Приоткрываем завесу: Автоматическая посадка самолета⁠⁠

"...А можно Вас попросить чуть подробнее о полностью автоматических посадках рассказать? Как я понял из Википедии, посадка с использованием ILS Cat IIIC позволяет садиться в условиях нулевой видимости. Вы подробно писали и объясняли, почему всякие "электронные костыли" вредны для практикующего пилота, но интересно, насколько идеально работает полностью автоматическая посадка. В плане перегрузок при касании и излишков адреналина.

...ну если у Вас будет на это время когда-нибудь"

Да пожалуйста, почему бы и нет.

Я и сам думал написать статью на эту тему после того, как прочитал запись в блоге и особенно после нашей с автором переписки в комментариях...

Вы в курсе, что все запрограммировано? :) Я, увы, нет.

Поддерживаю - человек ошибается гораздо чаще!

Достаточно посмотреть на программные продукты.

Был, мягко говоря, удивлен ответами в комментариях... ну да ладно, у людей из IT, тем более таких успешных, свой взгляд на мир и остальные профессии.

Внизу мой ответ на примере В737 - принципиальной разницы с иными типами самолетов вы не найдете, все эти процессы достаточно стандартизированы.

Полетели?

Большинство (не все) современных гражданских самолетов имеют возможность выполнения автоматической посадки, в которой работа пилота сводится к активацию этого режима и контроля за ходом его выполнения. Кроме этого, пилоты создают посадочную конфигурацию самолета - выпускают шасси, механизацию крыла, выбирают уровень автоматического торможения после посадки и т.п.

То есть, сам автопилот только летит - выдерживает траекторию, скорость и выполняет посадку - выравнивание, установку малого газа двигателям и само приземление. Некоторые лайнеры кроме этого способны выполнить автоматический пробег - выдерживать направление (курс взлетно-посадочной полосы, ВПП) после посадки, при этом торможение (тормозами колес) либо автоматическое (если используется система автоматического торможения, имеющая различные уровни, выбираемые пилотами), либо его производит пилот. Кроме этого, пилот включает реверс тяги.

В общем, даже на этапе финального захода на посадку (то есть, на предпосадочной прямой - тогда, когда активируется режим автоматической посадки) и после оной, участие пилота все еще требуется.

Безусловно, все это можно автоматизировать, но пока что концепция предусматривает активное участие человека (пилота). Например, в зависимости от ситуации, от правил аэропорта и пр., создание посадочной конфигурации может быть выполнено на разной высоте, разном удалении от ВПП. Аналогично, во многих аэропортах использование реверса ограничено из соображений шума.

Нет смысла писать сложные алгоритмы для автоматики, если эти простейшие, но важные операции легко выполняет человек.

* * *

Е.К. очень сильно заблуждается, когда представляет себе заход на посадку "спрограммированным" диспетчером, и направляемым "местными аэропортными радарами и прочими направителями" посредством, видимо, прямого управления автопилотом с земли.

Это представление, мягко говоря, далеко ото истины, а говоря прямо - абсолютно неверно. Такого попросту не существует в том отрезке времени, в котором мы живем.

Я допускаю, что Е.К. идет впереди нас, я вообще порой считаю людей IT особенными, живущими в своем, замечательном (!), мире.

Тем не менее, единственное на сегодняшний день оборудование аэропорта (точнее, конкретных ВПП), которое может "направлять" самолет при посадке - это система ILS (система инструментального захода на посадку), которая представляет собой два излучателя - один (курсовой маяк) расположен за противоположным торцом ВПП на продолжении осевой линии и излучает лучи, формирующие невидимую линию, соответствующую курсу оси ВПП в пространстве. Второй (глиссадный маяк) - расположен сбоку от ВПП, рядом с зоной приземления самолета, и он отвечает за формирование линии снижения самолета на предпосадочной прямой

Отмечу, что в природе существуют еще и иные системы захода на посадку (например, MLS), имеющие отношение к оборудованию аэродрома, умеющие формировать как менее, так и более сложные заходы на посадку, но в гражданских целях практически не применяются. При этом автоматическая посадка осуществляется только по ILS, либо по GLS, о которой расскажу чуть позже.

Как выглядит автоматический заход на посадку и посадка?

Для того, чтобы выполнить автоматическую посадку, надо сначала долететь до предпосадочной прямой.

