Awionika - Avionics

Radar i inna awionika w nosie Cessna Citation I/SP .
F-105 Thunderchief z rozłożoną awioniką

Awionika (a mieszanka z lotnictwa i elektroniki ) są elektroniczne systemy stosowane na statkach powietrznych , sztucznych satelitów i statków kosmicznych . Systemy awioniki obejmują komunikację, nawigację , wyświetlanie i zarządzanie wieloma systemami oraz setki systemów, które są montowane w statkach powietrznych w celu wykonywania poszczególnych funkcji. Mogą one być tak proste, jak reflektor do helikoptera policyjnego, lub tak skomplikowane, jak system taktyczny dla pokładowej platformy wczesnego ostrzegania .

Historia

Termin „ awionika ” został ukuty w 1949 roku przez Philipa J. Klassa , redaktora naczelnego magazynu Aviation Week & Space Technology jako konceptelektroniki lotniczej ”.

Komunikacja radiowa została po raz pierwszy zastosowana w samolotach tuż przed I wojną światową . Pierwsze radiostacje powietrzne znajdowały się w sterowcach , ale wojsko zapoczątkowało rozwój lekkich radiostacji, które mogły być przewożone przez cięższe od powietrza statki, aby dwupłatowce rozpoznawcze mogły natychmiast zgłaszać swoje obserwacje w przypadku ich zestrzelenia. Pierwsza eksperymentalna transmisja radiowa z samolotu została przeprowadzona przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych w sierpniu 1910 r. Pierwsze radiostacje lotnicze były transmitowane za pomocą radiotelegrafii , więc wymagały dwumiejscowego samolotu z drugim członkiem załogi, który naciskał klawisz telegraficzny, aby przeliterować wiadomości kodem Morse'a . Podczas I wojny światowej, AM głosem dwie radiowe sposób zestawy były możliwe w 1917 roku przez rozwój triody rury próżniowej , które były na tyle proste, że pilot w jednym samolocie siedzenia mógł go używać podczas latania.

Radar , centralna technologia używana dzisiaj w nawigacji lotniczej i kontroli ruchu lotniczego , została opracowana przez kilka krajów, głównie potajemnie, jako system obrony powietrznej w latach 30. XX wieku podczas przygotowań do II wojny światowej . Wiele nowoczesnych awioniki wywodzi się z wydarzeń wojennych z okresu II wojny światowej. Na przykład, systemy autopilota , które są dziś powszechne, zaczęły być wyspecjalizowanymi systemami, które pomagają samolotom bombowym latać wystarczająco stabilnie, aby uderzać w precyzyjne cele z dużych wysokości. Decyzja Wielkiej Brytanii z 1940 r. o udostępnieniu swojej technologii radarowej swojemu sojusznikowi z USA, w szczególności lampy próżniowej magnetronowej , w słynnej misji Tizard , znacznie skróciła wojnę. Współczesna awionika to znaczna część wydatków na samoloty wojskowe. Samoloty takie jak F-15E i obecnie wycofane F-14 mają około 20 procent swojego budżetu przeznaczane na awionikę. Większość nowoczesnych śmigłowców ma obecnie podział budżetu wynoszący 60/40 na korzyść awioniki.

Rynek cywilny również odnotował wzrost kosztów awioniki. Systemy kontroli lotu ( fly-by-wire ) i nowe potrzeby nawigacyjne wynikające z ciaśniejszych przestrzeni powietrznych spowodowały wzrost kosztów rozwoju. Główną zmianą jest niedawny boom na loty konsumenckie. Ponieważ coraz więcej ludzi zaczyna używać samolotów jako podstawowego środka transportu, wynaleziono bardziej wyrafinowane metody bezpiecznego kontrolowania samolotów w tych wysoce restrykcyjnych przestrzeniach powietrznych.

Nowoczesna awionika

Awionika odgrywa ważną rolę w inicjatywach modernizacyjnych, takich jak projekt Systemu Transportu Powietrznego Nowej Generacji Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA) w Stanach Zjednoczonych oraz inicjatywa badawcza jednolitej europejskiej przestrzeni powietrznej (SESAR) w Europie. Wspólne planowanie i Rozwoju Urząd wyciągnął mapę drogową dla awioniki w sześciu obszarach:

  • Opublikowane trasy i procedury — ulepszona nawigacja i wyznaczanie tras
  • Negocjowane trajektorie — dodawanie komunikacji danych w celu dynamicznego tworzenia preferowanych tras
  • Separacja delegowana – zwiększona świadomość sytuacyjna w powietrzu i na ziemi
  • Niska Widoczność/Podejście do Sufitu/Odjazd – Umożliwia operacje w warunkach ograniczeń pogodowych przy mniejszej infrastrukturze naziemnej
  • Operacje naziemne – w celu zwiększenia bezpieczeństwa w podejściu i odlocie
  • Efektywność bankomatów – usprawnienie procesu ATM

Rynek

Aircraft Electronics Association informuje $ 1730000000 sprzedaży awioniki dla pierwszych trzech kwartałach 2017 roku w interesach i lotnictwa ogólnego , 4,1% rocznie poprawa: 73,5% pochodziło z Ameryki Północnej, przód-fit reprezentowane 42,3%, natomiast 57,7% stanowiły modernizacje jako termin USA z dnia 1 stycznia 2020 r. dla obowiązkowego podejścia ADS-B out.

Awionika samolotów

Kokpit samolotu jest typową lokalizacją dla wyposażenia awioniki, w tym systemów sterowania, monitoringu, łączności, nawigacji, pogody i antykolizyjnych. Większość samolotów zasila swoją awionikę za pomocą układów elektrycznych prądu stałego o napięciu 14 lub 28 V ; jednak większe, bardziej wyrafinowane samoloty (takie jak samoloty pasażerskie lub wojskowe samoloty bojowe) mają systemy prądu przemiennego działające przy 400 Hz, 115 woltów prądu przemiennego. Istnieje kilku głównych dostawców awioniki lotniczej, w tym Panasonic Avionics Corporation , Honeywell (która jest obecnie właścicielem Bendix/King ), Universal Avionics Systems Corporation , Rockwell Collins (obecnie Collins Aerospace), Thales Group , GE Aviation Systems , Garmin , Raytheon , Parker Hannifin , UTC Aerospace Systems (obecnie Collins Aerospace), Selex ES (obecnie Leonardo SpA ), Shadin Avionics i Avidyne Corporation .

Międzynarodowe standardy dla sprzętu awionicznego są przygotowywane przez Airlines Electronic Engineering Committee (AEEC) i publikowane przez ARINC.

Komunikacja

Komunikacja łączy pokład lotniczy z ziemią, a pokład lotniczy z pasażerami. Łączność pokładową zapewniają systemy nagłośnieniowe i interkomy w samolotach.

System łączności lotniczej VHF działa w paśmie od 118 000 MHz do 136,975 MHz. Każdy kanał jest oddalony od sąsiednich o 8,33 kHz w Europie, 25 kHz w innych miejscach. VHF jest również używany do komunikacji na linii wzroku, takiej jak samolot-samolot i samolot-ATC. Wykorzystywana jest modulacja amplitudy (AM), a rozmowa prowadzona jest w trybie simpleksowym . Łączność lotnicza może również odbywać się za pomocą HF (zwłaszcza w przypadku lotów transoceanicznych) lub łączności satelitarnej.

Nawigacja

Nawigacja powietrzna to określanie pozycji i kierunku na lub nad powierzchnią Ziemi. Awionika może korzystać z systemów nawigacji satelitarnej (takich jak GPS i WAAS ), systemu nawigacji inercyjnej (INS), naziemnych systemów radionawigacji (takich jak VOR czy LORAN ) lub dowolnej ich kombinacji. Niektóre systemy nawigacyjne, takie jak GPS, automatycznie obliczają pozycję i wyświetlają ją załodze lotniczej na ruchomych wyświetlaczach map. Starsze naziemne systemy nawigacyjne, takie jak VOR lub LORAN, wymagają, aby pilot lub nawigator wykreślił skrzyżowanie sygnałów na mapie papierowej w celu określenia lokalizacji samolotu; nowoczesne systemy automatycznie obliczają pozycję i wyświetlają ją załodze lotniczej na ruchomych wyświetlaczach map.

Monitorowanie

Airbus A380 szklany kokpit wyposażony klawiatur wyciąganych i dwóch szerokich ekranach komputera na bokach dla pilotów.

Pierwsze wzmianki o szklany kokpit pojawiły się w 1970 roku, kiedy loty godny kineskop (CRT) Ekrany zaczęły zastępować elektromechaniczne wyświetlacze, wskaźniki i instrumenty. „Szklany” kokpit odnosi się do używania monitorów komputerowych zamiast wskaźników i innych wyświetlaczy analogowych. Samoloty otrzymywały coraz więcej wyświetlaczy, pokręteł i tablic informacyjnych, które ostatecznie rywalizowały o przestrzeń kosmiczną i uwagę pilotów. W latach 70. przeciętny samolot miał ponad 100 przyrządów i przyrządów sterujących w kokpicie. Szklane kokpity zaczęły powstawać wraz z prywatnym odrzutowcem Gulfstream G-IV w 1985 roku. Jednym z kluczowych wyzwań w szklanych kokpitach jest zrównoważenie tego, jak wiele elementów sterowania jest zautomatyzowanych, a ile pilot powinien robić ręcznie. Generalnie starają się zautomatyzować operacje lotnicze, jednocześnie informując pilota na bieżąco.

System kontroli lotu samolotu

Samoloty posiadają środki do automatycznego kontrolowania lotu. Autopilot został po raz pierwszy wynaleziony przez Lawrence'a Sperry'ego podczas I wojny światowej, aby latać samolotami bombowymi wystarczająco stabilnymi, aby trafiać w celne cele z odległości 25 000 stóp. Kiedy po raz pierwszy został przyjęty przez wojsko USA , inżynier z firmy Honeywell siedział na tylnym siedzeniu z przecinakami do śrub, aby w razie niebezpieczeństwa odłączyć autopilota. Obecnie większość samolotów komercyjnych jest wyposażona w systemy kontroli lotu w celu zmniejszenia błędów pilota i obciążenia pracą podczas lądowania lub startu.

Pierwsze proste komercyjne autopiloty były używane do kontrolowania kursu i wysokości, a ich uprawnienia były ograniczone do takich rzeczy, jak ciąg i powierzchnie sterowania lotem . W śmigłowcach w podobny sposób zastosowano autostabilizację. Pierwsze systemy były elektromechaniczne. Pojawienie się technologii fly by wire i powierzchni do lotu sterowanych elektrycznie (zamiast tradycyjnej hydrauliki) zwiększyło bezpieczeństwo. Podobnie jak w przypadku wyświetlaczy i instrumentów, krytyczne urządzenia, które były elektromechaniczne, miały skończoną żywotność. W przypadku systemów krytycznych dla bezpieczeństwa oprogramowanie jest bardzo rygorystycznie testowane.

Systemy paliwowe

System wskazywania ilości paliwa (FQIS) monitoruje ilość paliwa na pokładzie. Korzystając z różnych czujników, takich jak rurki pojemnościowe, czujniki temperatury, densytometry i czujniki poziomu, komputer FQIS oblicza masę paliwa pozostałego na pokładzie.

System kontroli i monitorowania paliwa (FCMS) informuje w podobny sposób o paliwie pozostającym na pokładzie, ale kontrolując pompy i zawory, zarządza również transferami paliwa wokół różnych zbiorników.

  • Kontrola tankowania w celu załadowania określonej całkowitej masy paliwa i automatycznej dystrybucji.
  • Transfery w locie do zbiorników zasilających silniki. EG od kadłuba do zbiorników skrzydłowych
  • Środek ciężkości przenosi się ze zbiorników ogonowych (trymowania) do przodu na skrzydła w miarę zużywania paliwa
  • Utrzymywanie paliwa w końcówkach skrzydeł (aby zapobiec uginaniu się skrzydeł z powodu unoszenia się w locie) i przenoszenie do głównych zbiorników po wylądowaniu
  • Kontrolowanie zrzutu paliwa w sytuacji awaryjnej w celu zmniejszenia masy samolotu.

