Пути повышения безопасности и регулярности полетов самолетов в сложных метеорологических условиях
Пути повышения безопасности и регулярности полетов самолетов в сложных метеорологических условиях
В. К. Александров (ФГУП ЛИИ им. М. М. Громова),
к. т. н. С. Д. Ещенко (ОАО НПП «Конверсия», х/к «Ленинец», Санкт-Петербург),
И. С. Калыгин (ОАО АНТК им. Туполева),
д. т. н. А. Н. Шестун (ОАО НПП «Конверсия», х/к «Ленинец», Санкт-Петербург)
Рассмотрены недостатки существующих систем посадки самолетов в сложных метеорологических условиях. Показано, что дальнейшее совершенствование существующих систем посадки самолетов в таких условиях может быть достигнуто при устранении физиологических факторов, отрицательно сказывающихся на работе экипажа, с помощью бортовой системы, построенной на новых принципах, например, с использованием радиовидения взлетно-посадочных полос. Приведены основные преимущества, которыми обладает самолет, оборудованный бортовой радиолокационной станцией, Рассмотрены возможности использования станции как автономного средства захода на посадку.
Наибольшую сложность и трудность представляет обеспечение безопасности и регулярности полетов в сложных метеорологических условиях (СМУ) представляет посадка самолета, а также этапы руления, разбега, послепосадочного пробега при отсутствии визуальной видимости. В настоящее время финансовые потери из-за отсутствия регулярности полетов исчисляются десятками млрд. рублей ежегодно и имеют тенденцию возрастания, если не будут приняты действенные меры в направлении обеспечения безопасности и надежности выполнения указанных этапов полета в условиях отсутствия визуальной видимости взлетно-посадочной полосы (ВПП).
Увеличение уровня безопасности и надежности положительно влияет на экономическую эффективность, т.к. привлекает пассажиров и ведет к увеличению загрузки. В свою очередь высокий коэффициент пассажирской загрузки увеличивает производительность самолета и приводит к повышению рентабельности. Надежность оказывает влияние на себестоимость эксплуатации, уменьшая количество запасных частей, увеличивается регулярность полетов. Улучшить экономику самолета становится все труднее. Поэтому нужны новые неординарные технические решения [1].
С начала развития авиации возникли вопросы обеспечения безопасной посадки в условиях ограниченной видимости на различных аэродромах. Современная авиация подошла к рубежам, когда существующие бортовые и наземные информационные средства уже не в состоянии обеспечивать требуемый уровень безопасности ручной посадки в СМУ, соответствующих IIой, IIIА, IIIВ, IIIС категориям метеоминимума ИКАО. Самолеты будущего должны удовлетворять все возрастающему количеству летных эксплуатационных и экономических требований, в том числе, требованию посадки в любых метеоусловиях (исключая грозы, извержения вулканов и пр.). Удовлетворение этих подчас противоречивых требований приводит к необходимости новых концепций проектирования самолета и его оборудования. В настоящее время модернизируются, а также разрабатываются новые средства посадки самолета, повышается подготовка летного состава, разрабатываются и эксплуатируются системы автоматической посадки [1, 2, 3].
При реализации автоматического режима минимум IIIей категории возможен далеко не на всех аэродромах т.к. очень велики затраты на наземное оборудование аэродромов. Большие затраты могут быть оправданы только лишь в условиях интенсивной эксплуатации аэродромов. Также велики затраты на оборудование самолета системой автоматической посадки, поскольку для обеспечения необходимого уровня надежности при современном уровне развития техники необходимо многократное дублирование дорогостоящих систем.
Существенным недостатком автоматической посадки является то, что пилот исключается из контура управления самолетом на самом ответственном этапе, что приводит к потере у экипажа навыков выполнения посадки [3].
Отечественные самолеты Ту-134, Ту-154, Ил-62, Ил-86 имеют категорию II (метеоминимум 30х400 м). Первый серийный самолет Ил-96-300, оборудованный системой посадки по категории IIIВ, предназначенный для поставки в ГТК «Россия», покинул сборочный цех завода в декабре 2007 г. В настоящее время в обеспечение посадки по категории IIIС ведутся только экспериментальные работы, и сертифицированных аэродромов и самолетов в мире не существует [2].
