Дослідження понад 100 років автоматизації польоту та історії автопілота

Олександр Толстих / Shutterstock

Автоматичний пілот («автопілот») має бути одним із найкращих технологічних винаходів авіації . Тим не менш, він також є одним із найперших, оскільки був представлений (у своїй найпростішій формі) у 1912 році, лише через дев’ять років після того, як брати Райт вперше піднялися в повітря на своєму двигуні Wright Flyer у 1903 році.

З тих перших днів автопілот надзвичайно розвинувся як з точки зору можливостей, так і функціональності. Сьогодні сучасні літаки оснащені системами, які можуть не тільки керувати літаком, але також можуть виконувати повністю автоматизовані зльоти та посадки та навіть можуть забезпечувати системи захисту у разі незвичайних ситуацій польоту, які загрожують безпеці літака та його пасажирів.

Здебільшого минули ті часи, коли пілотам доводилося вручну керувати своїм літаком від запуску двигуна до вимкнення, постійно тримаючи руки на елементах керування. Однак розробка автопілота також не обійшлася без недоліків. Деякі резонансні аварії були спричинені або помилками автопілота, або тим, що пілоти неправильно інтерпретували те, що робив автопілот, що призвело до катастрофічних наслідків. 

Skycolors / Shutterstock

Але, незважаючи на це, розвиток автопілота зробив політ, будь то на маленькому легкому літаку чи Airbus A380 , таким, яким він є сьогодні. AeroTime оглядається на розвиток систем автоматичного пілота, починаючи з перших днів перед Першою світовою війною, аж до сучасного еквівалента, а також на те, як політ тривалістю 18 годин або більше може бути безпечним, коли пілотам майже не потрібно вручну маніпулювати елементами керування польотом на будь-якому етапі цього процесу. 

Що таке автопілот?            

У роки після піонерської роботи братів Райт щодо створення принципів польоту з двигуном, аеронавігаційні інженери прагнули використовувати нові технології та розвивати досвід, щоб розширити можливості того, чого можна досягти за допомогою польоту. Зі зростанням попиту на триваліші рейси та бажанням відправляти спочатку пошту, а потім і пасажирів повітрям на великі відстані, виникла потреба зменшити навантаження на пілота під час таких подорожей. Обмеження людської спритності та втома пілота були двома ранніми факторами, які забороняли авіаперевізникам виконувати тривалі польоти.

Пілоти перших літаків вимагали невпинної зосередженості, і будь-яка помилка могла мати фатальні наслідки. Тому потреба в технології, яка могла б полегшити навантаження від пілотування на довших польотах, була вирішальною. В результаті був розроблений перший автопілот, який вводив елемент управління траєкторією літака.

Peer Ole Seidler Photo / Shutterstock

Простіше кажучи, автопілот допомагає керувати літальним апаратом, тоді як пілот піклується про аспекти, які вимагають оцінки. Дозволяючи пілоту зосередитися на ширших аспектах польоту, автопілот контролює траєкторію польоту літака, зазвичай керуючи трьома основними вимірами польоту – тангажом, креном і поворотом.

Автопілот дозволяє контролювати рух літака автономно, без ручного введення елементів управління людиною. Однак важливо зазначити, що автопілот зазвичай має вмикатися та вимикатися за допомогою людини, і загалом автопілот служить для допомоги пілоту, а не як заміна йому.

Ранній розвиток автопілота

У 1912 році американський винахідник на ім'я Елмер Амброуз Сперрі, працюючи у співпраці з німецьким фізиком Германом Аншютц-Кемпфе, запропонував систему, яка дозволила б рухомому транспортному засобу (будь-якого типу) підтримувати заданий курс. Робота цієї нової системи ґрунтуватиметься на підключенні одного або кількох гіроскопів і компаса до елементів керування даного транспортного засобу. Теорія була успішно продемонстрована двома чоловіками, їхня нова система була встановлена ​​та використана на кількох десятках кораблів ВМС США та одразу завоювала визнання у всьому світі за свою надійність та продуктивність.

Коли теорія автопілота буде доведена та встановлена, син Елмера Амброуза Сперрі, Лоуренс Сперрі, візьметься за розробку полегшеної версії винаходу свого батька, який можна буде використовувати для керування літаками. Сам затятий авіаційний ентузіаст, Лоуренс Сперрі вже бачив переваги вдосконалення системи автопілота для літаків для прискорення розвитку авіації.   

