Российская наука и техника

Сведения о давних и недавних катастрофах авиационных и космических летательных аппаратов (ЛА) убеждают в том, что необходима новая концепция динамической безопасности движущихся объектов. В основу ее технической реализации могут быть положены новые информационные технологии и программно-аппаратные средства, в частности бортовая активная система обеспечения безопасности ЛА (БАСОБ).Очевидно, что обеспечение безопасности эксплуатации летательного аппарата сводится к максимально возможному повышению вероятности успешного завершения цикла его использования. Для этого нужны достоверные данные о состоянии ЛА, работе его бортовых систем, летной эксплуатации аппарата с помощью систем объективного контроля (СОК). Применение в настоящее время СОК предполагает, что увеличение объема информации о безопасности аппарата позволяет оценить его состояние и после наземной обработки данных выработать обоснованные рекомендации по возможности дальнейшей эксплуатации ЛА.Однако, несмотря на практически полную информацию о состоянии ЛА и происходящих на нем событиях, таких, как утечка топлива, отказы двигателей, ошибки пилота, устранить влияние их развития оказывается невозможным. Одна из причин - несовершенство информационного звена системы обеспечения безопасности, то есть СОК. В существующей структуре СОК информация о ЛА поступает с датчиков в систему управления и одновременно - в регистратор полетной информации. Основными функциями системы объективного контроля при этом являются сбор, регистрация и хранение информации об объекте. В качестве носителя данных в СОК до сих пор используется магнитная лента. Следует отметить, что принцип последовательной записи информации с применением механически перемещаемого носителя навязывает аналогичные принцип доступа и структуру комплекса СОК.Современные комплексы, используемые в процессе летных испытаний, передают информацию о состоянии бортового оборудования в наземную часть СОК, где она вновь записывается на магнитную ленту. Если верить зарубежным источникам, подобная организация системы объективного контроля привела к тому, что, например, в процессе трагического старта Челленджера при наличии всех необходимых данных о его состоянии за некоторое время до взрыва ничего не было предпринято для того, чтобы избежать катастрофы.Из отечественного опыта известно, что при эксплуатации космических кораблей время отделения топливного бака или ступени ракеты-носителя не превышает 0,1 с, а увод спускаемого аппарата с экипажем в случае аварии ракеты на старте - 0,2 с. Это означает, что те девять секунд до взрыва Челленджера могли быть использованы с большей пользой. Из этого и ряда других примеров можно заключить, что, по существу, современные системы объективного контроля скорее обеспечивают безопасность лиц, ответственных за проведение полетов, а отнюдь не летчиков, пассажиров или населения и окружающей среды от аварий ЛА и их последствий.Изменить ситуацию позволят такие технические решения, при которых принципиально возможно активное вмешательство в управление полетом на основе объективной информации о различных процессах, сопровождающих полет. Это означает, что информационный поток о состоянии движущегося объекта должен быть обработан в реальном масштабе времени и, кроме того, сам ЛА должен проектироваться таким образом, чтобы в его составе средства контроля безопасности были сбалансированы со средствами устранения причин нежелательного развития события.Представим себе СОК, в которой регистратор на магнитной ленте заменен твердотельным накопителем, построенным по принципу оперативного запоминающего устройства с произвольным доступом. Тогда, используя даже примитивный процессор, можно будет сжимать и преобразовывать поступающую полетную информацию в реальном масштабе времени.В качестве еще одного аргумента в пользу твердотельных накопителей отметим, что внутренняя рабочая частота подобных устройств совпадает с частотой работы обычных ОЗУ. Это позволяет не только принимать и обрабатывать информацию от датчиков, но и определять состояние бортовой ЭВМ и самой системы управления. При такой замене появляется возможность увеличить частоту сканирования датчиков и повысить точность накапливаемых данных. Включение в состав регистратора мощного микропроцессора даст возможность дополнительно анализировать состояние основных систем и агрегатов - потенциальных источников аварий на борту ЛА - в режиме реального времени. Предлагаемые мероприятия составят первую фазу модернизации СОК.