На март 2006 г. в РФ курсоглиссадными системами (КГС) оборудованы ~ 85% аэродромов хотя бы с одним направлением посадки. Из них около половины оборудованы РМС «Катет», чуть больше половины - PMC "ILS". Только ~ 12% аэродромов имеют минимум I категории ИКАО (для самолетов класса «D» - сертификационная скорость захода на посадку = 261306 км/час), причем треть из них имеют этот минимум с одним направлением посадки. Минимум 70x900 у ~ 25% аэродромов. 10 аэродромов РФ имеют минимум II категории и 3 - III категории ИКАО. Т.е. практически на подавляющем большинстве аэродромов РФ минимум посадки примерно соответствует метеоминимуму по РСП+ОСП (Радиолокационная Система Посадки (диспетчер командует экипажем по радио) + Оборудование Системы Посадки, включающее две средневолновые приводные радиостанции с маркерными маяками).
Важно отметить, что существующие КГС типа ILS, которыми оборудованы современные аэродромы, в ряде случаев не обеспечивают требуемой стабильности и точности формирования посадочной траектории (радиоглиссады), в связи с наличием погрешностей, проявляющихся независимо от исправности посадочного оборудования. Эти погрешности зависят от свойств почвы, например выпадения снега, рельефа местности, размещения наземного оборудования, наличия объектов в зоне действия системы и др. непредсказуемых факторов. КГС типа ILS и «Катет» обеспечивают формирование только одной прямолинейной глиссады с узкой линейной зоной курса (±6° - ILS и ±2° -«Катет»), в результате чего для обеспечения попадания в такой узкий коридор удлиняется маршрут захода на посадку, ограничивается пропускная способность ВПП, поскольку в одну длинную линию выстраиваются самолеты с различными скоростями захода на посадку.
Кроме того, не обеспечивается контроль руления, разбега послепосадочного пробега, а так же обнаружение препятствий на ВПП и рулежной дорожке (РД) [1].
При ручном управлении самолетом в процессе снижения по посадочной траектории в СМУ летчик предпринимает усилия в направлении обнаружения и наблюдения наземных ориентиров и естественного горизонта для установления визуального контакта с земной поверхностью и уточнения пространственного положения самолета относительно земных ориентиров и горизонта. Командир самолета дает оценку ситуации с высоты начала визуальной оценки (ВНВО), несколько превышающей высоту принятия решения (ВПР), и затем осуществляет пилотирование в ручном режиме с целью выполнения корректирующего маневра для обеспечения посадки. В соответствии с НПП к моменту достижения ВПР должно быть сформулировано решение о посадке или уходе на второй круг [4].
При выполнении посадки в СМУ соответствующей II и III категориям сокращается время и запас по высоте для принятия решения. При этом имеет место повышенное психологическое напряжение у летного экипажа, причиной которого является как уровень подготовки летчика, так и недостатки наземных посадочных систем, которыми оборудованы аэродромы, что является причиной большинства летных происшествий на этапах посадки [5]. Как показали исследования около 20% авиационных происшествий (АП) происходят из-за потери пространственной ориентировки (ППО) в том числе по причине осознанной ППО, которая часто бывает практически у всех летчиков, но обычно она непродолжительна [6]. Наиболее характерной является неосознанная потеря пространственной ориентировки. Начинается поиск ориентиров, особенно визуальных, при этом внутренние ощущения и вестибулярный аппарат могут создать конфликтную ситуацию, не совместимую с реальностью. У летчика может возникать ощущение удлинения времени для исправления ситуации. Установлено также, что основным физиологическим фактором, который влияет на безопасность любого полета, является визуальное восприятие информации, в том числе фокусного, которое используется для считывания показаний приборов, систем индикации, опознавания целей и т.д., давая детальную информацию о линии горизонта, рельефе местности и т.п. [6].
В результате перечисленных факторов даже у тренированных летчиков при посадке в СМУ давление повышаются до 200 мм ртутного столба, частота пульса повышаются до 150 ударов в минуту [4, 5]. Анализируя сложности и недостатки объективно существующие при выполнении посадки в СМУ, становится очевидным, что без их устранения невозможно в настоящее время существенное повышение безопасности и регулярности полетов. Среди специалистов существует мнение, что возможность совершенствования существующих наземных инструментальных систем посадки практически исчерпаны и прогресс в области обеспечения безопасности посадки самолета может быть достигнут только при комплексном использовании их с дополнительной системой, построенной на новых принципах.
Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих устранять перечисленные недостатки процесса посадки, является использование независимого дополнительного канала информации. В качестве такого канала служат специальная бортовая радиолокационная станция (БРЛС) небольшого радиуса действия с высокой разрешающей способностью. БРЛС осуществляет картографирование ВПП при заходе на посадку и в процессе полета по посадочной траектории в СМУ и в условиях отсутствия визуальной видимости ВПП. БРЛС обеспечивает индикацию изображения ВПП в реальном масштабе времени в режимах посадки, руления, разбега, посадочного пробега, одновременно обеспечивая обнаружения препятствий на ВПП и РД.
БРЛС обеспечивает контроль точности захода на посадку в горизонтальной плоскости. При этом величина и направление отклонения от посадочной траектории (по курсу) грубо определяется за счет появления несимметричности изображения контура радиолокационного изображения РЛИ ВПП. При полете ВС по оси ВПП, т.е. без бокового уклонения от посадочной траектории, изображение ВПП симметрично, а продольная ось ВПП совпадает с меткой вектора путевой скорости в режиме стабилизации изображения. При появлении бокового уклонения от оси ВПП, составляющем 1/2 ширины ВПП (полет по направлению левой или правой кромок ВПП), одна сторона изображения ВПП параллельна вектору скорости ВС (та сторона ВПП, на которую осуществляется полет), а другая сторона изображения имеет наклон.
В процессе летных испытаний осуществлялись выходы на ось ВПП с бокового уклонения 20-40 м, которые совершались с высоты 80-60 м, при этом углы крена не превышали значений 6 - 8°, а вертикальная скорость снижения не превышала 3-3,5 м/с для самолета АН-24.
Формирование на индикаторе метки средней линии ВПП повышает точность контроля захода на посадку в горизонтальной плоскости до 6 м.
РЛИ пролетаемой местности в БРЛС «В-334» формируется в прямоугольных координатах «Азимут –Дальность», что позволяет определить боковое уклонение от оси ВПП по асимметрии РЛИ ВПП, которое наблюдается на мониторе с удаления порядка 2,5 км. Глиссада снижения выдерживается путем наложения специальной метки глиссадной дальности на РЛИ торца ВПП. Метка глиссадной дальности может быть сформирована двумя методами.
1. По высоте и известному углу наклона глиссады ɛг:
2. Дальность до земли измеряется под углом к горизонту, равном углу наклона глиссады ɛг.
Сформированная таким образом метка глиссадной дальности накладывается на РЛИ в соответствующем масштабе. При полете ниже глиссады метка глиссадной дальности находится перед изображением торца ВПП, а при полете выше глиссады – за торцом ВПП.
Благодаря этому в распоряжении летчика оказывается автономный радиолокационный датчик, который обеспечивает видимость реального расположения ВПП по азимуту и дальности, а также с помощью специальных пилотажно-навигационных отметок на индикаторе обеспечивает оценку правильности управления самолетом на конечном участке посадочной траектории, а именно получает возможность оценивать знак (направление) отклонения от посадочной траектории в горизонтальной плоскости (по курсу) и вертикальной (по глиссаде), а также степени отклонения, обеспечивающей возможность формирования решения о том, является заход посадочным или непосадочным. В результате летчик может сравнивать показания, получаемые от БРЛС, с данными от наземной системы посадки, что увеличивает вероятность принятия правильного решения о посадке или уходе на повторный заход. При этом дальность обнаружения ВПП с помощью БРЛС превышает дальность визуального обнаружения ВПП, что помогает летчику с опережением принять правильное решение [8]
Таким образом, применение РЛИ, получаемого с помощью БРЛС, повышает безопасность посадки при заходе на посадку по КГС. С помощью БРЛС также возможно выполнить ряд задач, необходимых для обеспечения регулярности полетов и которые не могут быть выполнены с помощью существующих посадочных систем современных аэродромов. Речь идет о контроле с помощью БРЛС режимов руления, разбега, послепосадочного пробега, а также обнаружения препятствий на ВПП и РД (автомашин, самолетов, обслуживающих механизмов, людей). Имеют место еще ряд преимуществ, присущих БРЛС: измерение дальности до передней кромки ВПП или до препятствий на ВПП, возможность обнаружения визуально не видимых ВПП и РД, например, покрытых снегом, пеплом. Появляется возможность контроля пролета вдоль оси ВПП при уходе на второй круг, а также посадки на малооборудованный аэродром, т.е. аэродром, не оборудованный системой посадки типа ILS.