Chicago Daily News / Wikimedia Commons

Лоуренс Сперрі вважав, що трьома осями польоту літака (крен, тангаж і поворот) можна одночасно керувати автоматичною системою, якщо вона використовує один або кілька гіроскопів як орієнтир, зберігаючи орієнтацію та стан літака. Сперрі довелося розробити метод, за допомогою якого контрольні поверхні літака можна було б фізично зв’язати з гіроскопами, що дозволило б вносити автоматичні корекції в профіль польоту на основі кута відхилення між напрямком польоту та вихідною гіроскопічною конфігурацією.

Винахід Сперрі був відомий як «гіроскопічний автоматичний пілот», який пізніше багато авіаторів називали просто «Джордж». Його інновація полягала в автоматичному балансуванні літака в польоті, таким чином звільняючи пілота від необхідності вручну керувати поверхнями управління польотом, звільняючи їх для контролю за приладами двигуна та виконання інших завдань під час польоту.

Перший автопілот Sperry народився з концепції допомоги пілотам під час тривалих польотів і зменшення їхнього фізичного та психічного навантаження. Політ протягом тривалого періоду часу за кермом базового літака був важкою фізичною роботою, а погана погода чи механічні проблеми також могли посилити втому пілота під час тривалих польотів.

Hgrobe / Wikimedia Commons

Гіроскопи, які Сперрі використовуватиме для розробки авіаційного автопілота, вимагатимуть електроенергії, щоб підтримувати швидкість їх обертання близько 7000 об/хв. Однак Сперрі вирішив це використання за допомогою вітряного генератора, розташованого на крилі літака для забезпечення необхідної енергії. Оскільки продуктивність літака все ще значною мірою обмежена потужністю двигуна та вагою, нова система автопілота Sperry мала бути компактною та легкою. Йому вдалося зменшити загальний розмір його першої системи автопілота до 18 кілограмів (39,6 фунтів) ваги та розміру невеликої валізи приблизно 45 x 45 x 30 сантиметрів.

Демонстрація нового винаходу Сперрі

Розробивши нову систему автопілота, її потрібно було продемонструвати та розповсюдити її потенційні переваги ширшій аудиторії. Сам Сперрі взяв на себе це завдання, продемонструвавши роботу системи на  Concours de la Securité en Aéroplane  (Конкурс з безпеки польотів), який проходив у Парижі на початку 1914 року.

56 літаків, які брали участь у конкурсі 1914 року, представили широкий спектр авіаційних інновацій, починаючи від механізмів із допоміжним пуском, автоматичних карбюраторів, базових систем стабілізації та багатьох інших інновацій, які мали на меті сприяти безпеці авіації. У той час як більшість експонентів були вихідцями з Франції, інші, включаючи Sperry, також бачили в конкурсі ідеальну платформу для реалізації своїх ідей.

На конкурсі була представлена ​​інновація Sperry, встановлена ​​на одномоторному літаку Curtiss C-2 з корпусоподібним нижнім корпусом. Його система забезпечить літаку автоматичну стабільність і механізм керування за допомогою керування елеронами, стабілізатором і хвостовим рулем за допомогою набору простих гіроскопів. Сперрі продемонстрував систему на Curtiss C-2 у супроводі Еміля Качіна, французького механіка.

Коли 18 червня 1914 року почався демонстраційний термінал Сперрі, Curtiss C-2 вилетів з аеродрому Бук, розташованого поблизу Парижа, і попрямував за заздалегідь визначеним маршрутом уздовж річки Сени, де тисячі глядачів і суддівська комісія зібралися вздовж берега річки. Однак, будучи повністю переконаним у можливостях свого винаходу, це не мав бути звичайний дисплей.   

Коли літак вишикувався вздовж річки, коли літак летів прямо та рівно, обидва чоловіки на борту літака підняли руки, щоб продемонструвати, що літак може продовжувати політ без будь-якого ручного введення з їхнього боку. Під час другого проходу перед суддівською колегією та під час демонстрації незбагненної небезпеки Качин піднявся на одне з крил літака, а Сперрі поклав руки на голову. Коли французький механік ковзав уздовж крила літака, зміщуючи його центр ваги, літак вийшов з рівноваги. Однак, коли в цей момент увімкнулися гіроскопи, літак виправив зміну ваги сам, без втручання Сперрі.  

Національна бібліотека Франції / Wikimedia Commons

Все ще не задоволені тим, що його система була повністю продемонстрована, незважаючи на шалене хвилювання натовпу на березі внизу, під час останнього проходу обидва члени екіпажу піднялися на крила, щоб помахати глядачам, довівши поза всяким сумнівом, наскільки надійною є нова система автопілота Сперрі. Після завершення демонстрації польоту один із суддів сів на борт літака, щоб перевірити систему в повітрі. Сперрі здійснив останній короткий політ, у якому він продемонстрував, як його літак може злітати та сідати, частково керуючи його новим винаходом.

Наступне оголошення результатів конкурсу показало, що Сперрі отримав перше місце та пішов із призовим у розмірі 50 000 франків разом із міжнародним визнанням.

Корпорація Sperry продовжила розробку інших гіроскопічних інструментів, включаючи штучний горизонт і індикатор курсу. Ці системи продовжують бути встановлені в багатьох поточних сьогодні. Навіть найбільш автоматизовані літаки, такі як Airbus A350, Boeing 787 Dreamliner і військовий реактивний літак F-35, стандартно встановлюються з такими приладами, якщо збій електрики вплине на більш сучасні екрани кабіни.

Мікко Райнанен / ShutterstockПодальші досягнення

Коли Сперрі розробляв свою систему автопілота, інша організація,  Societé de Production Armand Deperdussin,  розробила центральний важіль керування, який міг керувати елеронами та стабілізаторами, а також педалями, які могли керувати кермом. Раніше, у ранніх літаках, кожен використовував різні системи керування та механізми для маніпулювання поверхнями управління польотом, при цьому пілоти повинні були розуміти льотні характеристики кожного типу. Винахід Депердуссена спрощував би цей процес, роблячи роботу поверхонь управління літаком дещо більш рівномірною, і значно доповнював би ефективність автопілота Сперрі.

Оскільки інтерес до таких систем і розвиток таких систем прискорилися в період між 1914 і 1918 роками, почалася рання робота над розробкою першого в світі безпілотного літального апарату (БПЛА), який би керувався до конкретної цілі за допомогою гіроскопів. Однак, оскільки Перша світова війна вимагала досвіду аеронавігаційних інженерів у всьому світі для посилення військових зусиль, цей проект було відкладено, принаймні на час.

Післявоєнний розвиток автопілота

Після закінчення Першої світової війни в 1918 році інженери та винахідники знову звернули увагу на автоматизацію польоту. У цей період було впроваджено технологію, яку називають «помічником пілота», яка, на відміну від раннього гіроскопічного дизайну Сперрі, використовувала пневматичний гіроскоп для керування польотом літака. Цю технологію запровадила Королівська авіаційна установа Великобританії в 1930 році.

Подальший розвиток також включав впровадження сервомеханізмів з гідравлічним приводом та інших удосконалень, які, хоча й ускладнювали автоматизовані системи, дозволили б спростити політ за несприятливих погодних умов або вночі, залишаючи пілотів зосередитися на загальній безпеці польоту. Система автопілота Sperry стала особливо популярною в 1920-х і 1930-х роках, коли авіатранспорт почав розвиватися, і люди почали подорожувати все далі і далі.

EAA

Дійсно, легендарний льотчик Говард Хьюз встановив його на літак Lockheed Electra, який використовував для встановлення нового світового рекорду з навколосвітнього польоту за три дні та 19 годин. Літак Хьюза також був оснащений інноваційним радіо- та навігаційним обладнанням, у тому числі « навігаційним роботом », винайденим В. Л. Максоном, який міг обчислити точне географічне розташування літака.

З початком Другої світової війни в 1939 році, до якої США приєднаються в 1941 році, використання гіроскопічних автопілотів і навігаційних комп’ютерів стало набагато поширенішим, що максимально розширило можливості багатьох типів літаків.  

Комерційні програми

Після війни почався бум комерційних авіаперевезень і ще більший попит на автоматизацію польотів, оскільки довжина секторів швидко зростала. Протягом 1950-х, 1960-х і 1970-х років дослідження показали, що все більше авіаційних подій зі смертельними наслідками були результатом людської помилки, а не механічної несправності, тому посилення автоматизації було основним засобом зробити авіаперельоти безпечнішими.

Х'ю Ллевелін / Wikimedia Commons

Навіть у 1950-х роках комерційні літаки використовували п’ять членів екіпажу в кабіні, що складалася з двох пілотів, бортінженера, радиста та штурмана. Протягом наступних кількох десятиліть, коли авіакомпаніям потрібно буде скоротити витрати, автоматизація та вдосконалені технології зрештою призведуть до того, що тих, хто не керує літаками, буде звільнено. У 1989 році з’явився Boeing 747-400, який став першим далекомагістральним літаком, який нарешті позбавив потреби навіть бортінженера.

У червні 1965 року Hawker Siddeley Aircraft Company з Великобританії представила свою нову систему Autoland на літаку British European Airways Trident в лондонському аеропорту Хітроу (LHR) . Розроблена та поставлена ​​компанією Smiths Aircraft Industries система автопосадки була новаторською функцією, яка дозволяла екіпажам працювати в умовах майже нульової видимості. Це дозволило «Трайденту» автоматично направлятися до аеродрому, наближатися до злітно-посадкової смуги, висвітлюватися, приземлятися, а потім викочуватися зі злітно-посадкової смуги без втручання пілота в управління.  

Удо Хаафке / Wikimedia Commons

Запровадження можливостей автоматизованої посадки стало наступним великим розвитком автопілота та призвело до революції в роботі літаків в умовах поганої видимості, технологія, яка використовується й сьогодні.

Потім, у 1986 році, компанія Airbus продемонструвала перше втілення повністю автоматизованої системи « fly-by-wire » на випробувальному широкофюзеляжному A300 . Fly-by-wire (FBW) — це загальноприйнятий термін для тих систем керування польотом, які використовують комп’ютери для обробки вхідних даних керування польотом, зроблених пілотом або автопілотом, і надсилають відповідні електричні сигнали на виконавчі механізми керування польотом.

Кен Філдінг / Wikimedia Commons

Компонування Fly-by-wire замінює механічний зв'язок і означає, що пілотні входи не переміщують безпосередньо поверхні керування. Замість цього вхідні дані зчитуються комп’ютером, який, у свою чергу, визначає, як рухати поверхні керування, щоб найкраще досягти того, що хоче пілот, відповідно до того, який із доступних законів керування польотом активний. Технологія Fly-by-wire також стала звичайним явищем, гарантуючи, що літак залишається безпечним і придатним до польоту навіть у найекстремальніших обставинах, і вважається, що врятувала сотні літаків від потенційних аварій протягом багатьох років.       

Процес польоту можна розділити на сім важливих етапів: руління, зліт, набір висоти, крейсерський політ, зниження, заходження на посадку та фази посадки. Донедавна сучасний автопілот з використанням комп’ютерних технологій був здатний автоматизувати всі ці етапи, крім руління та зльоту. Однак 16 січня 2020 року компанія Airbus успішно здійснила перший повністю автоматичний зліт на основі візуалізації за допомогою тестового літака Airbus Family в аеропорту Тулуза-Бланьяк (TLS) у Франції. Передова технологія літака була повністю використана, а пілоти просто спостерігали за характеристиками літака.

Зображення VanderWolf / ShutterstockСучасні автопілоти

Сучасний автопілот тепер є звичним явищем у багатьох літаках, включаючи навіть найпростіші навчальні літаки та гелікоптери. Проте все ще є деякі менші та старіші літальні апарати, які залишаються керованими вручну з традиційними ручками керування польотом, які вимагають 100% ручного введення. Існують навіть менші комерційні пасажирські літаки, такі як Britten-Normal Islander , які постачаються без автопілотів, оскільки такі типи призначені лише для дуже коротких секторів польоту. Загалом, комерційний авіалайнер повинен бути обладнаний автопілотом, якщо він вміщує 20 пасажирів або більше.

