Лазерная система посадки самолетов: как это работает
Требования к современным системам посадки воздушных судов очень высоки: они должны быть надежными, готовыми помочь пилотам при любой погоде, в туманной дымке и даже ночью. Сегодня для этого применяются лазерные курсоглиссадные системы.
Новое техническое исполнение одной из них «Швабе» недавно продемонстрировал на МАКСе. Лазерная курсоглиссадная система посадки (ЛКГСП) является инициативной разработкой Красногорского завода им. С.А. Зверева, входящего в контур холдинга. О том, как лазер становится «проводником» для пилота и что такое курсоглиссадная система посадки – в нашем материале.
Курсоглиссадная система – «проводник» для пилота
Заход на посадку – наиболее ответственная часть полета, которая осуществляется, по большей части, с использованием радиотехнических приборов. Однако финальный этап посадки выполняется именно визуально. При этом, как отмечают специалисты, чем раньше наступает визуальный контакт с взлетно-посадочной полосой, тем больше времени у летчика для устранения погрешностей захода на посадку.
Сегодня одна из самых распространенных систем захода на посадку – это курсоглиссадная система. Она обеспечивает экипаж информацией о положении самолета относительно линии посадочного курса и глиссады – предпосадочной наклонной прямой. Основные компоненты курсоглиссадной системы – это радиомаяки, которые отвечают за наведение самолета в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то есть по курсу и по глиссаде.
Еще в 30-е годы прошлого века советские ученые разработали и испытали первую инструментальную систему захода на посадку в сложных условиях – «Ночь-1». В 1950 году появилась система посадки СП-50 «Материк», которая позволяла самолетам садиться при метеоминимуме 50×500 – это когда высота нижней границы облаков всего 50 метров, а дальность видимости на взлетно-посадочной полосе всего 500 метров. К 1970 году «Материк» работал в 70 аэропортах страны. Примерно в то же время в стране началась разработка ЛКГСП.
Преимущества использования в системах посадки лазерного излучения по сравнению с обычными электрическими лампами в данном случае очевидны. Во-первых, высокая степень монохроматичности лазерного излучения делает его более заметным на фоне других огней. Мощная спектральная яркость обеспечивает большую дальность видимости даже при неблагоприятных условиях, таких как туман, дождь, снегопад. Кстати, дальность обнаружения такого излучения в несколько раз превышает метеорологическую дальность видимости. Пилот видит лазерный луч в виде четкой прямой линии на фоне окружающего воздушного пространства.
Разработанная в 1970-е годы первая лазерная система «Глиссада», а чуть позже и ее модификация «Координата-Л» были признаны удовлетворительными по многим параметрам. Однако не были лишены недостатков, связанных с ненадежностью газоразрядных лазеров. В 2004 году система была модернизирована и получила название «Глиссада-М».
Для дальнейшей реализации проекта «Лазерная курсоглиссадная система посадки» научно-техническим центром Красногорского завода им. С.А Зверева был разработан технический проект курсоглиссадной системы на инжекционных лазерах, под шифром «ЛКГСП». Ее новое техническое исполнение холдинг «Швабе» недавно продемонстрировал на МАКС-2019.
Как работает лазерная система посадки
Система «Швабе» представляет собой комплекс, состоящий из трех лазерных маяков, в каждом из которых по шесть модулей. Маяки располагаются на летном поле по обеим сторонам и в 100 метрах перед торцом взлетно-посадочной полосы.
Комплекс отличается высокой надежностью – он полностью пыле- и влагозащищен, может эксплуатироваться в условиях 100-процентной влажности, при температуре от –50 до +60 градусов Цельсия, а назначенный ресурс системы составляет 60 тысяч часов. Модульная конструкция позволяет в случае необходимости заменить неисправный элемент, не прерывая работу всей системы. При этом такая необходимость может возникнуть крайне редко: как отмечают разработчики, надежность безотказной работы системы на впечатляющем уровне – 0,995.
Итак, ЛКГСП формирует в поле зрения летчика картину из трех светящихся лучей: двух лучей, образующих плоскость глиссады для снижения воздушного судна, и третьего луча, указывающего направление посадочного курса.