Рассмотрим вторую фазу. С того момента, когда в структуру бортовых СОК будет введен современный 32-разрядный процессор, появится возможность помимо сжатия входного потока анализировать поступающую информацию, а также прогнозировать развитие событий, если же имеются средства воздействия, то и предотвращать нежелательное развитие событий. Очевидно, что при этом СОК должна быть по меньшей мере на порядок более надежной по сравнению с остальным оборудованием ЛА.Строго говоря, термин СОК устарел для такой системы. Вместо этого, учитывая новые функции, уместно назвать ее бортовой активной системой обеспечения безопасности ЛА. Отметим, однако, что БАСОБ не заменяет систему управления пилота, а динамически обеспечивает максимальную мгновенную безопасность эксплуатации летательного аппарата.Не вызывает сомнений, что перспективные ЛА в части возможности обеспечения безопасности полета должны проектироваться в соответствии с предложенной здесь концепцией. Таким образом будет реализована перспективная структура СОК.Основное затруднение при этом - техническая надежность. Находящиеся в эксплуатации бортовые системы объективного контроля, использующие накопители на магнитной ленте, имеют, по разным оценкам, 200 - 250 тыс. ч наработки на отказ. В то же время современные ОЗУ, комплексы и ЭВМ имеют для тех же применений аналогичный показатель как минимум в два раза меньше. Вычислительные системы с троированием узлов обладают уже соизмеримыми с ленточными накопителями габаритно-массовыми характеристиками, а по энергопотреблению существенно превышают их.В качестве электронного ядра БАСОБ предлагается отказоустойчивый твердотельный регистратор (ТТР). Как и любая бортовая ЭВМ, ТТР представляет собой устройство, логически разделяемое на две основные зоны - активную и пассивную. В активной находятся процессор и интерфейсная часть, реализующая форматирование и преобразующая входные данные. Процессор поддерживает динамически обновляемую базу полетных данных и производит обработку поступающей информации. Пассивная зона в свою очередь обеспечивает накопление и хранение полетной информации.К бортовой части оборудования БАСОБ предъявляются чрезвычайно высокие требования с точки зрения надежности. Структура каждой из зон ТТР существенно различается. В активной зоне объем логических элементов составляет около 10 млн. при сложной структуре связей и соединений. В пассивной, напротив, имеется регулярность организации, но объем логических элементов (эквивалентных вентилей) превышает 340 млн. Несомненно, структурные особенности обеих зон определяют решения по обеспечению надежности и отказоустойчивости каждой из них.На основе предложенной концепции БАСОБ и теории избыточности программно-аппаратных высоконадежных структур выполнен макетный образец универсального ТТР, состоящего из трех плат стандарта ARINC (двух электронных и одной - универсального адаптивного питания).В ходе испытаний были подтверждены следующие показатели надежности устройства:наработка на отказ - свыше 700 тыс. ч,динамический коэффициент готовности - не ниже 0,998,избыточность активной зоны - не выше 30%, пассивной - 2,5-3%.Совместная технологическая проработка реализации БАСОБ с ведущими специалистами Англии, Германии и Финляндии показала, что имеется возможность снизить габаритно-массовые характеристики ТТР до размеров и веса пачки сигарет, сохранив при этом или даже превысив показатели надежности.Для обеспечения безопасности существующих и находящихся в интенсивной эксплуатации ЛА возможна реализация наземно-бортового комплекса. Такой комплекс, состоящий из сцепленных колец двух локальных сетей в авиаузле, позволяет проводить экспресс-анализ состояния ЛА непосредственно во время его эксплуатации, автоматизировать работы по обслуживанию и подготовке полетов, а также осуществлять с применением имеющихся программно-аппаратных имитаторов глубокий анализ состояния ЛА, работы пилота и т.п.Отметим, что задачи, требующие решения с соблюдением режима реального времени, реализуются локальной сетьюс ЭВМ на основе процессоров Motorola PowerРС или SunSPAPC 2, а задачи информационного обслуживания и сервиса (включая обучение персонала) - средствами локальной сети на базе ПЭВМ, совместимых с IBM РС. Такая комбинация двух сетей существенно снизит стоимость всего комплекса, обеспечив приемлемую совокупную производительность. Предлагаемый подход и его реализация в виде БАСОБ одинаково важны для испытаний и эксплуатации как военных, так и гражданских летательных аппаратов.

Игорь ШАГАЕВ,

кандидат технических наук, ИПУ РАН;

Сергей ПЛЯСКОТА,

кандидат технических наук,

ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского