Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и дальнейшую перспективу
Скачать 2.39 Mb.
|
Под редакцией ………………..(НИИАО), ………………………(ГосНИИАС) Технология безопасного управления воздушными судами. Безопасность полётов – интегральная характеристика системы «лётчик – воздушное судно – эксплуатационная среда», определяющая эффективность и ограничения применения авиационной техники. Существует множество потенциально опасных факторов, которые могут оказывать неблагоприятное влияние на воздушное судно в полёте. Это ошибки и невнимательность лётчика, механические отказы и логические ошибки в работе бортовых подсистем воздушного судна, неблагоприятные погодные условия и др. Существенно, что каждый из этих факторов, действуя в отдельности, обычно не является критическим, и авиационное происшествие, как правило, является результатом перекрёстного влияния нескольких опасных факторов. Поэтому одной из важнейших задач при формировании отраслевой стратегии НИР и ОКР на ближне- и среднесрочную перспективу по развитию бортового оборудования является поиск, разработка и доведение до высокого уровня готовности технологий обеспечения безопасности лётной эксплуатации воздушных судов следующих поколений в сложных многофакторных условиях. Навигация, связь и наблюдение на основе концепции CNS/ATM. Безопасность и эффективность полетов воздушных судов во многом обеспечивается системами организации воздушного движения. Составными частями этих систем, выполняющими основные функции, являются связь, навигация, наблюдение. В современной интерпретации реализация функций связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения охватывается концепцией Сommunications, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management (CNS/АТМ). Концепция CNS/АТМ есть сочетание новейших технологий и систем, обеспечивающих оптимальные характеристики аэронавигационного обеспечения с технической и экономической точки зрения. Принципиальными особенностями системы CNS/АТМ являются следующие: 1. Вместо разделения на обособленные наземные и бортовые функции CNS/АТМ, функции и процедуры для производства полетов будут цельной функциональной частью системы АТМ, т.е. бортовую и наземную аппаратуру рассматривают как единое целое. 2. К новым основным требованиям, предъявляемым к элементам системы CNS/АТМ, следует отнести: - в связи - применение высокоскоростных линий передачи данных; - в навигации - широкое применение глобальной системы спутниковой навигации GNSS для всех стадий полета; - в наблюдении - оптимизация ВОРЛ и ADS (автоматизированного зависимого наблюдения) по критериям оптимальной пропускной способности; В системе CNS/АТМ спутниковая навигация имеет следующие составляющие: 1. Спутниковые навигационные приемники, на борту воздушных судов. 2. Системы функционального дополнения наземного и космического базирования. 3. Радиоканалы передачи данных между приемниками и системами дополнения. Использование этих средств позволяет реализовать следующие функции: 1. Навигация на маршруте. 2. Посадка воздушного судна по I, II и III категориям метеоминимума. 3. Наблюдение за летным полем. До последнего времени совершенствование систем наблюдения было направлено на улучшение информационного обеспечения диспетчера. В соответствии с провозглашенной ИКАО концепцией CNS/ATM, конечной целью которой является поэтапный переход к свободному полету (концепция “Free Flight”), значительная часть функций диспетчера будет передаваться бортовому экипажу, и эти функции экипаж будет осуществлять наряду со своими традиционными задачами. В связи с этим на перспективных самолетах экипажу должна быть представлена информация о воздушном движении не менее подробная, чем у диспетчера. Дальнейшее развитие наблюдения за воздушным движением с земли связано с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), связанным с автоматической передачей содержащихся в бортовой аппаратуре данных о координатах и намерениях (скорость и направление) самолета. Безопасность полетов непосредственно зависит от действий экипажа, поэтому очень важно, чтобы они были обеспечены надежной информацией о летной ситуации и рекомендациями по пилотированию. В функции комплекса аппаратуры наблюдения включено предупреждение экипажа о близости земли, в том числе раннее предупреждение с использованием базы данных о рельефе, и обнаружение попадания в сдвиг ветра, т.е. использование информации, полученной из разных источников: - о воздушном движении (ADS-B, TCAS, TIS-B), - о рельефе (TAWS) и препятствиях (особенно для вертолетов), - о метеорологических условиях (радиолокатор, дополнительные датчики улучшения видимости и метеорологические карты, полученные с земли по линии передачи данных). Целью реализации концепции CNS/ATM является повышение пропускной способности воздушного пространства при уменьшении ограничений на выбор траектории полета (Free Flight). Наиболее принципиальным вопросом при этом будет выбор бесконфликтной траектории с учетом намерений окружающих самолетов. Весьма важным вопросом станет совершенствование и автоматизация взаимодействия служб организации и управления воздушным движением и самолетов с целью повышения безопасности и обеспечения регулярности полетов: - выдерживание согласованной между авиакомпанией и центром организации и планирования воздушного движения 4-х мерной бесконфликтной траектории; - автоматизация управления самолетами на этапах предпосадочного маневрирования и захода на посадку с целью обеспечения безопасной дистанции между ними и посадки в заданное время; - организация процесса при нарушении контракта, необходимости ремаршрутизации. Оценка времени, необходимого для обращения в ОПВД для получения нового маршрута (тактическое планирование), логика действий при отсутствии связи или при отсутствии контракта; - моделирование всего процесса, в том числе и цепных реакций, т.