Глава 1. Безопасность полетов и задачи обучения экипажей на тренажерах

1.1. Авиационный тренажер как обучающее средство

Экипажам современных воздушных судов, до предела насыщен­ных бортовым оборудованием и автоматикой, приходится решать все более трудные и ответственные задачи как непосредственно в полете, так и при его подготовке и завершении на земле. Причин этого, казалось бы парадоксального явления, много; большинст­во из них обусловлены тенденциями развития гражданской авиа­ции и тесно взаимосвязаны.

Основная причина заключается в том, что в течение, длитель­ного периода идет непрерывный рост авиационных перевозок пас­сажиров и народнохозяйственных грузов, осуществляемых практи­чески во всех регионах Земли. Для иллюстрации укажем что в 1985 г. в СССР воздушный транспорт перевез более 112 млн. пас­сажиров (в 1970 г. —71 млн.). Число полетов, осуществляемых еже­годно самолетами и вертолетами Аэрофлота, достигает несколь­ких миллионов. В XIII пятилетке эти показатели . получат даль­нейшее развитие. Заметим, что объем пассажирских перевозок за рубежом также непрерывно возрастает. По данным ИКАО, в 1985 г. количество пассажиров, перевезенных по воздуху всеми авиаком­паниями мира, составило 1,12 млрд.; в 1970 г. Было соответст­венно перевезено 382 млн. человек (рис. 1.1).

Прогресс гражданской авиации неотделим от повышения требо­ваний к безопасности, регулярности, всепогодности, экономиче­ской эффективности. Стремление к регулярности и всепогодности сопровождается существенным расширением диапазона условий эксплуатации воздушных судов, снижением метеоминимумов, что сопряжено с увеличением частоты встречаемости неблагоприятных метеофакторов. Это, в свою очередь, усиливает требования к ка­честву управления, что приводит к насыщению летательного аппа­рата средствами комплексной автоматизации, вычислительной техникой, агрегатами связи. В целом растет сложность авиа­ционной техники, увеличивается число функциональных систем на борту и сопряженных с воздушным судном систем на земле. Все эти компоненты нуждаются в контроле и управлении со стороны экипажа, хотя и в различной степени.

Из графиков (см. рис. 1.1) заметна еще одна очень важная тенденция развития гражданской авиации: парк магистральных самолетов (обладающих массой более 20 т) растет значительно

Рис. 1.1. Изменение по годам важнейших характеристик авиационных перевозок и основных показателей безопасности полета (по данным ИКАО): 1 — число пассажиров, млн; 2 — парк магистральных самолетов (массой более 20 т); 3 — число катастроф на 100 000 полетов; 4 — число катастроф на 100 000 ч . полета. Графики 2, 3 и 4 приведены без учета дан­ных для СССР и Китая

медленнее, чем количество перевозимых пассажиров. Это являет­ся отражением существенного увеличения вместимости воздушных судов и повышения интенсивности перевозок. Отсюда можно сде-

лать вывод о возрастании прямой и косвенной нагрузок на экипажи, что еще больше повышает требования к профессиональному уровню летного состава.

Насыщение гражданской авиации новейшей техникой совер­шенствование систем управления и пилотажно-навигационного оборудования, улучшение характеристик ЛА и другие меры конструк­тивного характера, хотя и исключительно важны, не могут сами по себе улучшить использование авиации, повысить безопасность и регулярность полетов. Всему этому должны сопутствовать высо­кое профессиональное мастерство летных экипажей и умелая, квалифицированная эксплуатация со стороны различных служб.

За последние тридцать лет количество средств контроля и управления на самолете увеличилось примерно в 10 раз*, тогда как возможности человека, по существу, не изменились. Это при­водит к возрастанию интенсивности труда пилотов и других чле­нов экипажей. Немаловажное значение имеет и то что эксплуата­ционный диапазон параметров, в котором приходится летать воз­душным судам, продолжает расширяться. Сегодня, например, можно осуществлять полет в метеоусловиях, которые еще недав­но считались нелетными, совершать посадки на скользкие и об­леденелые взлетно-посадочные полосы (ВПП) и т. п.

Конструктивные, организационные и иные меры, направлен­ные на повышение безопасности полетов, дают свои плоды: удель­ные показатели безопасности, отнесенные к числу полетов или к одному полетному часу, снижаются, хотя и не всегда так, как того хотелось бы (см. рис. 1.1)**. Здесь важно отметить и то, что в связи с увеличением общего количества полетов и ростом пассажировместимости ЛА, определенные ограничения накла­дываются не только на относительные показатели безопасности, но и на абсолютное число летных происшествий и на возможное число пострадавших.

Достижение, качественно нового уровня авиационной техники, повышение эффективности перевозок, обеспечение необхо­димой безопасности полетов требуют разработки и внедрения новых эффективных мер в области обучения экипажей, практи­ческого повышения профессионального мастерства. В свою оче­редь, это предъявляет серьезные требования к системе подго­товки экипажей. Напомним, что, по данным ИКАО, более чем в половине летных происшествий проявились грубые ошибки эки­пажей. В значительном числе случаев именно они явились глав­ными причинами аварий или катастроф (подробно анализ распределения причин летных происшествий будет проведен ниже).

* Данные приводятся без учета новых интегральных пилотажно-навигационных средств.

Принято эти показатели относить к 100 000 полетов или к 100000 ч налета

Характерная особенность современных ЛА — большое число ситуаций, которые могут возникнуть в полете, в особенности при появлении отказов. В процессе полета на ЛА и его системы воздействует большое число факторов различной физической при­роды, изменяющихся в очень широких пределах. К таковым отно­сятся режимы полета, атмосферные параметры, эксплуатацион­ные условия и пр. Изменение ряда факторов так же, как возникно­вение неблагоприятных их сочетаний, представляет собой опре­деленные возмущения. Парирование таких возмущений следует считать одной из важнейших задач пилотирования. Не менее важ­ной задачей является выполнение взлета и посадки ЛА в различ­ных атмосферных, погодных и эксплуатационных условиях.

Пилотирование воздушных судов представляет собой сложный процесс, в котором человек-оператор должен выполнять мно­жество процедур. Даже в полностью автоматическом полете оператор выполняет ряд важных обязанностей, в том числе функции «горячего резервного звена», готового, при необходимо­сти, взять управление на себя. Особенно усиливается роль эки­пажей в экстремальных условиях — в полетах вблизи ограничений, на критических режимах, при отказах, следствием которых являет­ся возникновение так называемых «особых случаев» (ОС) или си­туаций полета. Очень часто экипаж должен при таких ситуациях переходить к ручному управлению. В тех случаях, когда этого не требуется, за ним сохраняются функции контроля.

Отмеченные положения делают необходимыми для совре­менных и перспективных летательных аппаратов углубление и со­вершенствование процесса подготовки летных экипажей, повыше­ние уровня обучения.

Сегодня вошло в практику и стало нормой использование для обучения двух видов средств, имеющих принципиальные от­личия, но объединенных общими целями и программами: лета­тельных аппаратов и наземных авиационных тренажеров. Лета­тельные аппараты применяются, по меньшей мере, двух клас­сов — учебно-тренировочные и основные (на которых в дальней­шем экипажам предстоит работать). Аналогично этому имеется несколько видов авиационных тренажеров, отличающихся слож­ностью, функциональными задачами, конструкцией и другими характеристиками.

Создание столь сложной обучающей цепи и обеспечение хо­рошего ее функционирования требуют больших усилий и специаль­ных методов. Интенсификация разработок AT также обязательна, поскольку многие из наземных обучающих средств представляют собой весьма сложные и дорогостоящие объекты, на создание и доводку которых затрачиваются значительные усилия и время. Если не принять специальных мер к ускорению разработки всех элементов тренажерного обучения, то их ввод в эксплуатацию сильно затягивается, что не может не сказаться на качестве и сро­ках подготовки летных экипажей.

Методологической основой интенсификации процесса обуче­ния летных экипажей, создания соответствующих высокоэффективных средств и сопряжения всех звеньев в единый тренажерный каскад должен служить уже упоминавшийся системный (комп­лексный) подход. Кроме того, должны учитываться такие смеж­ные дисциплины, как эргономика, инженерная психология, теория моделирования, теория подобия, теории надежности и безопас­ности и др.

Если применить достаточно краткую формулировку, то цель обучения летных экипажей с помощью всего имеющегося арсена­ла летных и наземных средств сводится к выработке устойчивого комплекса знаний, навыков и умений (сокращенно комплекса ЗНУ) по пилотированию конкретного типа воздушного судна на всех этапах полета и во всей совокупности факторов, условий и случаев, признанных допустимыми и возможных в процессе его многолетней эксплуатации. При этом, очевидно, имеются в виду не только случаи нормального функционирования систем (так на­зываемые «штатные» условия, относящиеся к некоторому набору типовых, плановых операций), но и различного рода отказы, воз­можные в эксплуатации, пожары, а также сильные атмосферные воздействия (так называемые «нештатные» или особые ситуации).

Пилотирование воздушного судна, на всех этапах которого ак­тивное участие принимает экипаж, должно при выполнении пла­новых заданий обеспечить высокую эффективность, экономич­ность, всепогодность и регулярность полетов (в пределах техни­ческих возможностей авиационной транспортной системы*). В то же время должно гарантироваться выполнение весьма жестких требований по обеспечению безопасности полета. При этом требо­вания к безопасности относятся как к «штатным» условиям, так и к «нештатным» ситуациям.

Хотя настоящая книга посвящена повышению безопасности полета за счет улучшения качества обучения с помощью трена­жеров, вопросы экономичности и эффективности перевозок не могут быть исключены из рассмотрения. Ведь даже полностью безопасный полет (если такая идеальная схема могла бы быть осуществлена), но обладающий низкими характеристиками эф­фективности или экономичности, не может считаться приемле­мым. Увязка обоих этих важнейших аспектов — одна из задач сис­темного подхода к обучению.

В современных условиях организация обучения должна быть, в свою очередь, эффективной, безопасной и экономичной. Конеч­но, для повышения безопасности вполне оправданы весьма боль­шие затраты, однако контроль экономичности является обязатель­ным.

Из сказанного, в частности, вытекает необходимость рацио­нального разделение обучения между реальными полетами на

*Смысл этого понятия будет объяснен ниже.

воздушных судах (в том числе на том типе судна, на котором эки­пажу предстоит работать в дальнейшем) и тренировками на тре­нажерах. В конечном счете, доля дорогостоящих, опасных и сложных тренировочных полетов должна быть минимальной; в пределе опасные полеты такого рода должны быть исключе­ны. В то же время должны быть строго соблюдены все тре­бования к качеству и продолжительности подготовки.

Одна из задач методологии системного подхода заключается в установлении рационального соотношения между отдельными элементами каскада обучающих средств. И здесь желательно максимально увеличить долю более простых средств, позволяю­щих осуществлять многократные, длительные тренировки для приобретения навыков по реализации отдельных частных задач и операций. В то же время необходимы и более сложные трена­жеры, позволяющие отрабатывать технику пилотирования для по­лета в целом.

Хотя в литературе существует ряд определений тренажеров, в том числе авиационных [3, 5, 30], они не могут считаться ис­черпывающими и нуждаются в дополнении и развитии.

Тренажером, в общем случае, следует называть обучающее средство, обеспечивающее полную или частичную имитацию* функционирования некоторой натурной (реальной) человеко-ма­шинной системы (ЧМС), ее взаимодействия с внешней средой уп­равления. Тренажер предназначен для формирования и совер­шенствования у обучаемого (обучаемых) определенных профес­сиональных навыков и умений, необходимых ему (им) для управле­ния реальным объектом. Наличие агрегатов управления и источ­ников информации является обязательным для современных тре­нажеров. При этом возможно как наличие,. так и отсут­ствие обратных связей по управлению. В тренажере должен быть предусмотрен постоянный контроль качества деятельности обу­чаемого (обучаемых) со стороны инструктора и обеспечена воз­можность улучшения и развития этой деятельности. Присутствие обучающего (инструктора) является характерной особенностью тренажёров, хотя в некоторых из них предусматривается режим самообучения.

