Привет!
Когда я впервые оказался в кабине симулятора самолёта, у меня возникло странное ощущение: я не управляю машиной, а она управляет мной. Штурвал реагировал с задержкой, самолёт пытался уйти в сторону, и я понял, что попал в ловушку непредсказуемого управления. Именно тогда я впервые услышал о шкалах, по которым лётчики оценивают «послушание» самолётов.
От рычагов до электродистанционных систем
На заре авиации системы управления были на удивление простыми. Механические рычаги и тросы напрямую связывали пилота с рулями самолёта. Это напоминало управление велосипедом — надавил на руль, и колёса поворачиваются. Но с ростом скоростей оказалось, что для управления самолётом требуются такие усилия, что даже самый сильный человек не справится. Так появились электродистанционные системы управления или же коротко ЭДСУ, которые позволили машинам помогать пилоту.
В ЭДСУ команда пилота передаётся на компьютер, который анализирует и корректирует её. Затем компьютер выдаёт команду сервоприводам, которые управляют управляющими поверхностями самолёта (например, рулями высоты или элеронами). Система обратной связи проверяет, что самолёт правильно отреагировал на команды, и при необходимости корректирует их.
С новыми системами пришли и новые сложности: как понять, что настройки действительно оптимальны? Как убедиться, что самолёт слушается пилота, а не наоборот? Вот тут приходят на помощь шкалы оценки пилотажных характеристик.
Разные подходы к оценке
Когда инженеры столкнулись с задачей оценивания пилотажных характеристик, СССР и США выбрали разные подходы (ну, естественно). Советские инженеры пошли в научные дебри и создали строгие математические критерии. Они обратились к медицине, изучили реакции человека на перегрузки и создали частотные критерии устойчивости. Всё это было сложно и требовало серьёзных вычислений, но зато позволило инженерам оперировать чёткими цифрами.
Американцы же выбрали субъективность и спросили мнения самих лётчиков. Так и появилась знаменитая шкала Купера-Харпера, которая до сих пор остаётся одним из главных инструментов в оценке послушания самолётов:
Оценка |
Уровень пилотажных характеристик |
Описание оценки |
Уровень пилотирования |
|---|---|---|---|
1 |
Первый уровень |
Управляемость идеальна или близка к идеальной. |
Отлично |
2 |
Первый уровень |
Управляемость хорошая, незначительные отклонения от идеала. |
Очень хорошо |
3 |
Первый уровень |
Управляемость удовлетворительная, но требуется небольшая коррекция пилота. |
Хорошо |
4 |
Второй уровень |
Управляемость приемлемая, но требует значительных усилий для выполнения задач. |
Удовлетворительно |
5 |
Второй уровень |
Управляемость требует значительных усилий пилота, выполнение задач затруднен. |
Посредственно |
6 |
Второй уровень |
Управляемость слабая, выполнение задач сложное и требует постоянной концентрации пилота. |
Плохо |
7 |
Третий уровень |
Управляемость крайне сложная, выполнение задач на пределе возможного. |
Очень плохо |
8 |
Третий уровень |
Управляемость очень плохая |
Критически плохо |
9 |
Третий уровень |
Выполнение задач рискованно |
Катастрофически плохо |
10 |
Третий уровень |
Самолет не поддаётся контролю. |
Неуправляемо |
Всё бы хорошо, но есть нюансы. Шкала субъективна — если пилот плохо себя чувствует, его оценки могут быть занижены. Кроме того, шкала не учитывает, откуда именно идёт проблема — из-за отказа системы управления или плохой конструкции самолёта. Тем не менее, Купер и Харпер создали простой и понятный инструмент, который стал основой для многих испытаний.
Что такое пилотажные характеристики?
Пилотажные характеристики самолёта определяют, насколько легко и точно он управляется. Самолёт с первым уровнем пилотажных характеристик подчиняется командам пилота без задержек и требует минимальных усилий для управления. Он реагирует на малейшие движения штурвала. Такой уровень управляемости является эталоном для инженеров.
Второй уровень — это твёрдый середнячок. Он не будет удивлять точностью, но при этом всё же выполняет команды надёжно и без сюрпризов. Это самолет, с которым можно работать, но в душе останется лёгкое чувство, что могло бы быть и лучше.
Третий уровень — это шайтан-машина. Самолёт с тёмным разумом, который вообще не хочет подчиняться пилоту. Его управление — это вечная борьба с машиной.
PIO
С развитием электродистанционных систем появилась новая проблема — колебания, индуцируемые лётчиком. Как это выглядит: нужно выровнять самолёт, но система управления реагирует с задержкой или тянешь штурвал на себя, но самолёт отвечает слишком резко, и снова необходимо корректировать. Этот замкнутый цикл может превратиться в полный ужас. Чтобы оценить такие колебания, была разработана специальная шкала PIO.
Шкала PIO также субъективна, но она сосредоточена на одном конкретном явлении — колебаниях. Оценки варьируются от 1 до 6, и инженеры используют эту шкалу для оценки управляемости самолёта при наличии задержек в системе управления. Но, как и любая субъективная шкала, она имеет свои ограничения.
NASA TLX
Шкала NASA TLX — это попытка учесть все возможные факторы, влияющие на пилотажные характеристики. В отличие от простых шкал Купера-Харпера и PIO, NASA TLX требует более глубокого анализа. Она состоит из множества пар утверждений, где пилоты должны выбрать, какой фактор был важнее во время выполнения задачи. Это шкала, которая старается учесть всё: от физической нагрузки до психологического стресса.
Ознакомиться с этой шкалой можно здесь — ссылка.
