Глава 16. Бортовые средства отображения информации (сои)

16.1. Роль и назначение сои на борту ла

Средства отображения информации (СОИ) предназначены для приема, преобразования и представления экипажу информации, необходимой для выполнения полетного задания:

• параметров углового положения самолета относительно его центра масс и траектории полета;

• директорных команд и режимов автоматического управления полета;

• высотно-скоростных параметров и аэродинамических ограничений полета;

• навигационных параметров, включая представление синтезированной карты и параметров траектории полета, по данным вычислительной системы самолетовождения;

• параметров и состояния силовой установки и общесамолетных систем;

• метеоинформации по данным метеорадиолокатора;

• параметров состояния воздушной обстановки вблизи самолета по данным бортовой системы предупреждения столкновений и УВД;

• сигналов предупреждения об отказах датчиков и режимах работы пилотажно-навигационного оборудования.

СОИ - важнейшая часть эргатических (человеко-машинных) систем. Это оборудование обеспечивает экипажу высокий уровень ситуационной уверенности, увеличивая эффективность управления и улучшая безопасность.

Рассмотрим характерные особенности СОИ.

По тому, какими органами чувств члены экипажа воспринимают информацию, устройства отображения делятся на визуальные, звуковые и тактильные индикаторы.

Визуальные, в свою очередь, подразделяются на индикаторы прямого видения, коллиматорные, паравизуальные индикаторы, а также сигнализаторы. Наиболее распространены индикаторы прямого видения. В коллиматорных индикаторах совмещаются изображения естественного фона закабинного пространства и отображаемые летчику символы. Развитием коллиматорных индикаторов стали нашлемные системы отображения информации.

Паравизуальные устройства отображения информации используют возможности периферической области поля зрения человеческого глаза. Они распространены меньше других визуальных индикаторов.

Звуковые устройства отображения информации прошли путь от простых звуковых сигнализаторов типа звонка, зуммера или сирены до речевых информаторов. Речевые информаторы, первоначально представлявшие собой магнитофоны, на магнитных лентах которых были записаны речевые сообщения летчику, постепенно трансформируются в электронные цифровые устройства синтеза речи.

Тактильные устройства отображения информации в виде толкателей ручки управления или штурвала используются на ряде типов самолетов для предупреждения выхода на предельные режимы полета и для подсказки экипажу правильного направления воздействия на органы управления в кабине.

В истории авиаприборостроения могут быть выделены несколько основных этапов развития средств отображения информации.

На первом этапе — до начала тридцатых годов XX века — устройства визуального отображения информации были механическими или естественно-визуальными (например, наблюдение за уровнем топлива в баке по уровню топлива в мерной стеклянной трубочке) без передачи информации на расстояние.

В качестве одного из первых устройств отображения информации можно назвать авиационное оптическое прицельное устройство для бомбометания, которое предложил в 1880-х годах А.Ф.Можайский.

Первый в мире коллиматорный прицел разработали в 1917 году российские конструкторы И.А.Рубинский, К.А.Ушаков и А.В.Раковский. Эта принципиально новая прицельная система была высоко оценена Н.Е.Жуковским, однако в то время промышленность не могла практически его реализовать, и на самолетах устанавливались простейшие прицельные приспособления.

В 1926-1928 годах в ряде научных трудов предпринимались попытки выработать практические рекомендации по расположению приборов перед глазами летчиков: книга В.Г.Немчинова «Авиационные приборы», статья С.П.Розенберга «О стандартизации монтажной доски приборов учебных самолетов» в журнале «Вестник воздушного флота» и другие работы.

На втором этапе — 1930-1945 годы — механические устройства отображения информации в кабине дополнили электромагнитные стрелочные логометры и гальванометры, а также светосигнализаторы и звуковые сигнализаторы. Были продолжены научные работы в области инженерной психологии летного труда. В 1930 году вышла из печати книга врача и летчика Н.М.Дочаева «Летный труд», где впервые был четко определен инженерно-психологический подход к проблемам развития авиации. Эти же вопросы были рассмотрены в книге С.Г.Френкеля «Авиационные приборы» (1934). Первые в СССР практические руководства по проектированию приборных досок были изложены в книгах В.Г.Григорьева «Оборудование самолетов» (1938) и Н.Ф.Кудрявцева «Размещение навигационного оборудования на приборных досках самолетов» (1939).

Для автоматических навигационных вычислителей того времени - автоштурманов — разрабатывались первые планшетные механические и электромеханические индикаторы.

Особенно активно велись работы по созданию удобных и эффективных оптических стрелковых и бомбардировочных прицелов для самолетов-истребителей и бомбардировщиков. Они облегчали работу летчика, штурмана и бортстрелка за счет ряда усовершенствований. Так в 1933 году в Военно-воздушной инженерной академии им. Н.Е.Жуковского был разработан механический кольцевой прицел КПТ-4, учитывающий собственную скорость самолета. Тогда же началось серийное производство полуавтоматического оптического прицела типа ОПБ-2 для бомбометания с горизонтального полета. Он устанавливался на самолеты ТБ-3 и ДБ-3.