Авиационный тренажер представляет собой наземную имита­ционную (моделирующую) систему, воспроизводящую с той или иной степенью адекватности (подобия) внутрикабинную и внешнюю обстановку, поступающую к оператору (операторам) ЛА инстру­ментальную, визуальную, акселерационную и иную информацию, условия полета, характеристики движения, факторы, воздейст-

* Имитация является, вообще говоря, более широким и общим понятием, _ чем моделирование. В процессе имитации воспроизводятся не только коли­чественные факторы и закономерности, но и качественные характеристики, в том числе трудно формализуемые и «расплывчатые» [25, 29]. К последним относятся психофизиологические и организационные условия.

вующие на человека. В AT должна имитироваться специфика уп­равления как самим ЛА, так и его функциональными системами при этом должны имитироваться не только «штатные» условия но, и определенное число «нештатных» ситуаций, возможных в реальном полете. Особое место в AT занимает рабочее место инструктора, осуществляющего и направляющего процесс обуче­ния с помощью обычных или автоматизированных средств.

Каждый из видов AT, входящих в каскад обучающих средств нацелен на выработку и закрепление у экипажа или отдельных его членов определенной части либо всей совокупности знаний, навыков и умений, необходимых для пилотирования.

Из истории создания первых AT

Идея создания устройств для обучения пилотов, являющихся более дешевыми и безопасными, чем самолет, возникла на заре авиации. Хотя самолеты того времени были достаточно простыми, управление ими требовало, уже определенных навыков. В 1910 г. в английском журнале «Flight» было опубликовано описание од­ного из первых тренажеров (рис. 1.2). Кабина для обучающегося

Рис. 1.2. Один из первых авиационных тренажеров, фотография которого бы впервые опубликована в 1910 г. Предназначался для дополнительных тренировок пилотов французского самолета «Антуанетта»

была установлена на некоем подобии платформы. Кабина обладала небольшой свободой перемещения по тангажу, крену рысканию. Управление осуществлялось чисто механически по

разомкнутому циклу без какой-либо обратной связи. Большого рас­пространения этот тренажер не получил.

Развитие авиации и сопутствующее ему возрастание требований к профессиональному мастерству пилотов, а также задачи про­фессионального отбора привели к необходимости создания более эффективных, но вместе с тем и более сложных обучающих средств. В 1.927 г. Линк в США построил свой знаменитый тренажер, представляющий собой упрощенный макет одноместного самолета с кабиной, закрепленной на универсальном шарнире, (рис. 1.3). Управление кабины осуществлялось с помощью пневмоприводов (пневматические устройства были заимствованы у музыкальных инструментов и были весьма просты). Это явилось значительным техническим достижением, так как с определенной степенью при­ближения имитировалось управляемое движение самолета.

Еще одним важным преимуществом тренажера Линка следует считать наличие инструктора, осуществлявшего показ приемов пи­лотирования и контролировавшего ход обучения. Тренажер был также снабжен одноканальным самописцем, позволявшим инст­руктору проводить «послеполетный» разбор действий обучаемо­го не только по субъективным оценкам, но и с помощью мини­мального числа объективных данных.

В нашей стране тренажеры появились в середине 30-х годов. В 1936 г. старший лейтенант Панов А. Г. сконструировал и по­строил подвесную кабину; позволявшую проводить в наземных условиях отработку пилотирования при выполнении таких важных маневров, как развороты, вираж, пикирование и даже посадка.

Рис. 1.3. Тренажер Линка:

1 — макет самолета; 2 — пульт инструктора; 3 — агрегат для обеспечения подвижности; 4 — приборная доска

Несколько ранее появились другие тренажеры, отличавшиеся главным образом, схемой подвески кабины. Так, например, были созданы тренажеры типа «журавль» и «штырь». Начал внедряться и тренажер Линка [16].

Однако на первых порах вокруг применения тренажеров велась большая дискуссия. Некоторые специалисты категорически отрицали полезность наземной подготовки из-за низких технических возможностей AT того периода. Другие требовали от тренажеров обязательного «ощущения полета», без чего, по их мнению, нельзя сформировать навыки и умения выполнять дозированные движения и реализовывать дозированные усилия Оче­видно, что возможности техники того периода не позволяли вы полнить эти требования.

На конференции Института авиационной медицины, посвящен ной наземной тренировке пилотов, проведенной в сентябре 1936 г., было признано целесообразным совершенствовать и развивать тренажерное направление; отмечалась необходимости дополнительного привлечения технических специалистов для продолже­ния работ по усовершенствованию и реконструкции AT.

Заметим, что дискуссия о Целесообразности использования тренажеров велась и за рубежом. В конце 30-х — начале 40-х годов руководство отдела Специальных устройств авиации ВМС США собрало по этому вопросу мнение большого числа крупных ученых, в числе которых был Альберт Эйнштейн. Специалисты высказались за внедрение наземных авиационных трена­жеров в практику обучения летного состава.

За рубежом широкое применение AT для подготовки летного состава началось в годы второй мировой войны. Однако практический эффект был получен далеко не сразу. Так, в США в 1942 г. было построено несколько различных образцов тренажера широко распространенного морского патрульного самолета «Мартин-Маринер», оказавшихся неудачными. Только последний вариант тренажера, созданный фирмой «Белл» на базе аналого­вой ЭВМ в конце 1942 г., оказался удачным и начал строиться серийно.

Интенсивное использование тренажеров в военной авиации США относится к 1944—1945 гг., когда осуществлялось массовое применение боевых самолетов. По оценкам иностранной печати, в ВВС США использование AT позволило тогда сберечь ежегодно не менее 524 жизней, сэкономить в сумме 133 млн. долларов. \ высвободить для других военных задач 15 тыс. человек [30]

Считается, что в военной авиации наибольшая эффективность достигалась в тех случаях, когда тренажеры начинали использоваться для подготовки пилотов еще до принятия самолетов на вооружение*.

* В те годы новые виды военных самолетов внедрял не! Достаточно часто.

Характерно, что конгресс США создал в 1944 г. специаль­ную комиссию для анализа экономических аспектов применения тренажеров в авиации. Было установлено, что тренажер стоимостью в 150 тыс. долларов достаточно успешно имитирует усло­вия работы полного экипажа патрульного морского самолета Эксплуатационные расходы имитационного моделирования на AT составили 17 долларов, а на реальном самолете— 140 долларов за час. Здание, необходимое для установки тренажера, оценива­лось в 20 тыс. долларов.

Внедрение тренажеров в гражданской авиации США прохо­дило вначале довольно медленно. В 1952 г. президентская ко­миссия издала официальные рекомендации о необходимости внедрения AT для подготовки пилотов гражданских самолетов. Примерно в это же время в Великобритании фирмой «Редифон» был построен комплексный AT для экипажа реактивного пасса­жирского самолета «Комета». Тренажер обладал неподвижной ка­биной и аналоговой ЭВМ.

С середины 50-х годов стали строиться комплексные AT с под­вижными кабинами. Их стали оснащать телевизионными системами визуализации. Мощным толчком развития AT послужило исполь­зование в их конструкции цифровых ЭВМ.

Весьма быстро ЭВМ превратилась в ядро тренажера, объеди­нившее в единое целое другие компоненты. На ЭВМ были воз­ложены функции многих имитаторов, а также управление ими. Последующее развитие вычислительной техники и средств ими­тации привело к нескольким заметным скачкам в процессе совер­шенствования AT. Все это являлось отражением общего совер­шенствования летательных аппаратов и их систем управления.

Первые тренажеры обладали разомкнутым контуром управ­ления: при движении штурвала или педалей оператор не ощущал какого-либо изменения внешней обстановки. Внедрение телеви­зионной системы на подвижной каретке, управлявшихся ЭВМ, по­зволило осуществить замкнутый контур управления: при переме­щении в кабине управляющих органов осуществлялось соответст­вующее изменение визуальной обстановки. Разработка систем под­вижности, также управляемых с помощью ЭВМ, позволила ими­тировать еще один информационный канал, воздействующий но экипаж,— акселерационный.

Цифровые ЭВМ существенно расширили возможности AT, увеличили число имитируемых ситуаций, улучшили качество информационных потоков.

