Взгляд в будущее авионики для пилотируемых самолетов

Конструкция планера и двигателя не сильно изменилась за последние десятилетия и, за исключением возможностей, предоставляемых электрической силовой установкой, вероятно, не будет существенно прогрессировать в ближайшем будущем. Однако конструкция авионики и способы управления все более электронными самолетами находятся в прогрессивно развитии. Будущее авионики не просто наступает: оно уже здесь и глубоко влияет на то, как мы летаем.

Одним из наиболее интересных событий является снижение стоимости передовых систем управления полетом — автопилотов — и то, как некоторые из них почти трансформируются в электродистанционное управление. В конечном итоге это облегчит полеты и позволит большему количеству людей стать безопасными пилотами без огромного бремени обучения, которое приходится нести сегодняшним пилотам. Технический термин для этого — упрощенное управление транспортными средствами (SVO), и он находит применение во всех сегментах авиации, особенно в будущих самолетах усовершенствованной воздушной мобильности (AAM).

Honeywell: дополненная реальность

Эндрю Баркер, вице-президент Honeywell Aerospace по интегрированному авиационному оборудованию, тратит много времени на размышления над этими вопросами, наблюдая за разработкой следующей платформы авионики компании — Anthem. «Существует так много разведывательных данных, из которых мы могли бы извлечь выгоду, — сказал он, но, как правило, конструкция авионики продолжает включать традиционные способы взаимодействия пилотов. — Поскольку физических средств управления становится меньше, а автономность и интеллект авионики проявляются, пилотам становится более комфортно полагаться на авионику. Итак, это пересечение (пилотный интерфейс) меняется весьма существенно: мы создаем более умные и функциональные системы авионики».

Простым примером является барометрические настройки, которые выполняются пилотами вручную. Единственная недавняя автоматизация этой функции заключалась в синхронизации настроек всех высотомеров на приборной панели, чтобы пилотам не приходилось забывать регулировать настройку барометра на каждом основном и каждом резервном дисплее полета.

«На самом деле, — спросил он, — если моя авионика достаточно умна, нужен ли мне физический барометрический контроль? Я могу получить показания барометра по радио. Моя авионика может сказать — вы только что получили обновление барометрического показателя, вы хотите его принять? Да или нет».

Платформа Anthem изучает подобные концепции, а также голосовое управление и сочетание сенсорных экранов и физических элементов управления. Как и в случае с платформой авионики Epic, но в еще большей степени, производители самолетов смогут адаптировать интерфейсы Anthem к своим конкретным потребностям. Anthem предназначен для малых и больших самолетов в каждом сегменте. На данный момент он был выбран разработчиками AAM Upper Aerospace, Lilium и Supernal, и в ближайшее время ожидаются новые анонсы OEM.

Одним из огромных преимуществ всей работы, проводимой над управлением полетом AAM, является то, что электродистанционные системы адаптируются к меньшим транспортным средствам, что приведет к перемещению сложных средств управления на рынок легких самолетов. «Это цель того, что мы сделали с нашим компактным электродистанционным управлением, — объяснил Баркер. — Давайте принесем безопасность и возможности этой электродистанционной системы в авиацию общего назначения. Наша компактная электронная система управления — огромный шаг в этом направлении».

Баркер считает, что авионика развивается так, что электродистанционное управление полетом становится основой самолета и авионики — упрощенный континуум операций с транспортными средствами. 

Этот континуум, в конечном итоге может представлять собой одного пилота, поддерживаемого командой на земле, подключенной через защищенные каналы связи к самолету. Одной из многих функций Anthem является возможность подключения к облаку, и это облегчит работу такого рода. Наземному оператору могут понадобиться только сенсорные экраны и клавиатура, а не физические элементы управления. «Может быть, когда мы полностью перейдем на землю, все станет сенсорным управлением», — добавил Баркер.