Глиссадная плоскость отмечена двумя лучами для упрощения оценки собственного местоположения экипажем: левый луч излучается прерывисто два раза в секунду, правый – один раз в секунду, а курс отмечен одним лучом, светящимся непрерывно. Итак, задачей летчика является удержание самолета в пределах глиссадного коридора между боковыми глиссадными лучами, строго над курсовым лучом. Это гарантирует попадание воздушного судна на взлетно-посадочную полосу, даже если она не видна.
Как утверждают разработчики системы, основным достоинством лазерной курсоглиссадной системы является то, что она позволяет экипажу как можно раньше установить визуальный контакт с точкой приземления на взлетно-посадочной полосе, в простых метеоусловиях – на удалении 10-14 км.
Безопасней лазерной указки
«При создании системы мы ориентировались в первую очередь на потребности пилотов, несмотря на то что потенциальными заказчиками являются аэропорты», – рассказывает первый заместитель гендиректора «Швабе» Сергей Попов.
Использование данной системы, безусловно, облегчает работу экипажа, дает возможность пилотам не следить за приборами и непрерывно их контролировать, а уделить больше внимания непосредственно посадке. Но существуют и более «приземленные» плюсы ее эксплуатации – для аэропорта внедрение такой лазерной системы посадки позволяет уменьшить потребляемую мощность. Один маяк потребляет около 100 Вт, а время эксплуатации доходит до 5-7 лет.
При выполнении посадки при помощи лазерной системы, конечно, о воздействии лазерного излучения на экипаж говорить не приходится. Опасность возникает при внештатном заходе на посадку и при случайном попадании самолета непосредственно в лазерный луч. Но в случае с системой «Швабе» даже попадание воздушного судна в лазерный луч будет безопасным для органов зрения членов экипажа.
«При тестировании системы самым распространенным среди них был вопрос о безопасности лазера для зрения. Мы создали абсолютно безопасную лазерную систему. Так, например, по сравнению с обычной лазерной указкой плотность мощности излучения маяков нашей системы ниже в 42 раза», – прокомментировал Сергей Попов.
Безопасная и информативная для пилотов лазерная система посадки «Швабе» напрямую влияет на сокращение летных происшествий, связанных с заходом на посадку и посадкой.
Что помогает самолетам приземлиться без проблем
Ориентация по сигнальным огням
Так называемые «кукурузники» и другие представители малой авиации часто летают вообще по правилам визуального полета, когда в арсенале у летчика — только собственные глаза да базовый набор приборов вроде компаса, высотомера и спидометра.
Сами аэродромы для малой авиации часто не имеют вообще никакого оборудования для захода на посадку: вот тебе полоса (хорошо, если с твердым покрытием, а может быть и грунтовая, и даже просто газон), а дальше рассчитывай траекторию на глаз. Скорости, впрочем, тут небольшие, поэтому справиться можно.
Следующий этап — аэродромы со светосигнальным оборудованием. На взлетно-посадочной полосе может располагаться почти два десятка разных групп сигнальных огней, благодаря которым пилот четко видит ВПП и все ее части в темноте, сумерках, в тумане и т.п. Среди них есть, в частности, так называемые огни визуальной индикации глиссады (PAPI, Precision Approach Path Indicator): четыре разноцветных фонаря с направленными строго под определенными углами к горизонту пучками света.
Каждый из четырех фонарей формирует своего рода виртуальную прямую линию под определенным углом: если самолет летит выше этой линии, то пилот видит белый луч, если ниже — красный. «Истина где-то посередине», то есть, если самолет снижается по правильной траектории, то два фонаря будут для летчика белыми, а два — красными. Если белых вдруг три или четыре (а красных, соответственно, один или ноль) — значит, летим слишком высоко. Больше красных — летим слишком низко.
Зачем нужны приводные радиомаяки
Главный недостаток визуальных средств — в том, что при видимости, отличающейся от «миллион на миллион», их может быть не видно или видно плохо. Тут на помощь приходят приводные радиомаяки — радиопередатчики, установленные в строго определенном месте и имеющие узконаправленные антенны, ориентированные вертикально вверх.
Маяков обычно два: ближний и дальний, находятся они в створе ВПП на посадочном курсе на расстоянии около 1 и 4 км от ее торца, а принцип действия очень простой: когда самолет пролетает строго над маяком, в кабине звучит акустический сигнал.