Учитывая изменчивую воздушную обстановку, которая зависит не только от схем движения на конкретном аэродроме, но и от погоды, наличия траффика... погоды и другого траффика..., временных ограничений использования воздушного пространства и так далее, стандартизировать и алгоритмизировать в узких рамках полет на этапе снижения и захода на посадку достаточно проблематично.

Можно, но это требует внедрения сложных систем взаимодействия всего со всем, всеми и вся - самолета с диспетчером, с погодным радаром(и), другими участниками воздушного движения и т.п. И все равно останутся "дырки", которые придется заполнять соображалкой пилотов.

Обычно наше участие в полете на этих отрезках значительное - нам приходится думать и соображать, как лучше выполнить снижение и заход на посадку ("прицеливание на полосу", как иногда пишут пассажиры), реагируя на изменяющуюся воздушную обстановку и команды диспетчера. Конечно же, чаще всего в этих случаях мы используем различные режимы автопилота, которые, отмечу, никоим образом в принципе не связаны с диспетчером и прочими "направителями". Автопилот лишь помогает нам разгрузить внимание, но исполняет исключительно нашу волю, не чью либо еще.

В напряженных аэропортах, в той же Москве, о которой пишет Е.К., практически нереально использование самого высокого доступного на сегодняшний день уровня автоматизации - режимов автоматического полета по заданному (пилотом) маршруту (то есть, сложной траектории с поворотными пунктами) параллельно с обеспечением сложной траектории снижения в автоматическом режиме. Самолетов очень много, они прилетают с разных сторон, поэтому диспетчерам приходится активно "разруливать" потоки, чтобы самолеты смогли "выстроиться" в нормальной очередности на конечном этапе захода на посадку. Пилотам приходится рулить "автопилотом" (можно и руками, но это лишняя нагрузка в этих условиях) - по курсу и высоте - весьма активно.

Естественно, ни о каком управлении с земли, окромя голосовых команд диспетчера пилотам, повторюсь, речи быть не может. Мы летим, используя бортовые навигационные системы, которые могут взаимодействовать с некоторым наземным оборудованием, но сами по себе вполне автономны.

Некоторые нюансы

Итак, мы-таки долетели до предпосадочной прямой,  невидимой вертикальной плоскости в небе, проходящей через ось ВПП, на которую нам предстоит совершить посадку и получили разрешение на заход.

Наши самолетные приемники настроены на частоту ИЛС данной ВПП, сигнал принимается и позывные опознаны. Нажатием двух кнопок - режима APP (approach mode) и подключение второго автопилота (один уже подключен) мы сообщаем самолету, что ждем от него захвата лучей ИЛС и выполнения автоматического приземления соответственно.

После того, как самолет окажется на некотором боковом удалении от луча курсового маяка, происходит его захват, и самолет, повинуясь командам автопилота, разворачивается в сторону ВПП и далее летит по этому лучу.

При подлете к лучу от глиссадного маяка происходит его захват, и далее автопилот направляет самолет вниз, к полосе, "скользя" по лучу.

Перед глазами пилотов имеются приборы, которые визуализируют положение лучей в пространстве относительно самолета - т.н. "повторители", или "индексы". Если они расположены в центре шкал, значит, самолет летит строго правильно. Если глиссадный индекс (GS на картинке ниже) ушел вверх - значит, самолет летит ниже траектории. Если курсовой индекс (LOC) ушел влево - значит, самолет правее посадочного курса.

Пурпурный крест в центре дисплея - это две планки директорных стрелок (flight directors), которые обеспечивают траекторной управление.

Например, самолет находится в развороте в сторону ВПП. И курсовые и глиссадные индексы все еще не в центре, но если пилотировать так, чтобы удерживать директорные стрелки строго в центре (как на рисунке выше), то это означает, что самолет летит на правильно расчетной траектории, которая соответствует выбранному режиму полета. Летя таким образом, в нашем конкретном случае (разворот в сторону ВПП) мы вскоре выйдем строго на предпосадочную прямую.

Как это работает? Система, в зависимости от выбранного пилотом (!) режима автоматического полета, определяет необходимые угловые скорости в развороте и необходимые тангажи в наборе и снижении и отклоняет соответствующие стрелки в стороны, в которые необходимо отклонить управляющие поверхности самолета для того, чтобы выйти на заданную траекторию.