Systemy unikania kolizji

W celu uzupełnienia kontroli ruchu lotniczego większość dużych samolotów transportowych i wiele mniejszych korzysta z systemu ostrzegania o ruchu i unikania kolizji (TCAS), który może wykryć położenie pobliskiego statku powietrznego i dostarczyć instrukcji, jak uniknąć kolizji w powietrzu. Mniejsze statki powietrzne mogą korzystać z prostszych systemów ostrzegania o ruchu, takich jak TPAS, które są pasywne (nie odpytują aktywnie transponderów innych statków powietrznych) i nie dostarczają porad dotyczących rozwiązywania konfliktów.

Aby uniknąć kontrolowanego lotu w teren ( CFIT ), samoloty wykorzystują systemy, takie jak systemy ostrzegania o bliskości ziemi (GPWS), które wykorzystują wysokościomierze radarowe jako kluczowy element. Jedną z głównych słabości GPWS jest brak informacji „wyprzedzenia”, ponieważ zapewnia ona jedynie „spojrzenie w dół” wysokości nad terenem. Aby przezwyciężyć tę słabość, nowoczesne samoloty wykorzystują system ostrzegania o orientacji terenu ( TAWS ).

Rejestratory lotu

Rejestratory danych z kokpitu samolotów komercyjnych, powszechnie znane jako „czarne skrzynki”, przechowują informacje o locie i dźwięk z kokpitu . Często są one odzyskiwane z samolotu po katastrofie w celu określenia ustawień sterowania i innych parametrów podczas incydentu.

Systemy pogodowe

Systemy pogodowe, takie jak radar pogodowy (zwykle Arinc 708 w samolotach komercyjnych) i detektory wyładowań atmosferycznych są ważne dla samolotów latających w nocy lub w warunkach meteorologicznych dla przyrządów , gdzie piloci nie są w stanie zobaczyć pogody z przodu. Silne opady (wykrywane przez radar) lub silne turbulencje (wykrywane przez aktywność piorunów) są zarówno oznakami silnej aktywności konwekcyjnej, jak i silnych turbulencji, a systemy pogodowe pozwalają pilotom na zboczenie z tych obszarów.

Detektory wyładowań atmosferycznych, takie jak Stormscope czy Strikefinder, stały się na tyle niedrogie, że nadają się do stosowania w lekkich samolotach. Oprócz wykrywania radarów i wyładowań atmosferycznych, obserwacje i rozszerzone obrazy radarowe (takie jak NEXRAD ) są teraz dostępne za pośrednictwem satelitarnych połączeń danych, dzięki czemu piloci mogą zobaczyć warunki pogodowe daleko poza zasięgiem ich własnych systemów pokładowych. Nowoczesne wyświetlacze umożliwiają integrację informacji o pogodzie z poruszającymi się mapami, terenem i ruchem na jednym ekranie, co znacznie upraszcza nawigację.

Nowoczesne systemy pogodowe obejmują również wykrywanie uskoków wiatru i turbulencji oraz systemy ostrzegania o terenie i ruchu drogowym. Pokładowa awionika meteorologiczna jest szczególnie popularna w Afryce, Indiach i innych krajach, w których podróże lotnicze są rozwijającym się rynkiem, ale obsługa naziemna nie jest tak dobrze rozwinięta.

Systemy zarządzania samolotami

Nastąpił postęp w kierunku scentralizowanej kontroli wielu złożonych systemów montowanych w samolotach, w tym monitorowania i zarządzania silnikiem. Systemy monitorowania stanu i użytkowania (HUMS) są zintegrowane z komputerami zarządzającymi samolotami, aby zapewnić personelowi obsługi wczesne ostrzeżenia o częściach, które będą wymagały wymiany.

Koncepcja zintegrowanej modułowej awioniki proponuje zintegrowaną architekturę z oprogramowaniem aplikacyjnym, które można przenosić w obrębie zestawu wspólnych modułów sprzętowych. Był używany w myśliwcach odrzutowych czwartej generacji oraz w samolotach pasażerskich najnowszej generacji .

