ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ САМОЛЕТОВ. Ю.Е. КУЗЬМИНА [1981 Матвеев С.С. - Исследования по истории и теории развития авиационной и ракетно-космической науки и техники]

Одной из характерных черт современной научно-технической революции является интенсивная автоматизация управления различными процессами. Это обстоятельство выдвинуло в число наиболее актуальных проблем современности проблему создания систем управления, в которых было бы обеспечено наиболее эффективное взаимодействие человека и технических средств.

Особенно остро эта проблема стоит при создании систем управления летательными аппаратами, в частности самолетами, где задачи управления столь сложны, что их выполнение немыслимо без использования экипажем сложнейшей аппаратуры, называемой пилотажно-навигационным оборудованием.

В состав пилотажно-навигационного оборудования входит большое количество различных по принципу действия и функциональному назначению технических устройств: приборов, автоматов, агрегатов. Каждое из таких устройств имеет собственную интересную историю. Поэтому одним из первых вопросов, который необходимо было решить при проведении настоящего исследования - это выбор такой точки зрения на пилотажно-навигационное оборудование, которая позволила бы выявить общие черты и тенденции в развитии всего этого оборудования и показать его роль в совершенствовании авиации как вида транспорта.

Прежде чем рассказать, как был решен этот вопрос, необходимо условиться о терминологии.

Под управлением полетом самолета подразумевается процесс, осуществляемый системой управления, результатом которого должно быть выполнение задачи полета, в общем случае достижение намеченной области пространства в заданное время с заданными значениями параметров полета.

Под системой управления понимается система, включающая в себя самолет - объект управления, экипаж и пилотажно-навигационное оборудование; при этом экипаж и пилотажно-навигационное оборудование осуществляют следущие функции (рис. 1): а) получение информации, б) обработку информации, в) анализ информации, г) принятие решения, д) исполнение решения, е) контроль работы пилотажно-навигационного оборудования.

Термин «пилотажно-навигационное оборудование» (ПНО) обозначает здесь совокупность всех технических средств, используемых экипажем для управления полетом самолета.

Из принятого определения системы управления следует, что эта система рассматривается как система «человек - машина». Такое определение удобно тем, что может быть использовано при рассмотрении ранних стадий развития авиации, когда пилотажно-навигационного оборудования практически не существовало, но управление полетом, безусловно, осуществлялось экипажем.

Рис. 1. Функциональная универсальная схема системы управления полетом самолета

В процессе развития авиации пилотажно-навигационное оборудование претерпевало существенные изменения. Эти изменения находили отражение в изменении форм взаимодействия экипажа с пилотажно-навигационным оборудованием, в частности в перераспределении функции по управлению полетом между экипажем и этим оборудованием. Поэтому в различное время по-разному решалась задача обеспечения наилучшего взаимодействия человека и техники при управлении полетом.

Принимая во внимание все сказанное, в качестве предмета проведенного исследования нами был выбран процесс развития систем управления отечественных самолетов в том смысле, который был оговорен ранее.

В результате анализа применявшихся в различное время средств и методов выполнения указанных на рис. 1 функций удалось выделить в развитии систем управления отечественных самолетов три характерных периода. Отличительные черты этих периодов формализованы в виде трех функциональных структурных схем, которые были получены из исходной универсальной функциональной схемы (рис. 1) путем конкретизации ее звеньев. Эти схемы представлены на рис. 2 - 4.

Рис. 2. Функциональная структурная схема системы управления полетом самолета, соответствующая первому периоду развития СУ (Начало 10-х - начало 30-х годов XX в.)

Первый период - с начала XX в. до 30-х годов - характеризуется тем, что задачей системы управления в целом было обеспечение полетов самолета на небольшие расстояния при видимости горизонта и наземных ориентиров. В этих условиях практически все функции системы управления, как это показано на рис. 2, выполнял экипаж. Небольшое количество простейших пилотажно-навигационных приборов служило для уточнения представлений экипажа, полученных посредством органов чувств, о значениях некоторых параметров полета.

Метод проектирования такой системы состоял из разрозненных методик расчета отдельных приборов. Математической основой этих методик были алгебраические или дифференциальные уравнения, отражающие физические закономерности, положенные в основу принципов действия приборов.

В начале 30-х годов стали интенсивно создаваться самолеты, способные нести большие грузы на большие расстояния. Необходимо было обеспечить круглосуточные полеты таких самолетов вне видимости земли в любых географических и метеорологических условиях. Решение этих задач оказалось возможным благодаря ознаменовавшему начало второго периода внедрению в систему двух новых структурных технических элементов (рис. 3):

Здесь под информационной моделью понимается организованная совокупность источников информации о внешней среде и о состоянии и функционировании объекта.

Из схемы на рис. 3 видно, что с введением в систему управления автопилота в ней образовался замкнутый контур автоматической стабилизации режима полета. Это вызвало необходимость разработки теории и математического аппарата для аналитического исследования таких достаточно сложных систем, состоящих из различных по функциональному назначению и физическим принципам устройств.