По мере приближения скорости углового перемещения к заданной, вертикальный (курсовой) директор будет смещаться в центр и станет строго в центре тогда, когда угловое перемещение будет идеальным. Аналогично работает горизонтальная стрелка по высоте полета.

На картинке выше директоры говорят: "Крути штурвал вправо и тяни на себя", если хочешь, чтобы стрелки оказались в центре.

Правда, вряд ли это поможет пилоту, увидевшему перед собой подобную картинку на приборе, выкрутиться из этой ситуации будет проблематично.
Если кому скучно, может в комментариях предложить свое мнение, почему я так считаю :)

Важно отметить, что нет принципиальной разницы, кто (что) выполняет полет - это может быть и автопилот и человек, но если мы говорим про автоматическую посадку, то подразумевается, что в нашем случае это делает автопилот.

Процесс приземления

Итак, мы летим в сторону ВПП. На необходимых удалениях и высотах мы, пилоты, обеспечили создание посадочной конфигурации - последовательно выпустили закрылки, шасси, обеспечили скорость, подготовили системы автоматического торможения и выпуска интерцепторов. Автопилот уверенно ведет самолет по глиссаде, собрав "стрелки в кучу", а автомат тяги выдерживает заданную пилотом скорость.

А далее да, роль пилотов сводится с тому, чтобы проконтролировать на характерных этапах правильность работы автоматики и ее готовность к выполнению посадки. И, конечно же, быть готовыми отключить автопилот и выполнить уход на второй круг, либо, в некоторых случаях продолжить заход и совершить посадку.. либо, опять же, уйти на второй круг.

Самый ответственный этап - конечно же, приземление. Самолет с большой скоростью пересекает торец ВПП, и до посадки остаются считанные мгновения. За это время необходимо распознать отказ (если он случится) и предпринять действия. Например, если на высоте около 40 футов (менее 15 м) не активируется режим FLARE (выравнивание), то у пилота остается менее двух секунд, чтобы это осознать и предпринять действие - иначе самолет ударится колесами о твердь земную, и последствия могут быть грустными.

Представьте, что заход выполняется в условиях плохой видимости, когда видишь огни ВПП (и то так себе) лишь буквально перед приземлением, и при этом ты должен успеть оценить положение самолета относительно этих огней (а вдруг мы на боковые огни садимся?).

Меньше всего в этот момент ты думаешь о программистах и о релаксе особенно.

А теперь представьте, что мы вдруг с этой высоты уходим на второй круг и происходит отказ кнопки TOGA (инициирующей автоматический уход на второй круг). Ты ее жмешь, но ничего не происходит - самолет снижается!

У пилота очень мало времени, чтобы распознать этот отказ, отключить автопилот и выполнить уход вручную - и даже если он распознал, то этот маневр в непосредственной близости земли (при стабилизаторе, предварительно "открученном" автопилотом на кабрирование) - очень непростая задача!

Тем не менее, предположим, что все идет нормально. Мы своевременно установили контакт с ВПП, оценили правильность движения лайнера относительно нее, приняли решение на продолжение захода (пилот все еще принимает все решения - не программист, не компьютер и не диспетчер). Самолет промчался над торцом ВПП на 50 футах, чуть позже активировался режим FLARE - автопилот теперь сопоставляет темп приближения лайнера к бетону по изменению высоты, измеренной радиолучом, и соразмерно ему по заданному алгоритму увеличивает тангаж самолета (нос приподнимает) для того, чтобы уменьшить вертикальную скорость.

На высоте около 27 футов автомат тяги начинает плавно уменьшать режим до тяги малого газа. И далее происходит приземление. Через две секунды автомат тяги отключается, либо его отключает пилот.

А дальше все происходит одинаково как для автоматических, так и для ручных посадок.

После того, как самолет поймет, что он находится на земле (обжатие стоек, раскрутка колес), на верхней поверхности крыла автоматически поднимаются интерцепторы - поверхности, которые сбрасывают подъемную силу с крыла и тем самым обеспечивают нагрузку на шасси, улучшая тормозные характеристики от колес, кроме этого, они создают определенное сопротивление воздуха, позволяющее уменьшать скорость. В это же время, исходя из заданного пилотами уровня торможения, система AUTOBRAKE начинать подавать в тормоза колес необходимое давление. Если обе эти системы отключены (причины могут быть разные - от неисправности "до", до отказа "после"), пилот вручную выпускает интерцепторы и, нажимая на педали, тормозит самолет.