Следующим важным качественным скачком в тренажеро­строении явилась цифровая система синтеза изображения с по­мощью высокопроизводительных ЭВМ. Цифровое моделирова­ние визуальной обстановки является весьма гибким; в памяти машины можно хранить данные большого числа аэропортов или географических районов.

Совершенствование AT продолжается практически непрерывно:

улучшаются характеристики отдельных компонентов и тренажер в целом. Это, с одной стороны, отражает общую тенде_Нци⁰¹ развития авиационной техники, с другой — обусловлено дальнейшим повышением требований к безопасности полета и, следовательно, к уровню подготовки летных экипажей. Однако в последние годы в тренажеростроении значительный, вес приобрел экономические соображения.

Дело в том, что традиционное улучшение характеристик систем AT и повышение «реализма» имитируемого полета сопряжено с заметным ростом стоимости. Современная зарубежная система визуализации, воспроизводящая ночные и сумеречные условия стоит 1,2 млн. долларов; система, имитирующая дополнительно к этому дневные условия, стоит уже 1,9 млн. долларов. В середине 80-х годов как компании-заказчики, так и производители AT при знали целесообразным заморозить стоимость наиболее совершенных, комплексных тренажеров (где-то в пределах 5,5— 6,5 млн. долларов), хотя имеются уже тренажеры стоимостью 10 млн. долларов.

Исходя из всего сказанного, развернулись интенсивные работы по ограничению и снижению затрат, минимизации сложности, опти­мизации параметров при одновременном улучшении характеристик. Снижаются также металлоемкость конструкций, энергоемкость, эксплуатационные затраты.

В связи с тем, что создание AT требует большого научно-произ­водственного потенциала, их производство сосредоточилось в небольшом числе крупных концернов. К числу таковых₍ относят ся, например, «Зингер-Линк» (США), «Редифон» (Великобритания). За период 1968—1986 гг. первым из них построен более 130 комп­лексных AT, вторым —более 120.

Крупным мировым поставщиком AT является тренажрростроительное отделение известного электронного концерна «Томсон ЦСФ» (Франция), располагающего тремя заводами с общим персоналом 1100 чел. Отделение связано тесной ' кооперацией с целым рядом небольших фирм, производящих отдельные важные агрегаты и подсистемы. В 1986 г. отделение получило заказ на общую сумму 912 млн. франков. Средний прирост суммы продаж AT составляет 23%.

Характерно, что наряду с острой конкуренцией наблюдается и определенная кооперация между тренажерными концерна**

Очень тесные связи имеют они и с фирмами-изготовителями V» и бортового оборудования; плата за достоверные исходные данные и математические* модели входит в общую стоимость тренажеров.

Преимуществами AT как обучающих средств по сравнению с ЛА (учебно-тренировочными или основными) являются:

высокая экономичность, позволяющая заметно сокращав налет ЛА, экономить топливо и ресурс материальной части при обучении:

возможность имитации опасных режимов, отказов, пожаров и т. п., которые в реальных учебных полетах практиче­ски не воспроизводятся из-за условий безопасности; безопасность самого обучения, так как ошибки экипажа не приводят к возникновению реальной опасности*; возможность «замораживания» условий полета, многократ­ного повторения режимов в учебных целях; относительная легкость выделения инструктором ошибок и разъяснения их курсантам как непосредственно при их воз­никновении, так и после «полета»;

использование при обучении широкого набора средств объек­тивного контроля (СОК), предусматривающих регистрацию большого числа параметров.

При переподготовке пилотов соотношение времени обучения на AT и летной подготовки в реальных полетах, по опубликован­ным американским данным, достигло в специально оснащенных центрах 8:1. Как правило, в США разработка и поставка голов­ных AT для новых типов ЛА заканчивается раньше ввода послед­них в эксплуатацию, что позволяет заблаговременно готовить летные экипажи. Однако детальный анализ зарубежной информа­ции показал, что это достигается за счет определенного упроще­ния головных образцов AT, сокращения комплектации, использо­вания более простых, но доведенных и надежных элементов. Тем самым достигается значительный выигрыш во времени. В дальней­шем осуществляется замена этих упрощенных компонентов на более совершенные; состав систем расширяется, а функции AT доводятся до проектного уровня.