В тридцатых годах в конструкторских бюро М.А.Резунова, С.И.Буяновера, И.Б.Дунда были разработаны прицелы перископического и коллиматорного типов, дополненные полуавтоматическими вычислителями, гироскопическими измерительными и стабилизирующими устройствами. Они нашли широкое применение на всех боевых самолетах отечественного производства.

На третьем этапе — 1945-1964 годы — в кабинах ряда самолетов были установлены первые индикаторы радиолокаторов на электронно-лучевых трубках. Расширялось производство электромеханических индикаторов. В 1948-1953 годах под руководством Г.А.Винна были разработаны первые электромеханические бортовые авиационные указатели контроля силовых установок и топливной системы, были созданы первые высокоточные индикаторы пилотажно-навигационных параметров на основе потенциометрических и сельсинных электромеханических следящих систем. Среди них дистанционные указатели курсовых систем, указатель дистанционного авиагоризонта типа АГД-1 и другие приборы.

Совершенные для своего времени полуавтоматические коллиматорные прицельные индикаторы типа АСП со встроенными гироскопическими устройствами были разработаны в сороковых-шестидесятых годах под руководством С.И.Буяновера. Они использовались при применении как стрелкового оружия, так и неуправляемых ракет. Помимо угловой скорости и дальности до цели в прицелах АСП учитывались скорость и высота полета, углы атаки и скольжения. Эти прицелы соответствовали лучшим мировым образцам того времени и использовались на ряде самолетов (МиГ-19, МиГ-21, МиГ-23 и других).

Создание в 1957 году первого боевого авиационного комплекса на базе истребителя-перехватчика Су-9 и автоматизированной системы управления (АСУ), связанных между собой радиолинией передачи данных «Лазурь», потребовало разработки специальных авиационных приборов с подвижными индексами, указывающими заданные значения параметров полета, которые передавались с наземного командного пункта управления АСУ «Воздух» на борт истребителя-перехватчика.

Новым направлением авиационного приборостроения стала разработка на рубеже пятидесятых-шестидесятых годов приборов информационно-управляющего поля первых в мире пилотируемых космических аппаратов «Восток». Ведущую роль в этом сыграли специалисты лаборатории 47 филиала Летно-исследовательского института под руководством С.Г.Даревского. Участие в этих работах приняли и специалисты других организаций. Так в 1959-1964 годах на базе опыта, полученного при разработке аналогичных приборов для авиации, под руководством В.В.Медведева были созданы первые в мире навигационные индикаторы космонавта для оборудования космических кораблей «Восток». Их совершенствование привело к появлению аналогичных индикаторов для космических кораблей «Восход» и «Союз». Одновременно были разработаны первые в мире ручки управления ориентацией и движением пилотируемого космического корабля. Эти индикаторы и органы управления, длительное время производились серийно на заводе «Пирометр» (г. Ленинград).

На четвертом этапе — 1964-1975 годы — отечественные авиаприборостроители создали высокоточные электромеханические индикаторные приборы со следящими системами на основе синусно-косинусных и линейных вращающихся трансформаторов.

Важным новшеством, существенно повышающим качество пилотирования и самолетовождения, стали разработанные в СССР первые командно-пилотажные (КПП) и навигационно-плановые (НПП) приборы, входившие в комплект системы директорного пилотирования «Привод» и в некоторые системы автоматического управления (САУ). В этих системах предусматривался директорный режим захода на посадку, а в боевых самолетах — директорное наведение истребителя в район цели. В этот же период были разработаны концепция, алгоритмы, базовые схемно-конструктивные решения, обеспечивающие заданный уровень безопасности системы посадки самолета до касания поверхности ВПП.

В прицельных индикаторах радиолокаторов самолетов-истребителей стали применяться сначала электромеханические, а позднее — электронные стрелки и символы, указывающие и командные.

Повсеместное внедрение реактивных самолетов, переход от реактивных самолетов первого поколения с дозвуковыми скоростями к сверхзвуковым самолетам второго поколения стимулировало теоретические исследования в области человеко-машинных систем. В 1964 году в СССР была опубликована книга В.Г.Коренева «Введение в механику управляемого тела». Автор предложил общую методику и единый математический аппарат, позволяющие исследовать сложные человеко-машинные системы - системы, в которых осуществляется взаимодействие человека-оператора и машины.

В ходе совершенствования бортовых средств сигнализации экипажу о критических ситуациях впервые на самолетах МиГ-25, Ан-12, Ил-76, вертолетах Ми-24 и некоторых других летательных аппаратах были установлены первые речевые информаторы. Широко распространенным устройством этого класса стал речевой информатор типа РИ-65.