е. когда планы разных участников воздушного движения согласованы изначально, но нарушение одного из них ведет к нарушению планов других участников; - минимизация изменения планов полетов участников воздушного движения при нарушении плана полета одного из них. Результатом развития технологии связи, навигации и наблюдения и взаимодействия со службами организации и управления воздушного движения на основе концепции CNS/ATM является создание беспилотного транспортно-пассажирского самолета. В настоящее время уже ведутся исследования, закладывающие основы для масштабных НИОКР, нацеленных на создание авионики нового поколения, обеспечивающей реализацию приложений концепции CNS/ATM. Однако из-за высокой ресурсоемкости проблемы пока рано говорить о значительных успехах в этом направлении. При оптимистическом сценарии, предусматривающем наличие устойчивого и достаточного финансирования, научных и инженерно-технических кадров, экспериментально-стендовой базы возможна реализация мероприятий, которые позволят к 2025 году достигнуть соответствия мировому уровню. При консервативном сценарии задачи CNS/ATM будут частично решаться за счет включения импортного оборудования в состав БРЭО отечественных ЛА и наземных сегментов системы ОрВД, а при пессимистическом сценарии доля импортного оборудования и технологий может стать несоизмеримо большой, что сделает нецелесообразным дальнейшее продолжение национальных программ в этой области и сведется к обслуживанию зарубежных технологий в воздушном пространстве РФ. Интеллектуальные системы, моделирование и виртуальное прототипирование. Для достижения стратегической цели обеспечения инновационного развития авиационной отрасли в Российской Федерации на рассматриваемом горизонте научного предвидения (форсайта) необходимо запланировать комплекс НИР и ОКР по следующим приоритетным направлениям в области математического моделирования, вычислительного эксперимента и бортового искусственного интеллекта. «Нормативное обеспечение». Нормативно-правовое и нормативно-техническое обеспечение использования методов и технологий математического моделирования, вычислительного эксперимента, искусственного интеллекта в задачах обеспечения безопасности полётов. «Виртуализация исследований полёта». Методы и технологии для моделирования лётных испытаний и эксплуатации ВС, авиационных происшествий и инцидентов, деятельности лётчика, процессов обучения. «Формализация процессов жизненного цикла (ЖЦ) КБО». Методы прогнозирования процессов разработки, производства, испытаний и эксплуатации КБО, выявление точек передачи управления по этапам ЖЦ. Разработка протоколов обмена информации и передачи управления по этапам ЖЦ. Анализ, выбор, и разработка инструментальных средств сопровождения протоколов. Анализ методов верификации на различных этапах. «Математическое обеспечение. Верификация и валидация моделей». Теория, численные методы, алгоритмы и структуры данных для создания математических моделей с целью моделирования системы «лётчик–ВС–эксплуатационная среда». Верификация и валидация математических моделей. Методы планирования и проведения вычислительного эксперимента, обработка и анализ результатов моделирования. «Искусственный интеллект для безопасности полёта». Методы и технологии прототипирования и создания систем бортового искусственного интеллекта (баз знаний и механизмов логического вывода) для обеспечения безопасности ВС в сложных и неизвестных условиях применения. Методы и технологии приобретения, обобщения, накопления и использования баз знаний. Методы и технологии организации интеллектуального интерфейса. «Интеллектуальный воздушный бой». Для военных самолетов предполагается значительный прогресс в области интеллектуальных систем информационной поддержки экипажа на режимах боевого применения. Диагностические системы, средства и алгоритмы. Новое поколение КБО должно обладать способностью автоматического диагностирования технического своего состояния, а в дальнейшем и ЛА в целом. Должны быть проведены исследования по созданию рассредоточенных по самолету датчиков, контролирующих состояние компонентов и систем, а также процессов обработки информации, позволяющих предсказывать возможное ухудшение состояния в будущем. Основой для реализации этих функции должна быть ИМА второго поколения. Бортовая вычислительная сеть, лежащая в основе всего комплекса бортового оборудования, помимо удовлетворения другим требованиям, должна: - иметь более высокий уровень надежности при низком уровне стоимости; - обладать разумной (обоснованной) избыточностью; - контролировать с высокой эффективностью собственное