Рис. 3. Функциональная структурная схема системы управления полетом самолета, соответствующая второму периоду развития СУ (начало 30-х - середина 50-х годов XX в.)

Третий период развития систем управления, начавшийся в середине 50-х годов, характеризуется резким повышением требований к точности управления траекторией полета вне видимости земли. Это связано с постановкой перед авиацией таких задач, как взлет, полет, заход на посадку в сложных метеорологических условиях и ряд других. Осуществить выполнение этих требований оказалось возможным только благодаря внедрению в систему управления четвертого структурного элемента - бортовых вычислительных машин, призванных компенсировать не достаточные быстродействие и точность экипажа при выполнении стандартных математических и логических операций. Для третьего периода универсальная функциональная схема принимает вид, представленный на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная структурная схема системы управления полетом самолета, соответствующего третьему периоду развития СУ (с середины 50-х годов до настоящего времени)

Новые возможности повышения качества управления, открывающиеся благодаря использованию на борту вычислительных машин, в особенности цифровых, потребовали новых подходов к проектированию таких систем. Ряд предложений, сделанных в этой области, базируется на исследовании статистических моделей управления вместо детерминированных, как это было раньше. Это позволяет, по мнению специалистов, более точно учесть количественную сторону явлений и служит повышению точности управления. Особое значение имеет то, что новые методы ставят перед собой задачу разработки способов формирования структуры системы, отличных от применявшихся на ранних этапах развития методов проектирования.

Проведенное исследование показывает, что создание единого математического аппарата для анализа взаимодействия всех звеньев системы управления, включая и человека, является следующим этапом на пути выявленной тенденции развития методов проектирования разнородных и взаимодействующих элементов систем управления, для описания процессов в которых используется единый математический аппарат. В этом заключается внутренняя логика развития методов проектирования. С другой стороны, разработка такого математического аппарата является актуальной проблемой с точки зрения потребностей практики. Подобные проблемы академик Б. М. Кедров называет узловыми и показывает, что если проблема стала узловой, то можно ожидать ее решения. На основании этого можно сделать вывод, что в перспективе возможен качественно новый этап развития методов проектирования систем управления полетом самолетов. К настоящему времени уже выполнен целый ряд теоретических исследований, которые можно рассматривать как признаки наступления этого нового этапа.

В целом периодизация развития систем управления отечественных самолетов представлена на диаграмме на рис. 5. Из этой диаграммы следует, что появление в системе управления любого нового структурного элемента вызывается противоречием двух факторов - усложнением задач управления, с одной стороны, и ограниченностью психофизиологических возможностей экипажа - с другой.

Рис. 5. Периодизация развития систем управления отечественных самолетов

Выводы

1. Источником развития пилотажно-навигационного оборудования является противоречие между усложнением задач, возлагаемых на системы управления полетом, и ограниченностью психофизиологических возможностей экипажа, которая не позволяет ему эффективно управлять самолетом при помощи прежних средств и методов.

2. История систем управления отечественных самолетов содержит три периода, принципиальными границами которых являются моменты обострения и разрешения указанного противоречия путем внедрения в систему управления новых структурных технических элементов с целью передачи им функций по управлению полетом, ставших трудновыполнимыми для экипажа:

Хронологические границы периодов установлены в соответствии с уровнем развития производства пилотажно-навигационного оборудования и состоянием смежных отраслей науки и техники в СССР (метрологии, электротехники, электроники, радиотехники, материаловедения и др.).

3. Разработан и применен для исследования развития структуры систем управления полетом самолетов методологический прием, заключающийся в конкретизации звеньев исходной универсальной функциональной схемы для каждого отдельного этапа усложнения задач управления самолетом. Предлагаемый прием, по нашему мнению, может быть эффективно использован в исследованиях развития систем управления космических аппаратов, морских судов и других движущихся объектов.

4. Выявлена общая закономерность развития методов проектирования систем управления полетом, которая заключается в том, что единый математический аппарат с течением времени становится применим ко все более расширяющемуся кругу разнородных взаимодействующих элементов системы управления. Обоснована возможность наступления качественно нового этапа в развитии методов проектирования, характеризующегося применением единого математического аппарата для исследования совместной работы экипажа и автоматики.

5. Для каждого вида функций по управлению самолетом (получение, обработка, анализ информации, принятие и исполнение решения, контроль работы пилотажно-навигационного оборудования) получены приближенные весовые соотношения между объемами работ, выполнявшимися экипажем и пилотажно-навигационным оборудованием в различные периоды развития систем управления отечественных самолетов. В результате анализа изменения этих соотношений выявлен характер (качественная сторона) процесса роста степени автоматизации управления полетом в целом. Этот процесс, характеризующийся в период 30 - 60-х годов особенно быстрыми темпами, в 70-х годах начинает замедляться; при этом можно считать, что в перспективе степень автоматизации асимптотически приближается к некоторому уровню, меньшему 100% (различному для самолетов различного назначения).