Нужно убедиться в том, что высота в этот момент соответствует высоте, указанной в схеме захода на посадку (для каждого аэродрома схема своя), и если нет — скорректировать траекторию, либо уходить на второй круг, если уже поздно.
Что такое курсо-глиссадная система
Более продвинутая система — это курсовые и глиссадные радиомаяки, объединенные в курсо-глиссадную систему (ILS, Instrument Landing System). Они устанавливаются в непосредственной близости от полосы. Курсовой маяк с направленными антеннами формирует два сигнала: с одной частотой модуляции левее от полосы, с другой частотой правее.
На самолете установлены приемники, которые фиксируют оба сигнала — если «левый» и «правый» одинаковы, значит, самолет летит правильным курсом, если же один из них доминирует, значит, он немного в стороне и курс нужно скорректировать.
Сигналы от ILS могут преобразовываться в специальные планки на дисплее самолета: они называются директорами, и сам заход — директорным: летчик следит, чтобы и курсовая, и глиссадная планка располагались в центре экрана, и если какая-то «убегает», то просто «догоняет» ее. Либо же сигналы поступают прямо автопилоту, который на основании этих данных автоматически управляет элеронами, рулями и режимом двигателей, чтобы самолет оставался на глиссаде.
Частоты для каждой конкретной полосы конкретного аэродрома свои; перед каждой посадкой они устанавливаются в соответствии со справочником/базой данных.
В зависимости от имеющегося на аэродроме оборудования существует несколько «категорий» точности ILS. Чем выше категория, тем меньше может быть видимость и высота принятия решения.
Раньше на завершающем этапе посадки все равно без пилота было не обойтись, но с появлением ILS Cat.III система стала настолько точной, что самолеты теперь могут садиться полностью автоматически, а с Cat.IIIc (внедряется в последние 3-4 года) могут делать это даже при полностью нулевой видимости.
Спутников стало недостаточно
В конце 1980-х была разработана еще более точная система микроволновой посадки MLS (Microwave Landing System) на основе микроволновых радаров. Принцип ее работы похож на ILS, но доступно несколько каналов, за счет чего несколько маяков MLS не мешают работе друг друга. В радиосигналах MLS также могут передаваться дополнительные данные. Однако распространение GPS-навигации помешало массовому внедрению MLS.
Вместо нее сейчас внедряется другая система захода: GLS (GNSS Landing System).
Координаты самолета в режиме реального времени определяются с помощью спутниковой системы — хоть GPS, хоть ГЛОНАСС, хоть Beidou или Galileo — не важно. Важно то, что одних спутников для обеспечения требуемой точности определения координат недостаточно, погрешность в десять метров, обычная для GPS, уже является критичной.
Поэтому в аэропорту устанавливаются локальные контрольно-корректирующие станции (GBAS, Ground Based Augmentation System), передающие дополнительный сигнал — идея такая же, как, например, в WAAS. Поскольку их местоположение, в отличие от спутников, является постоянным, а расстояние до садящихся самолетов в разы меньше, GBAS позволяют сократить максимальную погрешность в определении координат до трех метров (гарантированно).
GLS намного удобнее и дешевле ILS: если старая система требует установки маяков с каждой стороны каждой полосы (например, две полосы — по четыре глиссадных и четыре курсовых маяка, итого восемь, и все на разных частотах), то GBAS хватит одной. При этом частота одинакова во всех аэропортах и не нужно каждый раз ее настраивать. Кроме того, такая система более устойчива к помехам.
Пилотируем большой реактивный(часть 3)
ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПОСАДКИ
Заход на посадку можно условно разделить на четыре этапа:
подход по схеме аэродрома (до момента входа в глиссаду)
собственно заход на посадку (от входа в глиссаду до пересечения входной кромки ВПП)
приземление, или собственно посадка (от пересечения кромки ВПП до уверенного касания)
пробег (от касания до полной остановки)
Подход по установленной схеме
После снижения с эшелона, самолет встраивается в схему посадки, снижаясь до высоты круга. На карте представлена такая типичная схема подхода для ВПП15 (взлетно-посадочная полоса 15) аэропорта Курумоч (Самара).
