Что такое хорошо и что такое плохо

0

На заре авиации системы управления самолётом были просты и незатейливы: это были обыкновенные рычаги, тросики и тяги, которые механически связывали штурвал в кабине пилота с рулями. Поначалу этого хватало, но люди ‒ существа неугомонные, им нужно быстрее, выше и сильнее. С ростом скоростей полета усилия, которые надо было приложить на рули для управления, выросли настолько, что человек уже просто физически не мог такие усилия развить (для сравнения, на современных истребителях приводы стабилизатора на горизонтальном оперении развивают усилие до сорока тонн).

Появились сначала бустерные необратимые, а после и электро-дистанционные системы управления. Но уже на бустерных системах вылезла проблема: как понять, какие настройки системы лучше всего для летчика? А с появлением ЭДСУ стало ещё веселее: попробуйте-ка найти наилучшее сочетание из нескольких ДЕСЯТКОВ влияющих друг на друга коэффициентов, особенно если вы инженер из 40-50х годов, и до вас этим не занимался НИКТО, а все, что у вас есть, это слова летчиков-испытателей “эм, ну, вот этот самолёт летал не очень, этот как-то дёргался все время, а этот прям хорош”. Задачка, скажем так, нетривиальная. И в двух главных центрах развития авиации ‒ СССР и США ‒ подошли к решению этой задачи двумя разными способами (которые в наше время очень гармонично срослись воедино).

Советские гигачады в своих изысканиях руководствовались советскими доктринами “Коллектив ‒ наше все” и “Я учёный ‒ ты дурак”. Надо признать, что такой подход не был лишён оснований, ведь в союзе существовали такие вещи, как высылка учёных в ГУЛАГ и философские пароходы, а после революции была необходима программа ликбеза. Исходя из всего этого советские гигачады пошли к учёным-медикам и спросили, какая у человека скорость реакции, переносимость перегрузок и т.п , а после переложили это в цифры. Таким образом получились так называемые частотные критерии устойчивости и оценивания пилотажных характеристик, которые позже были уточнены по результатам испытаний с лётчиками. Они вычисляются по характеристикам самолёта и САУ (системы автоматического управления), но для их использования нужно погружаться в дифференциальное исчисление и теорию автоматического управления, и этим мы сегодня заниматься не будем.

В США подход был прямо противоположный: во главу угла были поставлены субъективные оценки летчиков. Но их нужно было каким-то образом привести к единому знаменателю. И вот тут начинается самое интересное, то, ради чего писалась эта заметка: субъективные шкалы оценки уровня пилотажных характеристик самолёта.

Для начала краткое пояснение, что такое уровень пилотажных характеристик (ПХ) самолёта. Если кратко, то это уровень послушания самолёта летчику. Существует три уровня ПХ:

1) Первый уровень ПХ ‒ это чудо наяву, к его созданию приложил руку сам бог и он же помогает пилоту управлять этим летающим сокровищем. Такой самолёт повинуется пилоту как верная наложница и почти что предугадывает его мысли. К этому стремятся все конструкторы и этого очень сложно достичь.

2) Второй уровень ПХ ‒ это твердый середнячок. Не идеален, но хорош. Мысли не предугадывает, но что скажешь ‒ выполнит быстро и качественно. То, что в целом всех устраивает и что чаще всего получается.

3) Третий уровень ПХ ‒ это шайтан-машина с собственным темным разумом, которую мнение пилота интересует в последнюю очередь и от которой даже черти шарахаются. Чаще всего она рождается в момент отказа какой-либо системы, и ее экстренная посадка мало чем отличается от аварии.

Чтобы понять, к какому уровню какие сборки САУ относить, нужно продумать испытание и критерии оценивания. С испытанием все ясно, туда просто берутся две хорошо изученные задачи пилотирования: точное слежение (задача посадки) и быстрое маневрирование (задача прицеливания). С критериями оценивания все несколько сложнее. Представим себе игру в дартс. Цель игры ‒ попасть в цель (здравствуйте, тавтология, приятно познакомиться). Но это размытая цель (очень приятно, тавтология), поэтому конкретизируем: попадание в круги от 10 (центр мишени) до 7 это желаемое попадание, с 6 до 3 это уровень “не отлично, но и не ужасно”, а круги 2, 1 и мимо мишени ‒ это провал. Эти три уровня ‒ это возможное качество выполнения задачи: желаемое, адекватное и не выполнение соответственно. Примерно так же ранжируется качество выполнения задач пилотирования, и на этом качестве строится первая шкала оценивания ПХ.

Шкала оценки пилотажных характеристик Купера-Харпера была разработана после второй мировой войны Джорджем Купером (логично), летчиком авиационной лаборатории Эймса (США), а после доработана, а еще послее модифицирована в сотрудничестве с Робертом Харпером (опять-таки логично) из Корнельской Авиационной лаборатории. Шкала Купера-Харпера субъективна, и состоит из цепочки утверждений, из которых летчикам-испытателям необходимо выбрать те, которые, на его взгляд, наиболее соответствуют опыту пилотирования данного летательного аппарата (рис. 1). По шкале присваиваются целочисленные оценки: от 1 (идеально) до 10 (ужасно). Границы уровней ПХ проведены по дробным оценкам (чтобы все реально проставленные оценки попадали в один уровень ПХ): от 1 до 3.5 первый уровень ПХ, от 3.5 до 6.5 второй уровень, от 6.5 до 10 третий. Иногда оценку 10 выделяют отдельно, и ей присваивают уровень ПХ “кривой кирпич”.