В дополнение к этим разработкам компания Honeywell возглавляет исследования по применению искусственного интеллекта (ИИ) для поддержки однопилотных операций в рамках совместного проекта Европейского Союза SESAR 3. Цель состоит в том, чтобы разработать цифровых помощников на базе искусственного интеллекта и систему сотрудничества между человеком и искусственным интеллектом для поддержки как расширенных операций с минимальным экипажем, так и операций с одним пилотом, обеспечивая тот же (или более высокий) уровень безопасности и ту же (или меньшую) рабочую нагрузку, что и операции.

В проекте «Цифровые помощники для снижения рабочей нагрузки и расширения сотрудничества» (Darwin) участвуют партнеры Pipistrel, немецкий исследовательский институт DLR, Eurocontrol, EASA. Исследование будет проводиться в центре разработки Honeywell в Брно, Чехия.

Darwin будет использовать команду человека и искусственного интеллекта для решения ключевых проблем, связанных с выполнением полетов одним пилотом на воздушных транспортных самолетах, в том числе:

• необходимость поддерживать достаточно низкую рабочую нагрузку в кабине, чтобы один человек мог справиться даже с самыми сложными ситуациями; 
• необходимость замены второй пары глаз для перекрестной проверки действий командира летчика; 
• и необходимость обнаружения и смягчения последствий выхода из строя пилота. 

Universal Avionics: гражданиские и военные миссии объединяются

Компания Universal Avionics завершила первоначальные летные испытания своей программной интерактивной системы управления полетом (i-FMS) в Австрии на государственном вертолете Bell 212. Испытания являются частью совместных усилий с материнской компанией Universal Elbit, тестирующей i-FMS в качестве дополнения к боевым компьютерам вертолета. 

Цель испытаний — задействовать возможности NextGen с использованием функций глобальной навигационной спутниковой системы. По данным Universal, к ним относятся RNAV (зональная навигация), RNP (требуемые навигационные характеристики) и VNAV (вертикальная навигация), которые будут использоваться на всех этапах при полете в гражданском воздушном пространстве и без специального управления воздушным движением. 

«Объединив управление гражданскими и военными миссиями без специального вмешательства со стороны УВД, клиенты могут воспользоваться самыми современными и эффективными возможностями полета», — сказал генеральный директор Universal Дрор Яхав. 

Во время испытательных полетов пилоты продемонстрировали схемы ожидания и плавающие путевые точки в гражданском воздушном пространстве, а также загрузку и полет SID/STAR, использование RNAV на вертодромах и аэропортах и ​​обратно, а также использование фактических и требуемых навигационных характеристик, позволяющих системе обеспечивать наведение по VNAV при наборе высоты, круиз и спуск. Дальнейшие улучшения были реализованы во время очередных летных испытаний в октябре.

Программное обеспечение i-FMS может размещаться на различных аппаратных платформах, и клиенты могут указать желаемые функции. По словам представителей Universal, в будущем i-FMS будет интегрирован с головным дисплеем SkyLens от Universal, чтобы проецировать путевые точки и информацию от FMS в реальный мир. Эта дополненная реальность позволит пилотам, например, взаимодействовать с функциями посредством отслеживания головы/глаз и кнопки выбора на дросселе самолета.

TSO'd Aperture от Universal использует несколько видеовходов для обеспечения улучшенного изображения на дисплеях кабины экипажа. По данным Universal Avionics, Aperture обрабатывает восемь видеопотоков и может передавать их четырем независимым пользователям, «повышая безопасность и улучшая процесс принятия решений летными экипажами и специалистами полетов».

По словам представителей Universal, благодаря практически нулевой задержке Aperture соответствует уровню безопасности проектирования A, самому высокому уровню целостности в коммерческой авиации. В ходе продолжающейся разработки будут добавлены больше видео/сенсорных каналов, агрегирование и манипулирование видео с малой задержкой, а также генерация синтетических изображений. В конечном итоге компания планирует использовать эти возможности для предоставления решений дополненной реальности, которые могут включать в себя визуальное позиционирование, обнаружение препятствий, управление рулением и осведомленность о дорожном движении, чтобы значительно улучшить их ситуационную осведомленность в средах с высокой рабочей нагрузкой.