Соответственно различают заходы
от третьего (разворота)
Траверз (от лат. traversus — поперечный) — направление перпендикулярное продольной оси воздушного судна. При пролете траверза ДПРМ, он будет точно слева или справа. О том, что такое ДПРМ см ниже.
Глиссада (от фр. glissade — скольжение) — прямолинейная траектория (или точнее плоскость) снижения летательного аппарата на конечном этапе захода на посадку.
РСБН — радиотехническая система ближней навигации. Имеет дальномерный и азимутальный канал, и функционально аналогична комплексу VOR-DME.
Угол наклона глиссады (УНГ)
Нормальный угол залегания глиссады принят равным 2 град 40 мин, т.е. обычно глиссада лежит достаточно полого. УНГ выбирается с учетом расположения препятствий по курсу захода, поэтому для горной местности высота круга, и соответственно УНГ может быть больше — до 4 град.
Вертикальная скорость снижения по глиссаде должна быть практически постоянна. Она зависит только от УНГ, поступательной скорости самолета и определяется по формуле
где a — угол залегания глиссады
Следовательно, при средней поступательной скорости захода реактивного самолета 270 км/ч (150 kts), мы получим
для УНГ= 2,7 град, Vy=3.5 м/c
для УНГ= 4 град, Vy=5.2 м/c
Отсюда следует запомнить, что для стандартной глиссады скорость снижения должна составлять примерно 3-4 м/c и почти никогда не должна превышать 6 м/c
Заход по прямоугольному маршруту
Предположим, что мы вписываемся в круг в районе траверза ВПП. В этом случае при заходе в штурвальном (директорном) режиме действия экипажа Ту-154 будут иметь следующий вид (для других ВС схема будет достаточно сходная, отличаться будет, главным образом, скорость, и углы выпуска механизации):
полет на высоте круга
Самолет перешел в горизонтальный полет на высоте круга. На скорости 400 км/ч КВС (командир воздушного судна) устанавливает задатчик стабилизатора в положение соответствующее центровке (но сам стабилизатор еще не перекладывается). По решению и команде КВС, 2П (второй пилот), подготавливает и включает автомат тяги для автоматического управления двигателями.
полет от траверза ДПРМ
Прохождение траверза ДПРМ можно определить по показаниям автоматического радиокомпаса (АРК, Automatic Direction Finder, ADF), в момент пролета траверза его стрелка показывает 90 град на правом круге, и 270 на левом. На траверзе штурман докладывает «Траверз дальнего, боковое (удаление) (8-12 км) км». КВС подает команду: «Шасси выпустить.» Скорость в этот момент должна составлять 370-380 км/ч. Второй пилот переводит рукоятку шасси в выпущенное положение. Далее по команде КВС, штурман зачитывает карту контрольных проверок (раздел «Перед третьим разворотом»).
полет от третьего до четвертого разворота
Далее, в зависимости от конкретной схемы заходы, например, если высота круга большая приступают к планированию с небольшой вертикальной скоростью (1-3 м/c), либо продолжают выдерживать высоту круга. При подходе к четвертому развороту для поддержания скорости 300-320 км/ч при пилотировании в штурвальном режиме нужно немного увеличить режим двигателей.
Четвертый разворот обычно располагается на расстоянии порядка 12-16 км от ВПП. Начало выполнения разворота определяется по команде диспетчера или по положению стрелки АРК — обычно за 10-15 град до прохождения створа полосы (см по схеме). Чтобы вписаться в створ, разворот должен выполняться очень точно и аккуратно. Угол крена 15-20 град.
на предпосадочной прямой
После выхода из 4-го разворота на скорости не более 300 км/ч КВС дает команду «Закрылки 45», после чего 2П выпускает закрылки полностью, при этом стабилизатор автоматически перекладывается на максимальный угол (=предкрылки уже выпущены полностью на 22 град). По команде КВС, штурман проводит контроль по карте (раздел «Перед входом в глиссаду»). Ночью штурман также выпускает фары.
Самолет теперь находится в горизонтальном полете по предпосадочной прямой пока еще ниже плоскости глиссады на расстоянии 2-3 км от ТВГ. Если до входа в глиссаду средства механизации не выпущены в посадочное положение, то дальнейшее снижение и заход на посадку запрещаются.
Примерно за 7-10 км до ВПП происходит