Следует подчеркнуть, что возможность посадки на малооборудованный аэродром подтверждает неординарность данного технического решения (т.е. решения, основанного на использовании специализированной бортовой РЛС), которое является особенно важным для выполнения полетов, например в районах Севера, Сибири, Дальнего Востока и т.п. [7]. Как известно, одним из технических показателей экономической эффективности является безопасность полетов, важность которой в последнее время существенно возросла по отношению к другим показателям (аэродинамическое качество, рейсовая скорость, коммерческая нагрузка, дальность полета и т.д.) и поэтому возможность посадки, руления, взлета, обнаружения препятствий на ВПП и РД на малооборудованных аэродромах в ПМУ и СМУ будет определять успешную оценку самолетов и положительно повлияет на их конкурентоспособность и продаваемость.
Из проведенного анализа следует, что главным достоинством БРЛС типа «В-334» является обеспечение захода и посадки на малооборудованные ВПП, а также обеспечение контроля посадки в условиях II и III категорий метеоминимума ИКАО без дополнительного дорогостоящего оборудования аэродрома, возможность контроля руления, разбега, послепосадочного пробега и обнаружения препятствий на ВПП и РД.
В результате повышается безопасность полета и обеспечивается регулярность полетов при эксплуатации различных аэропортов, включая малооборудованные, что обеспечивает получение большого экономического выигрыша.
В поисках снижения экономических затрат, увеличения безопасности и обеспечения регулярности полетов в условиях непрерывного роста количества самолетов международной организацией ИКАО разработана новая концепция организации воздушного движения под названием CNS/ATM (коммуникация, навигация, управление воздушным движением). Она должна обеспечить эксплуатацию самолетов с минимальными ограничениями со стороны службы управления воздушным движением (УВД), т.к. позволяет формировать план полета, включающий оптимальный маршрут горизонтального и вертикального полета. Реализация этой концепции позволит экономить млрд. долларов за счет неограниченных возможностей по формированию планов полета, обеспечивающих потребление минимального количества топлива [9, 10]. Концепция основана на использовании спутниковых средств навигации и связи, систем автоматического зависимого наблюдения, а также систем, повышающих безопасность полета, в число которых входит бортовая РЛС предотвращения столкновений самолетов в воздухе (РЛС типа «TCAS»). Также разработана новая концепция EASA (Европейское агентство по безопасности полетов) [11].
Указанные перспективные концепции должны обеспечивать регулярность полетов. Тогда для обеспечения безопасности посадки, руления, разбега, послепосадочного пробега и обнаружения препятствий на ВПП и РД, в условиях отсутствия визуальной видимости и в СМУ соответствующих I, II, III категориям ИКАО в состав систем повышающих безопасность полетов необходимо включить БРЛС типа «В-334». Это позволит обеспечить регулярность полетов самолетов, оборудованных этой БРЛС и, тем самым, получить экономический выигрыш, т.е. реализовать концепции CNS/ATM и EASA. Предложение по включению в состав системы БРЛС типа «В-334» можно считать творческим вкладом авторов в реализацию перспективной концепции ИКАО [12]. Целесообразно проведение летных испытаний на самолете ТУ-334, оборудованном БРЛС «В-334», по программе, предусматривающей летную проверку теоретических предпосылок ИКАО в части отработки концепций EASA и CNS/ATM и др. в СМУ, в том числе при посадках на малооборудованный аэродром.