техническое состояние; - осуществлять собственную реконфигурацию для поддержания своих основных характеристик на уровне, необходимом для функционирования комплекса; - собирать, систематизировать и хранить информацию об условиях полета, действиях экипажа, работоспособности или особенностях функционирования всех систем и элементов бортового комплекса, двигателя и элементов конструкции; - обрабатывать в реальном времени как накапливаемую, так и сохраненную заранее информацию с целью локализации (определения типа и места в комплексе) поврежденных, отказавших или неправильно функционирующих модулей и систем, включая членов экипажа; - осуществлять реконфигурацию комплекса для достижения максимально возможной безопасности и эффективности выполнения или завершения этапа или полета; - информировать о нештатном развитии ситуации экипаж и, используя цифровые автоматические каналы связи (будем исходить из того, что такие каналы будут созданы), наземные службы управления воздушным движением, производителей авиационной техники и авиационные компании; - формировать рекомендации для действий экипажа в полете и инженерно-технического персонала после приземления для оперативного исправления ситуации. Должны быть разработаны и сформулированы: - технические решения по созданию отказоустойчивой системы управления общесамолетным оборудованием и ее интеграции в пространственно обособленные информационно интегрированные КБО с управляемой избыточностью; - системы полной диагностики вибросостояния летательного аппарата, авиационных двигателей и редукторов вертолетов; - принципы построения отказоустойчивой системы управления общесамолетным оборудованием на основе методов прогнозирования остаточного ресурса агрегатов и определения их предотказного состояния для своевременной замены на земле и реконфигурации системы в полете. Технология создания навигационных систем, систем воздушных сигналов и интеллектуальных датчиков. Направления развития науки и технологий в области авиационных инерциальных систем определяются общими перспективными требованиями к бортовому оборудованию летательных аппаратов, которые ужесточаются для повышения безопасности полетов, снижения ограничений на атмосферные условия и интенсификации воздушного движения, особенно в зоне аэропортов. В настоящее время мировые тенденции развития инерциальных систем свидетельствуют о переходе к идеологии бесплатформенных систем. По своему назначению рассматриваемые системы можно подразделить на: - инерциальные навигационные системы (БИНС); - гиро- и курсовертикали (БКВ); - информационные системы (приборы) каналов управления и стабилизации движения летательного аппарата. Как правило, это резервные системы. Переход на технологию БИНС определяется тем, что такие системы обладают в 3 ÷ 4 раза большей информативностью по сравнению с платформенными, обеспечивая повышение вероятности выполнения задачи военной авиации на ~50%, сокращенным в 1,5 ÷ 3 раза временем автономной начальной выставки, тем самым существенно снижая уязвимость, уменьшением в 2 ÷ 3 раза массогабаритных параметров системы, в ~10 раз энергопотребления и повышением более чем в 10 раз технического ресурса, что на порядки снижает стоимость жизненного цикла системы. В настоящее время удовлетворяют требованиям бесплатформенных систем следующие технологии: Гироскопические элементы: - лазерный гироскоп (ЛГ); - волоконно-оптический гироскоп (ВОГ); - волновой твердотельный гироскоп (ВТГ); - микромеханический гироскоп (ММГ); Акселерометрические элементы - маятниковые акселерометры с высокодобротным подвесом (в частности кварцевые) компенсационного типа; - микромеханические акселерометры с упругим подвесом из монокристалла высокодобротного материала (в основном кремния). Следует ожидать совершенствование технологии бесплатформенных инерциальных навигационных систем по следующим направлениям: - разработка технологии высокоточного лазерного гироскопа, погрешность которого во всем диапазоне внешних воздействий не превышает 0.005 град/час на основе кольцевого лазера с техническим ресурсом не хуже 10 000 часов и зеркалами с интегральным обратным рассеянием на уровне 5 ррм; - разработка технологии кварцевого акселерометра, обеспечивающей погрешность не более 30 · 10-6 g при нестабильности масштабного коэффициента не 0.015 %; - разработка микропроцессорной электроники чувствительных элементов, что позволит исключить из состава системы аналого-цифровые преобразователи; - создание моноблочных конструкций, минимизирующих конструктивные и методические источники погрешностей; - создание более совершенных алгоритмов и ПО, обеспечивающих минимизацию погрешностей алгоритмической компенсации и вычислительного дрейфа; - создание БИНС на лазерном гироскопе с погрешностью определения (2σ) координат – 0.8 км за час, скорости – 0.7 м/с, массой не более 12 кг и энергопотреблением не более 50 Вт. Следующим этапом в развитии БИНС в первую очередь для ВВСТ следует считать создание БИНС на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), для чего должны быть выполнены работы по следующим направлениям: - разработка технологии формообразования полусферических резонаторов, обеспечивающей отсутствие дефектного слоя и внутренних напряжений; - разработка