EdgarAirborne / Shutterstock

На відміну від історичного автопілота, сучасний автопілот включає комп’ютерне програмне забезпечення для керування багатьма аспектами літака, як це видно в багатьох сучасних типах літаків, як цивільних, так і військових. У сучасному автопілоті використовуються три основні рівні керування: 

• Одноосьовий автопілот, який керує літальним апаратом лише по осі крену. 
• Двоосьовий автопілот керує літальним апаратом як по осі тангажу, так і по крену, з обмеженою здатністю коригувати коливання тангажу. Він може отримувати вхідні дані від бортових радіонавігаційних систем для забезпечення справжнього автоматичного керування польотом після того, як літак злетить незадовго до приземлення, або його можливості можуть бути десь між ними. 
• Трьохосьовий автопілот додає контроль за віссю повороту, а також за тангажом і креном, забезпечуючи можливість повністю автоматизованого керування польотом за всіма трьома осями польоту.

Ці три рівні контролю підвищуються за своїм рівнем управління літальним апаратом і можливостями. Загалом, це лише тривісний автопілот, який використовується в більш сучасних і складних літальних апаратах, але він додає найбільше можливостей кабіні та максимально зменшує навантаження на пілота – початкова мета для першої гіроскопічної автоматизованої системи Sperry.

Автоматизація зайшла занадто далеко?

Немає жодних сумнівів, що винахід автопілота здійснив революцію в авіації з тих пір, як його вперше винайшов Лоуренс Сперрі в 1912 році. Він не тільки дозволив літакам і їх екіпажам літати швидше, далі і безпечніше, але й фактично зменшив світ завдяки можливості здійснювати далекі польоти лише з двома з трьох членів екіпажу на борту.

Однак останнім часом з'явилися аргументи, що покладання на автоматизацію кабіни зайшло занадто далеко . У червні 2009 року Airbus A330 Air France, що летів з Ріо-де-Жанейро до Парижа, впав в Атлантичний океан, загинули всі 228 пасажирів і членів екіпажу. У подальшому звіті про аварію було встановлено, що неправильне поводження пілотів зрештою призвело до того, що літак звалився, з якого вони не змогли вибратися.

Еліяху Йосеф Парипа / Wikimedia Commons

Під час розслідування було встановлено, що автопілот літака зазнав тимчасових невідповідностей у вимірюваннях швидкості повітря, які він отримував від літака, через обмерзання, що накопичувалося всередині трубок Піто на зовнішній частині літака. Ці невідповідності спричинили відключення автопілота.

Екіпаж відреагував на це неправильно, в результаті чого літак увійшов в аеродинамічне звалювання, яке пілоти не змогли виправити. Пізніше противники автоматизації літаків стверджували, що надмірна залежність від автоматизації кабіни пілота сталася за рахунок базових навичок польоту, оскільки екіпаж Air France не міг визначити зрив або мати досвід, щоб ефективно відновити ситуацію.

Резюме

Сучасні автопілоти включають багато можливостей, про які Сперрі ніколи не міг уявити, коли він з гордістю (і вражаюче) демонстрував свій перший винахід у Парижі в 1914 році. Такі нові розробки включають підтримку літаком заданої крейсерської швидкості, прискорення або зменшення швидкості заздалегідь запрограмованим способом, відстеження плану маршруту, введеного в навігаційний комп’ютер екіпажем перед вильотом, або навіть вирівнювання літак із злітно-посадковою смугою та виконує повністю автоматизований зліт або посадку.

Reshetnikov_art / Shutterstock

Проте принципи автопілота залишаються такими ж, як і за часів Сперрі, і його внесок у сучасні повітряні подорожі не можна заперечувати. Розвиток автопілота від основного приладу на основі гіроскопа до сучасних комп’ютерів, здатних маніпулювати всіма фазами польоту, — це перехід, від якого багато хто продовжує дивуватися.

Трохи більше ніж за сторіччя завдяки величезним можливостям технологій кабіни та автоматизації пілоти звільнили тиск від продовження підвищення безпеки польотів. Але в епоху, коли розвиток комп’ютерних технологій невпинно розвивається, а бажання подорожувати повітрям продовжує зростати, можна тільки здогадуватися, куди нас приведе шлях автоматизації кабіни в майбутньому.