Выводы
1. Существующие наземные системы (типа ОСП в составе ближнего - БПРМ, дальнего ДПРМ приводных радиостанций с маркерными маяками, либо наземной РЛС; либо точной системы захода на посадку типа ILS, либо системы с использованием спутниковой навигации) не обеспечивают требуемых условий безопасности посадки в СМУ даже при их совместном использовании по причинам:
1.1. Запаздывания информации исходящей от диспетчера наземной РЛС, (система РСП) который наблюдает отметку от заходящего на посадку самолета, сравнивает его положение с заданным на экране наземной РЛС, измеряет отклонение и затем передает летчику, поэтому всегда запаздывают;
1.2. В директором режиме управления самолетом летчик сам вносит отклонения, поскольку директорный сигнал представляет разность между расчетным и фактическим значениями параметра, которым управляет летчик и любое вмешательство (правильно или нет) приводит к колебаниям директорных стрелок («стрелки разбежались»). Директорный режим не обеспечивает выравнивание, приземление и пробег по ВПП, не обеспечивает посадок при метеоусловиях I категории ИКАО;
1.3. Недостаточной стабильности формирования глиссады с помощью систем наземной посадки типа ILS и появляющихся погрешностей независимо от исправности наземного посадочного оборудования в зависимости от свойств почвы (например, выпадение снега), рельефа местности, появления дополнительных объектов в зоне действия системы (автомобили и самолеты) и т.п.;
1.4. Курсо-глиссадные системы слишком дороги.
2. Автоматический метод управления принципиально позволяет выполнять автоматическую посадку в СМУ соответствующих II и III категория ИКАО, однако, предъявляет очень высокие требования к надежности и стоимости наземной посадочной аппаратуры, поэтому в РФ всего 10 аэродромов, сертифицированных по II категории и 3 – по III категории ИКАО. Самолетное оборудование для таких посадок также слишком дорого. Кроме того, у летчика теряются навыки ручного пилотирования, что недопустимо, и возможности визуального контроля процесса посадки.
3. Недостатками спутниковой системы посадки являются:
- сигналы спутников подвержены интерференции (искажениям сигнала), т.к. мощность принимаемых сигналов очень мала и они могут подвергаться воздействию естественных и искусственных помех;
- возможен отказ одного или нескольких спутников, либо прерывания обслуживания, либо искажения управляющих сигналов, как результат создания опасных ситуаций в различных регионах;
- влияние атмосферных эффектов: электрические разряды, атмосферные изменения;
- не обеспечивается контроль режимов руления, обнаружения препятствий на ВПП, РД.
4. В результате в СМУ и в отсутствии визуальной видимости ВПП у летного экипажа появляется психологический барьер недоверия к показаниям наземных посадочных систем, а у летчика возникает эмоциональное перенапряжение, при котором кровяное давление и частота пульса повышается до 140% от нормального.
5. В настоящее время возможности совершенствования существующих наземных систем посадки может быть достигнуты только при комплексном использовании их с дополнительной системой, построенной на новых принципах, например с использованием радиовидения ВПП и РД с помощью БРЛС типа «B-334».
6. Бортовая РЛС радиовидения ВПП и РД обеспечивает контроль посадки, руления, разбега в сложных метеорологических условиях, соответствующих I, II, IIIей категориям метеоминимума ИКАО и обладает следующими преимуществами:
- при радиолокационном обнаружении ВПП в условиях отсутствия визуальной видимости и в СМУ устраняется психологический барьер недоверия к наземным инструментальным системам посадки типа ILS, MLS снижается эмоциональной напряжение, существующее у летчиков в условиях отсутствия визуальной видимости ВПП в СМУ (повышение артериального давления, частоты пульса). Пилот заранее, на значительно большей высоте, чем высота принятия решения получает возможность обнаруживать ВПП и отклонения от посадочной траектории, сопоставлять полученные данные с показаниями наземной системы посадки и формировать решения о посадке или уходе на повторный заход;
- обеспечивает возможность посадки на малооборудованный аэродром;
- обеспечивает обнаружение наземных препятствий на ВПП и РД (автомашин, самолетов и т.п.) в режимах посадки, руления, пробега;
- обеспечивает возможность измерения дальности до ВПП, РД в условиях отсутствия визуальной видимости в СМУ;
- позволяет наблюдать радиолокационное изображение ВПП в режиме автоматической посадки, что обеспечивает возможность контроля процесса посадки на всем протяжении посадочной траектории включая момент завершения режима автоматической посадки;
- позволяет обнаруживать ВПП и РД при отсутствии визуального контраста между ВПП (РД) и окружающей местностью, например ВПП (РД), покрытую снегом, пеплом и т.п.;
- радиолокационное изображение ВПП обеспечивает возможность пролета вдоль оси ВПП с высокой требуемой точностью, что необходимо для построения маневра повторного захода в условиях отсутствия визуальной видимости ВПП;
- обеспечивает возможность формирования и выдерживания различных, в том числе криволинейных глиссад;
- позволяет выполнять автономное руление, выход на ВПП, разбег при отсутствии визуальной видимости ВПП и РД, как с контрольно диспетчерского пункта, так и с самолета;
- БРЛС типа «В-334» является недостающим звеном в оборудовании самолета в перспективной концепции ИКАО EASA (Европейское агентство по безопасности полетов), а также по организации воздушного движения CNS/ATM, которые позволят обеспечить безопасность, регулярность полетов и экономить млрд. долларов за счет неограниченных возможностей по формированию планов полета, обеспечивающих минимальное количество топлива.