технологии формирования проводящего покрытия на поверхности резонатора, не приводящего к потере его механической добротности; - разработка технологии упруго массового симметрирования резонатора, исключающей возникновение внутренних напряжений в резонаторе; - разработка технологии ВТГ, исключающей отток колебательной энергии оболочки резонатора в основание; - создание адаптивной микропроцессорной функциональной электроники ВТГ, исключающей паразитные связи по каналом управления; - разработка технологических и штатных алгоритмов и ПО, учитывающих особенности формирования выходной информации ВТГ; - создание БИНС на ВТГ с погрешностью определения (2σ) координат – 0,8 км за час, скорости – 0.7 м/с, массой не более 6 кг и энергопотреблением не более 20 Вт. В дальней перспективе следует ожидать, что погрешность определения (2σ) координат в БИНС будет меньше чем 0.5 км за час. Учитывая общие тенденции по созданию пространственно-обособленных информационно интегрированных КБО с управляемой избыточностью, будут проводиться работы, по созданию функционально-распределенных БИНС. Автоматизация сбора и обработки технологической информации требует применения интеллектуальных датчиков (ИД) способных самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою чувствительность в целях достижения максимальной эффективности. Своим «интеллектом» датчики обязаны микропроцессорным технологиям. Современные датчики и бесконтактные переключатели обладают средствами диагностики и способны подключаться к сетям; вскоре добавятся и простейшие контроллерные функции. Одной из наиболее привлекательных характеристик интеллектуальных датчиков является предоставление возможности подключать к одному кабелю несколько датчиков, а также проводить их конфигурирование и диагностику на расстоянии, т.е. настройку на объект, выбор режима работы и переключения, мониторинг элементов и состояния сенсора, отслеживание слишком слабого сигнала, предупреждающего об опасности полного отказа датчика. Можно ожидать продвижения в следующих важных направлениях. 1. Разработка интегрированной системы определения воздушных параметров и их критических значений на основе использования многофункциональных, всеракурсных приемников воздушных давлений и прецизионных интеллектуальных датчиков давления. 2. Разработка интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления высокой точности и надёжности в расширенном диапазоне температуры для систем управления и диагностики авиационных двигателей и инерциально-аэрометрических систем. 3. Методология проектирования тензопреобразователей физико-механических величин с гетероструктурой КНИ для создания интеллектуальных датчиков давления с высокой точностью и надежностью для авиационной и ракетно-космической техники. 4. Создание нового поколения измерительных интегральных тензопреобразователей, без p-n переходов с высокой радиационной стойкостью и диапазоном измерения 213 - 573 К. 5. Создание комбинированного датчика параметров для систем воздушных сигналов, с расширением диапазона измерений параметров до значений, возникающих при боевом маневрировании и уменьшением количества средств восприятия давлений на борту ЛА. 6. Поиск материалов и технических решений по созданию нанопокрытий, способствующих повышению противообледенительных свойств датчиков, что обеспечит снижение электрической мощности обогрева не менее чем на 50 %. 7. Создание научного задела для средств измерения скорости, высоты для перспективных гиперзвуковых ЛА, обеспечивающих расширение диапазона измерений воздушных параметров до гиперзвуковых скоростей. В отдаленной перспективе следует ожидать создания «сенсорных сетей» – тысячи миниатюрных интеллектуальных сенсоров с возможностями связи, которые размещаются на контролируемом объекте. Они сами налаживают между собой связь, формируют сеть и начинают передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Для систем виброконтроля авиационных двигателей и редукторов вертолетов необходима разработка интеллектуальных многокомпонентных первичных преобразователей и вторичных вычислительных устройств. |
Похожие:
 | Об утверждении Основ государственной политики в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности Российской Федерации на период... |  | Определение генеральной стратегической цели и системы стратегических целей социально-экономического развития г. Сургута до 2017,... |
| Для прикладных научных исследований и экспериментальных разработок, выполняемых по договорам на проведение научно-исследовательских,... | | «Доклинические исследования инновационных лекарственных средств» федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской... |
| ... | | В 2003 году Российская академия наук, как и ранее, проводила фундаментальные и прикладные исследования в соответствии с Приоритетными... |
| Долгосрочного социально – экономического развития российской федерации на период до 2030 года | | Новосибирска на 2018 – 2030 годы и признании утратившим силу решения Совета депутатов города Новосибирска от 18. 12. 2013 №1020 «о... |
| Организатором выступает Агентство перспективных научных исследований, г. Белгород | | Организатором выступает Агентство перспективных научных исследований, г. Белгород |