ряде случаев ПАТ могут быть статичными; в них отсутствуют системы подвижности и нет (или установлены весьма ограничен­ные) СИВВО. Тем самым изменения внешней обстановки либо не воспроизводятся, либо имитируются в ограниченной мере, В то же время необходимые пилотажные приборы и средства сигнализации воспроизводятся с большой точностью.

Зачастую ПАТ реализуют «нештатные» ситуации и позволяют отрабатывать навыки по выполнению парирующих процедур уп­равления, что является исключительно важным для безопасности полета.

Специализированные АТ (САТ) ставят целью развитие про­фессиональных навыков у отдельных членов экипажа, например второго пилота, бортинженера, штурмана, в широком диапазоне условий. Часто САТ используют для отработки техники управ­ления отдельными важными агрегатами или системами, например пилотажно-навигационными комплексами, пожарным оборудова­нием и т. п. В этом случае САТ полностью воспроизводят рабо­чее место этого члена экипажа на ЛА и имитируют все те режимы полета, на которых используется данное оборудо­вание. Наконец, САТ могут быть ориентированы на отработку определенных видов деятельности операторов — членов экипа­жей ЛА.

САТ применяется для обучения действиям, как в «штатных», так и в «нештатных» условиях. В последних случаях оператор отрабатывает автоматизм не только моторных, но и логических действий — распознавание ситуаций, принятие решений, выбор программ и т. д. Обычно в САТ с высокой степенью адекватности с помощью полной системы приборов-имитаторов и сигнального оборудования имитируется поступление инструментальной инфор­мации, особенно в «нештатных» ситуациях. В некоторых случаях (когда это необходимо) в САТ устанавливается оборудование для воспроизведения внешней визуальной обстановки.

Комплексные АТ (КАТ) предназначены для формирования и отработки твердых навыков пилотирования у пилотов, а также вы­полнения рабочих функций, осуществляемых другими членами эки­пажа на всех или наиболее важных этапах полета. При этом в тренировках участвует экипаж в полном составе, что позво­ляет отрабатывать взаимодействие между операторами, как при выполнении плановых заданий, так и в большом числе внештат­ных» ситуаций. КАТ используются для подготовки экипажей ма­гистральных самолетов и тяжелых вертолетов. Они являются ос­новным обучающим средством переподготовки летного состава – командиров ВС, вторых пилотов, бортинженеров.

КАТ отличаются наибольшей полнотой имитации ре­жимов полета и воспроизведения функциональных систем воздуш­ного судна. Они позволяют отрабатывать навыки и умения раз­личного иерархического уровня — от простейших до самых высо­ких. Возможность осуществления обучения или тренировок экипа­жа в целом в широком диапазоне условий эксплуатации является важнейшим преимуществом КАТ.

Исходя из сказанного, КАТ оборудуются рабочими местами всех членов экипажа. С высокой точностью, вплоть до деталей, воспроизводится интерьер рабочих зон кабины. КАТ снабжаются структурными компонентами, обеспечивающими операторов необ­ходимой информацией. Конструкция их включает СИКП, СИАП, СИВВО, ИПО и т. п. Они обладают сложными и высокоразвиты­ми ВК, обеспечивающими функционирование соответствующих имитаторов.

В КАТ должны быть предусмотрены современные системы контроля, оценки и управления обучением. Поэтому большое вни­мание уделяется составу, функциям и конструктивным решениям АКУО, КЗА, ИИС и т, д.

В заключение описания структур АТ необходимо упомянуть еще один важный их класс. Это комплексы тренажеров (КТ).

Они предназначены для отработки техники пилотирования в сложных операциях или маневрах, в которых принимают участие экипажи нескольких воздушных судов или центров управления. Примером КТ первого типа может служить тренажер для отра­ботки пилотирования при транспортировке груза двумя и более вертолетами. Примером КТ второго типа является тренажерная система для тренировки экипажей воздушных судов совместно с диспетчерами службы управления воздушным движением.

В 1980 г. был опубликован план классификации АТ, нацеленный на дальнейшее повышение их технического уровня и расширение применения в свете указанных выше задач. Этот план предусматривал пять уровней сложности (категорий) АТ и соответственно, пять уровней решаемых задач. По мере повышения технического уровня расширяются обучающие качества АТ, воз­растает «наземная доля» процесса подготовки или переподготов­ки и соответственно уменьшается тренировочный налет на самоле­тах.