7. Особо значимыми могут быть результаты оборудования БРЛС типа «В-334» самолетов ТУ-334 (либо другого типа), выполненных в варианте с VIP салонами, в интересах ФСО, для решения задач МЧС, например, в случае вывода из строя средств аэродромного и радиотехнического обеспечения (как это было в результате действия авиации НАТО в Югославии и т.п.).
8. Оборудование самолета БРЛС типа «В-334» существенно повышает его конкурентоспособность.
9. БРЛС является единственным автономным средством обеспечения посадки.
Литература
1. Рухлинский В. М. Требования к экономической эффективности создаваемых самолетов гражданской авиации нового поколения// Проблемы безопасности полетов № 4, 2008. – М.: ВИНИТИ, 2008.
2. Крюков С.П. Путеводная математика// Мир авионики № 1, Москва, 2008.
3.Испытания систем автоматической посадки// экспресс информация «Авиастроение», № 25, 1989. – М.: ВНИИТИ, 1989.
4. Никулин Н. В сложных метеоусловиях// Гражданская авиация, № 7, 1979.
5. Никулин Н. По второй категории 1С АО// Гражданская авиация, 1986.
6. Афанасьев А. И. Влияние физиологических факторов и отказов авиационной техники на безопасность полетов// Проблемы безопасности полетов, № 5, 2008. – М.:ВНИИТИ, 2008.
7. Ещенко С. Д. Посадка на малооборудованные аэродромы с помощью бортовой РЛС визуализации ВПП// Проблемы безопасности полетов, № 5, 2006. – М.: ВНИИТИ, 2006.
8. Коблов В. Л., Бардин Ю. А., Машкиевский И. Е., Михайлов А. Г., Батков A. M., Болталин М. П., Потехин В. А., Польский А. А., Тимошок Н. У., Ещенко С. Д. Решение о завершении работ по ОКР «Видимость» №3/26 от 23.03.1984; Коблов В. Л., Михайлов А. Г., Болталин М. П. Акт приемки ОКР «Видимость» № 42, 25.09.1984.
9. Gabel P. J. Ir. Manager of Integrated Application for Ro-chwell Collins Government system, Col. Stephan A. Henry Director of Global Air Traffic/Mobility Command, Control program office. Air Force Embares On Upgrading Its. Air Mobility beet to meet Restrictive New Civilian Air Traffic Control Requirements. Armed Forces Journal International, February, 1999.
10. Легран А., Галушкин В. Требования к структуре и составу бортовых систем связи, навигации и наблюдение для реализации концепции CNS/ATM. Мир связи, connect № 1, 1998.
11. О соответствии системы EASA (Европейское агентство по безопасности полетов) системам управления безопасностью полетов (SMS) в Приложении 6 к Конвенции ICAO, стандартам и рекомендуемой практике для эксплуатантов воздушных судов, Памятная записка, 20.12.2007.
12. Ещенко С. Д., Сарычев В. А. К вопросу о включении в концепцию CNS/ATM бортовой РЛС контроля посадки, руления, разбега, послепосадочного пробега и обнаружения препятствий на ВПП, НИИЭР, Радиопромышленность, вып. 4, 1999.