Для наглядного отображения местоположения воздушного судна на маршруте в ОКБ «Электроавтоматика» (г. Ленинград) были разработаны электромеханические автоматические планшеты типа ПА-3 для самолетов Ту-154 и Як-42, вертолета Ми-24. В этот же период был создан электромеханический планшет для дальнего истребителя-перехватчика МиГ-31.

На пятом этапе — 1975-1985 годы — были созданы проекционные электромеханические индикаторы, первые многофункциональные индикаторы прямого видения на монохромных электроннолучевых трубках и опытные цветные многофункциональные индикаторы на ЭЛТ для военных и гражданских летательных аппаратов.

Основным направлением совершенствования бортовых авиационных средств отображения информации стало исследование и разработка единых полиэкранных систем со взаимно резервированными каналами для представления экипажу пилотажно-навигационных и специальных данных, параметров силовой установки, топливной системы, самолетных систем и сигнализации на базе цветных и монохромных электронно-лучевых трубок и оптоэлектронных панелей. При этом использовались цифровые средства вычисления и формирования изображения, внешние связи по мультиплексным информационным каналам, модернизированные коллиматорные индикаторы с рефракционной и, в последующем, голографической оптикой, картографические индикаторы навигационно-тактической обстановки с рулонными картами и микрокартами.

Для базового цифрового навигационного комплекса «Пижма-2» самолета Ил-86 в ОКБ «Электроавтоматика» был разработан оригинальный проекционный электромеханический индикатор типа ИНО-2, в котором изображение радионавигационной карты с диапозитивной микропленки проецировалось оптической системой на экран. Аналогичный индикатор эксплуатируется на крупнейшем в мире серийном транспортном самолете Ан-124 «Руслан» и других гражданских и военных самолетах.

В 1973 году для истребителя МиГ-23 на основе электронно-лучевой трубки «Куница» был создан коллиматорный индикатор «Зрачок-2» с углом поля зрения оптической системы 25 градусов. Позднее, в 1977 году, для истребителей Су-27 и МиГ-29 был разработан коллиматорный индикатор ИЛС-31 с углом поля зрения 25 градусов, а к 1985 году — опытный голографический индикатор с углом поля зрения 30x24 градусов. Для перспективных транспортных самолетов в 1984 году была выполнена оригинальная разработка - первый отечественный коллиматорный взлетно-посадочный индикатор на уровне лобового стекла с углом поля зрения 40x14 градусов. Ведущими разработчиками оптических систем коллиматорных индикаторов являются сотрудники Государственного оптического института им. С.И. Вавилова М.А.Ган и Г.Б.Семенов и другие.

Эволюция тактики воздушного боя, повышение роли маневренности при больших перегрузках и вблизи границ летных ограничений самолета, а также появление систем высокоточного управляемого авиационного вооружения с лазерными и телевизионными системами наведения потребовали создания комплексных систем индикации. В одной из первых таких систем единой индикации, разработанной в 1976-1977 годах для истребителя-бомбардировщика МиГ-27К, были объединены в одном комплексе коллиматорный прицел типа С-17ВГ и первый многофункциональный индикатор прямого видения (ИПВ). На ИПВ было предусмотрено отображение информации от телевизионных камер, расположенных на борту самолета (система «Кайра-1»), а также в головной части управляемой ракеты или корректируемой авиационной бомбы с телевизионной головкой самонаведения.

Позднее для высокоманевренных реактивных истребителей четвертого поколения типа МиГ-29 и Су-27 в ОКБ «Электроавтоматика» были созданы системы единой индикации «Нарцисс» на основе коллиматорного индикатора типа ИЛС-31 и индикатора прямого видения. ИЛС-31 обеспечивает отображение в удобной для летчика форме основной пилотажно-навигационной информации, что облегчает процесс пилотирования, особенно в маневренном воздушном бою. Повышение боевой эффективности самолетов четвертого поколения обеспечивалось также использованием нашлемной системы целеуказания, совмещенной с прицельным комплексом. Выдающийся вклад в создание систем единой индикации внесли П.А.Ефимов, В.Д.Суслов и другие специалисты.

В начале 1980-х годов для дальнего истребителя-перехватчика МиГ-31 в МПКБ «Аэроприбор-Восход» впервые в мире был создан коллиматорный прицельно-пилотажный индикатор типа ППИ-70 с отображением цветных символов.

Продолжались работы в области создания индикаторов прямого видения и систем отображения картинной информации. В частности, были разработаны экспериментальные комбинированные электронно-электромеханические навигационно-тактические индикаторы, в которых сочетались проецирование карты местности на экран и электронное отображение информации на газоразрядной индикаторной панели, установленной поверх экрана. На ГИП выводились графические символы тактической обстановки, наложенные на проецируемую оптическим проектором карту местности. Одним из таких приборов стал автоматический комбинированный планшет «Гранат».