На тренажерах первых двух категорий АТ можно предварительно отрабатывать отдельные важные процедуры управления или элементы программ пилотирования. Тренажеры второй группы категории сложности предназначены для полной отработки навыков управления на различных этапах полета или в определенных «нештатных» ситуациях. Ниже приводятся краткие характеристики указанных категорий АТ:

1. АТ без системы визуализации. Эта категория эквивалентна упомянутым выше процедурным тренажерам и не требует пояснения

2. АТ с системой визуализации, снабженные СИКП, СИАП и другими имитационными системами, обладающими, однако, определенными ограничениями. АТ данной категории являются чем-то средним между специализированными и комплексными АТ, рас­смотренными ранее.

Следующие три категории представляют собой комплексные АТ, характеристики которых последовательно возрастают:

3. АТ категории I. Эти АТ предназначены для проведения за­нятий по следующим направлениям:

– формирование общих навыков пилотирования на основных режимах полета;

– выполнение ночных взлетов и посадок при нормальном функ­ционировании

систем и некоторых отказах.

Кроме того, на АТ этой категории должна выполняться про­верка уровня подготовки пилотов при их аттестации к выполнению посадок.

4. АТ категории II. АТ этой категории должны в дополнение к задачам, возлагаемым на АТ категории I, решать следующий круг вопросов:

– обеспечивать переучивание членов экипажа на пилотирова­ние самолета близкого типа;

– обеспечивать повышение квалификации и выполнение функ­ций командира ВС:

знакомить экипаж с особенностями взлетов и посадок в кон­кретных аэропортах.

В АТ этой категории имитируется широкий круг «штатных» и «нештатных» ситуаций. Так, например, предусмотрена имитация взлетов и посадок на мокрой, скользкой и обледенелой ВП, воспроизведение весьма большого числа отказов и т. д.

5. АТ категории III. Эти тренажеры наиболее совершенны. В число имитируемых должны входить такие сложные ситуации, как полет в условиях дождя или града, разрушение авиашин при взлете или посадке, посадка при сдвиге ветра, полет в сложной обстановке напряженного воздушного движения и т. п.

В Великобритании вместо категорий I-II США принято большее число градаций характеристик - четыре так называемых стадий. IV стадия Великобритании соответствует II категории США.

Структура АТ во многом близка к структуре пилотажных стен­дов (ПС), получивших широкое распространение в большом числе исследовательских, испытательных и учебных организаций. Дейст­вительно, как те, так и другие имеют много общих элементов. РМО, СИВВО, НПО, СИКП, ВК и другие компоненты входят в со­став АТ и ПС. Иногда ЛТ даже отождествляют с ПС; некоторые специалисты необоснованно считают, что к ним должны предъяв­ляться одинаковые (или близкие) требования, и они должны проек­тироваться исходя из одних и тех же посылок. В действи­тельности же между этими видами моделирующих устройств имеют­ся принципиальные

Если АТ ориентирован на обучение, т. е. привитие навыков умений управляющей деятельности, то ПС предназначен для исследований конкретных вопросов динамики полета, эргономики, управляемости и маневренности ЛА. ПС являются также средст­вом сертификационных испытаний воздушных судов. Все эти зада­чи непосредственно на тренажеры не возлагаются, хотя в отдель­ных случаях они могут использоваться для их решения. Точно так же ПС могут использоваться для обучения летных экипажей опыт­ных и головных ЛА. Однако для этого они должны быть обору­дованы инструкторским пультом или РМИ.

ПС представляют собой объекты единичного изготовления; не­которые из них уникальны. Это позволяет использовать для их создания специализированную, высокоэффективную, дорогостоя­щую электронную и вычислительную технику, а также агрегаты и механизмы с высокими характеристиками. АТ же проектируются как изделия, выпускаемые мелкими партиями или серийно. Предъяв­ляемые к АТ требования по металло- и энергоемкости достаточно высоки. Существенно отличаются и математические модели, реа­лизованные в АТ и ПС. Модели, применяемые в ПС, должны с высокой точностью имитировать определенные режимы или этапы полета. Они должны быть гибкими, допускать вариацию парапет-ров. В отличие от этого математическое обеспечение АТ должно обеспечивать имитацию очень большого числа режимов и усло­вий. Следовательно, для каждого отдельного режима или этапа допускается более простая модель.

Поскольку перечисленные условия и требования существенно влияют на облик агрегатов и компонентов АТ и ПС, их следует от­носить к различным классам систем имитационного моделирова­ния.