Шкала Купера-Харпера стала очень популярна и держится до сих пор, и не зря, она простая, но при этом удобная и очень наглядная (просто посмотрите на описания оценок, там и ребенок поймет). Но у этой шкалы есть несколько недостатков, которые серьезно ее ограничивают:

1) Она субъективная, а значит, она привязана к субъективным ощущениям человека. С одной стороны, прямо знать оценку летчика хорошо, для этого она и создавалась. Но с другой, есть вероятность, что плохое самочувствие от начинающейся простуды летчик отнесет на счёт управляемости самолёта. А ещё, если сначала дать летчику хороший самолёт (1 ур. ПХ), потом плохой (3 ур.), а потом снова хороший (1 ур., можно даже тот же самый, что и в первом случае), оценки первого и третьего полета могут не совпадать (люди, они учитывают предыдущий опыт, что с них взять)

2) Она требует четко определенной задачи и четких критериев ее выполнения, а это не всегда выполнимо. Если с посадкой все просто (почти, для каждого самолёта надо корректировать задачу), то что делать с, например, виражами?

3) Она не учитывает, откуда идёт хорошесть или плохость самолёта. На поломанную систему управления, оторвавшийся стабилизатор или скопление пассажиров в хвосте самолёта (смещение центра тяжести) эта шкала отреагирует одинаково.

Последнюю проблему должна была решить следующая субъективная шкала: шкала PIO (Pilot-Induced Oscillation, колебания, индуцируемые летчиком, рис. 2). Чуть теории: с развитием систем управления в самолёте появилось запаздывание. Система управления не может моментально отработать сигнал (например, штурвал на себя) от летчика, она отрабатывает его какое-то время, и реакция на сигнал от летчика приходит с запаздыванием. При определенном сочетании собственных характеристик системы самолёт+САУ и характеристик летчика происходит примерно следующее: самолет приподнимает нос, летчик с некоторой задержкой (на время реакции) даёт штурвал от себя для парирования, самолёт (опять с задержкой) отклоняет нос вниз СИЛЬНЕЕ, чем предполагал летчик, летчик снова парирует уже штурвалом от себя, самолёт снова реагирует поздно и сильно и т.д. Это так называемые колебания, индуцированные летчиком (сейчас их переименовали, чтобы лётчики не оскорблялись). Такие колебания характерны для неопытных пилотов и для самолётов, где горизонтальное оперение расположено близко к крылу. Если такие колебания возникнут во время взлета или посадки, они вполне могут стать причиной катастрофы. И для их определения тоже есть своя шкала (рис.2). Плюсы шкалы PIO: Простая в употреблении и в обработке результатов и наглядная. В ней можно присвоить целочисленные оценки от 1 до 6, и существует полученная опытным путем формула, которая связывает оценки по шкале PIO с оценками по шкале PR. Но недостатки у нее примерно те же, что и у шкалы PR:

1. Субъективность

2. Неясно, что является причиной колебаний

3. Сосредоточенность на одном явлении

Но, в целом, на то она и субъективная.

Но эти шкалы старые, они обе были созданы после второй мировой, а авиация за это время довольно сильно поменялась. Начиная от достижения сверхзвука (со всеми вытекающими) до попыток применения дополненной реальности в дисплеях пилотов. На данный момент самой свежей, самой сложной и не до конца принятой является шкала NASA TLX. Она состоит из:

1. Лист с парами утверждений (рис 3). В каждой из пар нужно выбрать, какой из факторов являлся более важным с точки зрения выполнявшего задачу летчика.

2. Лист со шкалами (рис 4). Каждая шкала соответствует одному из факторов, и на каждой шкале нужно отметить общую важность фактора с точки зрения летчика.

3. Лист с общей таблицей. В один столбец таблицы вносится вес фактора со второго листа, а в другой – количество пар с первого листа, в которых данный фактор был более важным. После получившиеся данные пересчитываются по формуле и полученный результат интерпретируется в уровень ПХ.

В настоящее время для все три шкалы используются совместно с частотными критериями. Шкала НАСА пока ещё не нашла широкого применения, но имеет большой потенциал. От себя ещё добавлю вот что: шкала НАСА самая сложная внешне, но самая простая и удобная в применении, и при этом даёт хорошие результаты; шкала Купера-Харпера является нестареющей классикой, с помощью которой до сих пор проводятся летные испытания новых самолётов; а шкала PIO хорошо себя зарекомендовала при моделировании новых систем управления. И несмотря на все это, частотные критерии пока остаются основными и главными, хоть и сложными в вычислении.

Рисунки:
1. Шкала Купера-Харпера в переводе на русский
2. Шкала PIO в переводе на русский
3. Первый лист шкалы NASA TLX в переводе на русский
4. Второй лист шкалы NASA TLX в переводе на русский

Добавить комментарий