Awionika misyjna lub taktyczna

Samoloty wojskowe zostały zaprojektowane albo do dostarczania broni, albo do bycia oczami i uszami innych systemów uzbrojenia. Szeroka gama czujników dostępnych dla wojska jest wykorzystywana do wszelkich wymaganych środków taktycznych. Podobnie jak w przypadku zarządzania samolotami, większe platformy czujników (takie jak E‑3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1) mają komputery do zarządzania misją.

Samoloty policyjne i EMS są również wyposażone w zaawansowane czujniki taktyczne.

Łączność wojskowa

Podczas gdy komunikacja samolotowa stanowi podstawę bezpiecznego lotu, systemy taktyczne są zaprojektowane tak, aby wytrzymać rygory pola bitwy. Łączność zabezpieczają systemy UHF , VHF Tactical (30–88 MHz) i SatCom w połączeniu z metodami ECCM i kryptografią . Łącza danych, takie jak Link 11 , 16 , 22 i BOWMAN , JTRS, a nawet TETRA, zapewniają środki transmisji danych (takich jak obrazy, informacje o celu itp.).

Radar

Radar powietrzny był jednym z pierwszych czujników taktycznych. Korzyści płynące z zapewniania zasięgu wysokości oznaczały znaczny nacisk na technologie radarów powietrznych. Radary obejmują wczesne ostrzeganie z powietrza (AEW), walkę z okrętami podwodnymi (ASW), a nawet radar pogodowy ( Arinc 708 ) i radar śledzenia/zbliżeniowy.

Wojsko wykorzystuje radar w szybkich odrzutowcach, aby pomóc pilotom latać na niskich wysokościach . Chociaż rynek cywilny od jakiegoś czasu ma radar pogodowy, istnieją surowe zasady dotyczące używania go do nawigacji w samolocie.

Sonar

Sonar zanurzeniowy zamontowany w szeregu śmigłowców wojskowych pozwala helikopterowi chronić zasoby żeglugi przed okrętami podwodnymi lub zagrożeniami powierzchniowymi. Morskie samoloty wsparcia mogą zrzucać aktywne i pasywne urządzenia sonarowe ( sonobooy ), które są również wykorzystywane do określania lokalizacji okrętów podwodnych wroga.

Elektrooptyka

Systemy elektrooptyczne obejmują urządzenia takie jak wyświetlacz przezierny (HUD), podczerwień patrząca w przód (FLIR), wyszukiwanie i śledzenie w podczerwieni oraz inne pasywne urządzenia na podczerwień ( pasywny czujnik podczerwieni ). Wszystkie są wykorzystywane do dostarczania zdjęć i informacji załodze lotniczej. Te obrazy są wykorzystywane do wszystkiego, od poszukiwań i ratownictwa po pomoce nawigacyjne i namierzanie celów .

ESM/DAS

Elektroniczne środki wsparcia i systemy pomocy obronnej są szeroko stosowane do zbierania informacji o zagrożeniach lub możliwych zagrożeniach. Mogą być używane do wystrzeliwania urządzeń (w niektórych przypadkach automatycznie) w celu przeciwdziałania bezpośrednim zagrożeniom dla samolotu. Służą również do określenia stanu zagrożenia i jego identyfikacji.

Sieci lotnicze

Systemy awioniki w wojskowych, komercyjnych i zaawansowanych modelach samolotów cywilnych są połączone za pomocą magistrali danych awioniki. Popularne protokoły magistrali danych awioniki, wraz z ich podstawowym zastosowaniem, obejmują:

Zobacz też

Uwagi

Dalsza lektura

  • Awionika: opracowanie i wdrożenie Cary R. Spitzer (twarda okładka – 15 grudnia 2006)
  • Principles of Avionics , 4. wydanie autorstwa Alberta Helfricka, Len Buckwalter i Avionics Communications Inc. (oprawa miękka – 1 lipca 2007)
  • Szkolenie w dziedzinie awioniki: systemy, instalacja i rozwiązywanie problemów — Len Buckwalter (oprawa miękka — 30 czerwca 2005 r.)
  • Uproszczona awionika — dr Mouhamed Abdulla; dr Jaroslav V. Svoboda oraz dr Luis Rodrigues. (Pakiet kursów – grudzień 2005 - ISBN  978-0-88947-908-1 ).

Zewnętrzne linki