Collins Aerospace: ощущение восприятия

Адам Эваншварц, возглавляющий продуктовое подразделение авионики Collins Aerospace, обрисовал технологические границы, над которыми работает компания, которые можно рассматривать как строительные блоки для будущих решений для самолетов и кабин пилотов. Все они направлены на повышение безопасности за счет снижения нагрузки на пилотов.

«Ощущение восприятия» включает в себя датчики, которые в будущем помогут пилоту и самолету понять, что происходит во внешнем мире, например, распознавание изображений, чтобы самолет мог обнаруживать и избегать несогласованного движения. Системы посадки на основе видения дополнят информацию, которую пилоты получают от усовершенствованных систем полетного видения и проекционных дисплеев, включая датчики миллиметрового диапазона, и будут использовать всю эту информацию для облегчения рабочей нагрузки пилота, например, автоматически предупреждая, что что-то блокирует ВПП. 

Устойчивая навигация является еще одним важным строительным блоком, который решает проблемы с помехами и спуфингом GNSS, а также помехами сотовой связи 5G-радарным высотомерам.

На прошлогодней выставке NBAA-BACE компания Collins продемонстрировала свою систему поддержки пилотов, которая использует датчики в кабине экипажа для сбора объективных данных о бдительности пилотов. «Это большой рубеж во всех сегментах, которые мы обслуживаем, — сказал Эваншварц. — Все начинается с концепции системы управления рисками, связанной с утомляемостью, и мнения о том, что ее важно иметь, но в значительной степени зависит от субъективных отчетов отдельных лиц для оценки своего состояния усталости».

Collins работает над усовершенствованными сенсорными системами, которые могли бы заменить устаревшие системы — компьютеры данных о воздухе, основанные на входах пневматического давления и разнородных входах, которые обеспечивают еще один уровень резервирования. Вместо того, чтобы полагаться на пилотов, чтобы определить, когда входные данные плохи, система предназначена для оценки качества разнородных входных данных и выбора лучшего.

Блок связи рассматривает возможность постоянного подключения авионики в полете. Идея состоит в том, чтобы снизить нагрузку на экипаж, позволив авионике выполнять всю работу. Например, вместо того, чтобы заставлять пилота вводить новую частоту, авионика могла бы обработать это как функцию принудительной загрузки в FMS. Коллинз также работает над обработкой естественного языка, преобразованием речи в текст и наоборот, для повседневного общения с диспетчерами.

Наконец, Collins занимается автоматизацией задач в кабине экипажа с помощью простых мер, которые снизят рабочую нагрузку пилотов. Используя обширные сенсорные возможности, которые уже встроены в современные самолеты, авионика может проверять элементы контрольного списка. Если в контрольном списке указано, например, включить посадочное освещение, он может опросить датчики и подтвердить, что посадочное освещение включено, и отобразить этот элемент как выполненный. Дальнейшим расширением этой концепции является использование контрольного списка в качестве входных данных для управления, позволяя ему не только подтверждать, что элемент выполнен, но и вносить изменения. Это может значительно сократить время, необходимое для подготовки самолета к полету.

SVO является продолжением тенденции к упрощению самолетов и уменьшению количества членов экипажа, пояснил Эваншварц. «Мы используем преимущества этих строительных блоков и возможностей при проектировании кабины экипажа. Это важно для постоянного улучшения авиационной безопасности… и это также очень естественно, учитывая, где мы находимся с сегодняшним состоянием техники и что, вероятно, будет впереди в следующем поколении самолетов и кабин экипажа».

Thales: кабина будущего

По словам Марка Дюваля-Дестена, вице-президента по стратегии, продуктам и инновациям в сфере летной авионики, деятельность Thales в области авионики сосредоточена на трех основных тенденциях: переориентация человеческих ресурсов на их стратегические дополнительные преимущества и преимущества для принятия решений; все более интеллектуальная автоматизация, включая искусственный интеллект, для обслуживания людей, и сверхразвитое сотрудничество на земле и на борту благодаря все более доступной, надежной и киберзащищенной связи.

Десять лет назад компания Thales начала работать над своей концепцией «кабины будущего», которая должна быть внедрена в вертолеты к 2027 году. Одним из результатов этого исследования является система с большим дисплеем FlytX, предназначенная для сокращения обучения, оптимизации рабочей нагрузки и повысить безопасность, и отображать только актуальную и необходимую информацию, когда это необходимо. Хотя управление с помощью сенсорного экрана лежит в основе FlytX, авиастроители могут включить в него устройства управления курсором и клавиатуры.

Еще один инструмент, разработанный Thales, — это PureFlyt, подключенная FMS, которая связана с системами, не связанными с авионикой, такими как электронные полетные сумки и центры оперативного управления, и которая может использовать информацию о погоде в реальном времени, помогая пилотам оптимизировать траекторию полета.

Хотя электродистанционное управление полетом в основном используется в более крупных самолетах, Thales ищет возможности применить эту технологию к меньшим самолетам, особенно к городским аэромобильным и электрическим самолетам. «Мы убеждены, что электронное управление является преимуществом для безопасности, производительности и комфорта самолетов», — сказал он. В более крупных самолетах, добавил он, защищая самолет от высоких нагрузок, электродистанционное управление позволило авиаконструкторам уменьшить конструкционный вес самолета, обеспечив экономию топлива и гораздо большую дальность полета.

Thales производит компоненты электродистанционного управления, в частности компьютеры управления полетом, для самолетов Gulfstream с большим салоном, начиная с G650 и последней модели G700.

Поскольку все больше самолетов внедряют электродистанционное управление, Дюваль-Дестин сказал: «Эти возможности позволят производителям самолетов вводить новые функции — и они это делают — для расширения возможностей и безопасности своих самолетов».

Garmin: кульминация технологий

Garmin постепенно добавляет полезные новые функции не только в свои интегрированные системы авионики, но и в отдельные продукты, и многие из этих функций входят в состав компании Autonomi. Autonomi была создана после появления семейства продуктов Garmin для помощи в управлении полетом, и с тех пор к ним было добавлено больше возможностей. Сюда входят электронная система стабилизации и защиты (ESP) в автопилотах, режим аварийного снижения для бизнес-джетов, Autoland для самолетов с одним пилотом, интеллектуальное смещение руля направления для помощи при отказе двигателя в многомоторных самолетах и ​​Smart Glide для автоматического направления самолетов в подходящий аэропорт в случае отказа двигателя.

Фактически, Autoland стал кульминацией предыдущих технологий. «Они все работали вместе, — сказал Дэн Линд, старший директор по авиационным продажам и маркетингу. — ESP может активировать режим аварийного спуска, который может превратиться в активацию Autoland». Сама ESP развилась с момента ее внедрения на одномоторных самолетах Cirrus SR в 2008 году, добавив возможность превышения, понижения скорости и комбинированного ухода на второй круг. «Он расширился до собственного небольшого набора технологий, который в целом повысил безопасность», — сказал он.

«На самолетах Cirruses, оснащенных системой ESP, не было случаев потери управления в полете, — сказал Фил Штрауб, исполнительный вице-президент и управляющий директор Garmin по авиации. — Из-за этого многие люди вернулись к своим близким».

Функция ESP доступна не только во встроенных кабинах экипажа Garmin, но и в ее самом дешевом автопилоте GFC 500. Таким образом, преимущества доступны для любого самолета, который может быть сертифицирован для установки GFC 500, включая Cessna 195, который был последним, прошедшим процедуру STC в ангаре Garmin в Олате, штат Канзас, в ноябре. «Эти самолеты, выпущенные в 1950-х годах, будут иметь ESP и подобные виды защиты», — сказал Штрауб.