Итог
В итоге, выбор шкалы для оценки пилотажных характеристик зависит от задачи. Шкала Купера-Харпера проста и понятна, PIO помогает выявить проблемы с колебаниями, а NASA TLX — это сложный, но в целом перспективный инструмент.
Комментарии (13)
S_gray
28.08.2024 10:27+2ЭДСУ появились совсем не по причине физической невозможности управления самолётом. Просто дистанционное управление в весовом отношении гораздо выгоднее, чем непосредственная проводка мускульного усилия к рулевым поверхностям (с помощью тросов или жёстких тяг), к тому же позволяет решать задачи автоматизированного управления самолётом наиболее простым способом - подачей управляющего сигнала в цепи управления исполнительных механизмов. Проблема ЭДСУ в том, что такая система должна быть абсолютно надёжна и обеспечивать управление в случае обесточивания самолёта.
Aggle
28.08.2024 10:27+1И, добавлю, не по причине роста скоростей. Весьма шустрые отечественные Ту-134 и Ил-62, американский Б-737 и многие другие самолёты вполне себе летали без всяких там ЭДСУ.
S_gray
28.08.2024 10:27Более того, ВСЕ советские самолёты обходились без ЭДСУ. Первый Боинг с ЭДСУ - B777 (1994), первый Эйрбас с ЭДСУ - А320 (1988), ну, то есть, ЭДСУ (то, что называется fly-by-wire) на гражданских самолётах - явление сравнительно новое.
S_gray
28.08.2024 10:27Что же касается "проблем индуцируемых летчиком" то они появились и решались задолго до появления ЭДСУ - самолёт (как, впрочем, и автомобиль, и корабль и любая другая управляемая система) и без неё является инертной системой, реагирующей на управляющее воздействие через некоторую передаточную функцию. И навык пилотирования, в частности, и заключается в умении "чувствовать" эту самую функцию...
YourgenAP
Немного критики к содержанию:
1) Шкала Купера-Харпера не просто субъективна, но и абсолютно нелинейна. И раз уж её приводить, то это не просто таблица, а там три вопроса, которые различают четвертый уровень (оценка 10), третий (7-9), второй (4-6) и первый (1-3). Так еще и вдобавок при переводе утеряна точность формулировок (desirable и adequate performance просто упущены, к сожалению
2) PIO. Возникновение pilot-induced-oscillations это вообще тема для отдельной статьи, но тут проблема не в этом. PIO-proneness оценивается на сегодняшний день исключительно объективными способами на основании показателей самописцев за промежуток, когда самолет тестировался на PIO.
В конце концов, как понять, что самолет управляем на этапе его разработки? Неужели надо сначала построить самолет и запустить в воздух, прежде чем это определить? Так нет, есть прекрасные математические модели системы Пилот-Самолет, которые позволяют еще на этапе разработки определить, на сколько система управляема и стабильна.
А еще, кстати, у американцев тоже есть математические критерий Нила-Смита
bigcrush
Получается автор не ответил на заданный в заголовке статьи вопрос.
YourgenAP
Ну почему же. Шкала Купера-Харпера действительно отвечает на вопрос, на сколько самолет управляем (субъективно). Но есть отличный пример бесполезности этой шкалы для оценки:
Итак, управляемы ли самолеты В и С? С самолетом А всё понятно, а вот с двумя другими как быть?
iliasam
Честно сказать, я прочитал статью, но не понял - а как пилот понимает, что самолет управляем? Какие критерии он использует?
YourgenAP
Вот оригинальная шкала, которую автор привел в формате таблицы, опустив крайне важные для шкалы вопросы. Что является adequate performance - это отдельная тема для разговора и описывается для каждого маневра отдельно (например, для установки определенного тангажа desired performance это не более 2ух превышений (либо вверх либо вниз), а adequate - от двух до четырех, так что 5 и более заведомо не лучше чем уровень 7.
iliasam
Так все равно, "is is controllable?". Как пилот определяет, что самолет контролируется?
По приборам, по отдаче элементов управления, по визуальным параметрам?
YourgenAP
Субъективно. Самолет вообще отвечает на отклонение штурвала/сайдстика? Незначительное отклонение штурвала соответствует адекватному поведению, или самолет сразу уходит в фигуру высшего пилотажа? Или же наоборот, максимальное отклонение штурвала вызывает лишь незначительное изменение в поведении (например, самолет не устремляется ввысь, если потянуть штурвал на себя до упора, а медленно-медленно увеличивает тангаж, что раньше вас покинут силы тянуть штурвал на себя, чем он наберет ну хотя бы 15 градусов тангажа)?
pilot_artem Автор
Спасибо за критику. Хочу отметить, что цель статьи — ввести в тему и дать базовое понимание, а не углубляться в каждую деталь. Конечно, шкала Купера-Харпера включает три вопроса и нелинейна, но для начального уровня читателей для меня важнее было показать сам принцип.
По поводу PIO, да, сейчас используются объективные методы и модели, но не нужно забывать о субъективных оценках (особенно на этапах испытаний).
В любом случае, учту Ваши предложения, спасибо!
YourgenAP
Шкала Купера-Харпера построена на этих трех вопросах. Без них просто никуда. И уж раз на то пошло, то тут надо разбирать Flying Qualities и Handling Qualities по отдельности (без понятия, как их обзывают на русском - знаю всю эту тему на немецком и английском). И начинать, к слову, с Flying (а ваш самолет сам по себе вообще летать-то может?).
Пилот не оценивает PIO даже на этапе испытаний. Воссоздать искуственно сами PIO практически нереально, потому что никто так не летает. Так еще и зависит от характера пилотирования. И там еще целый набор условий для PIO тестов.