Однако магистральным направлением развития индикаторов прямого видения в это время являлось создание многофункциональных индикаторов на основе электронно-лучевых трубок. При этом последовательно увеличивались размеры информационного поля приборов. Если размер экрана ИПВ (1979 год) был 88x108 мм, то ЭЛИ и ЭЛИ-2 (1984 год) уже имели экран размером 130x130 мм, а индикаторы ЭЛИ Ц (1982), ЭЛИ МЦ (1986) - 145x145 мм.

Появление на борту самолета ЦВМ потребовало разработки новых электромеханических индикаторов, которые отображали бы передаваемые на них параметры в соответствии со стандартом цифрового обмена ARINC-429. Серия таких приборов была создана в Раменском приборостроительном конструкторском бюро (РПКБ).

Крупномасштабные научно-исследовательские работы по системам отображения информации, проведенные в НИИ АО, ГосНИИАС, Государственном испытательном научно-исследовательском институте (авиационной и космической медицины) Министерства обороны РФ, Летно-исследовательском институте им. М.М.Громова, ОКБ «Электроавтоматика», Ульяновском приборостроительном конструкторском бюро и в других организациях, позволили приступить к созданию перспективных систем электронной индикации для самолетов гражданской авиации типа Ту-204, Ил-96, Ил-114 и других. Для перспективных самолетов ГА впервые в стране были разработаны опытные коллиматорные взлетно-посадочные индикаторы.

На шестом этапе — с 1985 года — ведется активный поиск альтернативы электронно-лучевым приборам, которые обладают рядом недостатков, мешающих совершенствовать устройства и методы формирования изображения, обеспечивать надежное функционирование индикатора как при высоких яркостях солнечного света в кабине самолета, так и в широком диапазоне температур, механических и других воздействий.

Основным направлением исследований стало создание интегральных цифровых информационно-управляющих адаптивных систем с большими активными экранными панелями и развитыми средствами синтеза картинных цветных изображений для оптимизированного представления экипажу всего объема информации, необходимой в конкретных условиях полета. При этом используются мультипроцессорные иерархически организованные цифровые средства обработки информации и формирования изображения, панорамные коллиматорные индикаторы с голографической оптикой, картографические и панорамные средства индикации полетной обстановки с электронным синтезом графических и градационных изображений по цифровой информации базы данных, сенсорные, речевые и нашлемные средства управления.

В ходе поиска альтернативных экранных индикаторов исследовались и создавались опытные индикаторы на газоразрядных индикаторных панелях (ГИП) и других приборах. В конечном итоге предпочтение было отдано монохроматическим и цветным жидкокристаллическим панельным индикаторам.

Совершенствование вычислительной техники, методов и средств искусственного интеллекта позволило приступить к созданию опытных бортовых электронных синтезаторов человеческой речи, качественно усовершенствовать устройства формирования изображения за счет использования видеопроцессоров.

С созданием в ГОИ им. С.И.Вавилова голографических и широкоугольных коллиматорных оптических систем связано усовершенствование индикаторов на уровне лобового стекла.

Появление многочисленных летательных аппаратов авиации общего назначения и ультралегких летательных аппаратов потребовало создания оборудования, обеспечивающего безопасность полетов этих ЛА. В НИИ АО и БПО «Экран» (г. Борисов, Беларусь) с этой целью был разработан ряд малогабаритных интегрированных комплексов бортового оборудования (МИКБО).

Деятельность экипажа в процессе полета на современном ЛА связана с выполнением сложной интеллектуальной работы, требующей быстрого анализа значительных объемов информации и оперативного принятия решения. Поэтому одна из актуальных задач авионики — создание систем интеллектуальной поддержки экипажа в особых ситуациях для пассажирских и транспортных самолетов, а также для боевых самолетов и вертолетов. К ним относятся экспертные советующие системы, которые обеспечивают подсказки летчику при пилотировании на предельных режимах, в воздушном бою, в аварийных ситуациях, в случаях отказа оборудования и т.п.

Средства отображения информации самолетов этого поколения приобретают ряд новых особенностей. Среди них — отображение пространственной ориентации в привязке к местности, вектора скорости самолета в привязке к параметрам пространственной навигации, наземных и воздушных объектов в реалистичных образах; отображение средствами трехмерных графических и звуковых образов состояния воздушной обстановки и наземных средств обслуживания и управления воздушным движением.

Все это требует повышения качества отображения информации. Кабина летчика должна быть оснащена биоадаптивной системой индикации с управляемыми летчиком объемом и видом представления информации на многофункциональных электронных индикаторах. Реалистическое изображение в сочетании с режимом интерактивного управления позволит летчику эффективно взаимодействовать с бортовым оборудованием.