Avidyne: интеграция ИИ

«Как на уровне OEM, так и на уровне модернизации, управление полетом будет там, где будет происходить большая часть действий», — сказал Дэн Швинн, президент и генеральный директор Avidyne. Десятки тысяч самолетов имеют старые автопилоты, которые либо плохо интегрированы с авионикой, либо не подлежат ремонту. «Люди ищут, что будет дальше», — сказал он. Нынешние автопилоты авиации общего назначения, добавил он, являются базовой технологией, и мы должны ожидать прогресса в разработке от этой базовой технологии.

Avidyne также работает с компаниями AAM над интегрированными системами авионики и искусственным интеллектом, встроенным в авионику новых электрических самолетов.

Эти технологии созданы не просто ради технологии, а направлены на повышение безопасности и полезности, а также на повышение комфорта пилотов в использовании своих навыков. «У этого так много преимуществ», — объяснил он. «Есть безопасность, когда вы находитесь в неблагоприятных условиях или если вы немного заржавели. Существует возможность иметь очень безопасные личные минимумы, которые немного более агрессивны, основанные на наличии действительно хороших систем на борту. [Это] означает, что вы можете больше использовать свой самолет, а это значит, что вы просто увеличиваете полезность [вашего самолета]».

По словам Швинна, это будет естественный переход, поскольку люди все больше привыкают к автомобильным функциям, таким как ассистент движения по полосе и автоматическое торможение, все эти вещи становятся все более и более популярными.

«Технологии открыли гораздо более широкий спектр возможных решений. Первое внедрение интегрированных кабин экипажа в 2000-х годах стало огромным шагом вперед по сравнению с механическими приборами. Следующее поколение разместит на этих экранах гораздо больше полезных вещей, и, будем надеяться, не таким образом, чтобы их было сложнее использовать. Теперь я думаю, что в следующие 10 лет будет гораздо больше инноваций, много инноваций в авионике».

Genesys Aerosystems: ставка на безопасность

По словам старшего менеджера по маркетингу Эдварда Попека, Genesys Aerosystems, компания Moog, видит ключевые разработки в области авионики в модульности систем, интеграции искусственного интеллекта и иммерсивных кабинах с большими дисплеями, виртуальных вторых пилотах и ​​других передовых технологиях. «Поскольку программное обеспечение и вычислительная мощность продолжают улучшаться, это естественный переход к гибким платформам, адаптируемым к конкретным потребностям миссии, обработке искусственного интеллекта и оповещению о действиях пилота, а также интеграции большего количества элементов виртуальной реальности в кабину для улучшения ситуационной осведомленности и эффективности миссии».

Одной из основных линий продукции Genesys являются автопилоты, но компания также производит пилотажные дисплеи и радиоприемники, а также полный комплект авионики для самолетов и вертолетов. Как и другие производители авионики, Genesys изучает расширенные функциональные возможности, которые помогут пилотам безопасно летать в различных погодных условиях. «Мы предполагаем дальнейшую интеграцию дополнительных функций, которые помогут пилоту в экстренных ситуациях, таких как автоматическая посадка и автомат тяги, а также авторотация для вертолетов, — сказал Попек. — Мы также предусматриваем дополнительные функции, которые позволят использовать самолеты с одним пилотом в условиях ППП, такие как удержание на висении для вертолетов и более низкая минимальная точность для полета в условиях плохой видимости».

Попек сказал, что Genesys видит эволюционные изменения вместо радикальных технологий из-за необходимости исчерпывающих испытаний и высоких уровней критичности безопасности для обеспечения безопасности полетов. Это означает, что мы увидим более крупные дисплеи с большим количеством программных функций и большей функциональностью, встроенной в существующую авионику».