Очень важно своевременно выпустить интерцепторы, при этом при чрезмерно мягких посадках автоматическое срабатывание иной раз не происходит. Это чревато выкатыванием на коротких и/или скользких ВПП, поэтому пилот должен заметить невыпуск и произвести его вручную.

Кроме этого, после приземления пилот включает реверс тяги - это совсем не автоматизировано (можно, но не нужно). На двигателях перекладываются специальные створки, которые перенаправляют истекающие с огромной скоростью газы в стороны, противоположные движению самолета, тем самым тормозя лайнер. На скользких ВПП вклад реверса в торможение тяги сложно переоценить, на сухих же его эффективность ниже, чем тормозов колес, но его использование, тем не менее, позволяет снизить нагрузку на тормоза и сэкономить их ресурс.

Некоторые лайнеры способны выполнять, как было написано, автоматический пробег после посадки - то есть, самостоятельно опускать носовую стойку шасси и выдерживать направление по курсу ВПП. Если этой опции на данном конкретном лайнере нет (либо она неисправна), то пилоту необходимо отключить автопилот, и дальше все делать, как обычно.

Качество автоматического приземления?

Обычно вполне нормальное. Да, пилот способен приземлить самолет намного мягче, но, как уже было выше отмечено, не всегда мягкость приземления означает его безопасность. Излишне мягкие посадки в принципе не требуются - самолет способен выдерживать весьма значительные удары о ВПП без последствий для конструкции, но и намеренно бить самолеты о землю тоже не стоит - пассажиры и руководство не поймут.

Почему бы тогда не выполнять автоматические посадки всегда, в каждом полете?

Ограничения

Индустрия не стоит на месте, самолеты давно уже умеют выполнять автоматические посадки, однако, качественного прорыва нет уже не первое десятилетие.

На возможность выполнения автоматической посадки накладывают некоторые ограничения - я назову их "условными", "безусловными" и "системными"

Системные

Выполнение автоматической посадки требует соответствующего оборудования. И даже если оно есть на самолете, далеко не факт, что ВПП его имеет.

Выше уже было рассказано про работу системы ИЛС - она требуется для того, чтобы самолет мог выполнить "точное попадание" на ВПП. Достаточно большое количество ВПП не имеют ИЛС, кроме того, иногда ее отключают для проведения регламентных работ. В этом случае пилот использует иные, менее точные и более сложные методики и способы, включая и визуальное ("на глаз") пилотирование.

Некоторые самолеты умеют выполнять автоматические приземления с использованием GLS - системы захода на посадку, использующей GPS. Самолет должен иметь соответствующее оборудование, а аэропорт - локальную корректирующую станцию, которая обеспечивает точность определения координат в пространстве.

Используя сигналы от спутников и этой станции, оборудование самолета формирует траекторию захода на посадку - те же "курс" и "глиссаду" на финальной прямой, только без фактического наличия маяков и их лучей. Индикация в кабине идентична ИЛС, самолет так же долетает до ВПП и выполняет посадку по тому же алгоритму.

Преимуществ у GLS много - она не подвержена помехам от предметов в зоне лучей (лучей физически нет), что является бедой для ИЛС. Одна корректирующая станция может обслуживать несколько аэродромов (в Москве, например, достаточно одной), себестоимость всего этого удовольствия в принципе ниже (оборудование самолетов, тем не менее, дороже, поэтому не все авиакомпании покупают эту опцию).

Система все еще внедряется, и пока что ограничена минимум погоды: высота принятия решение 60м (на этой высоте пилоты должны установить контакт с землей) и видимостью огней ВПП не менее 550м. Самолетов, оборудованных GLS, как и ВПП все еще относительно немного.

Безусловные

Это ограничения согласно сертификации самолета:

1. По углу наклона глиссады - от 2.5 до 3.25 градусов. Многие аэропорты имеют гораздо более крутые глиссады, и автопосадка на них запрещена безусловно.

Например, любителям отдыха в Куршавеле приходится летать в Шамбери. ВПП, длиной всего в 2 км, оборудована ИЛС лишь с одним курсом, при этом угол наклона глиссады составляет почти 5 градусов! Поверьте, это действительно круто!

Почитать рассказ о полете в Шамбери

2. По ветру. Производитель накладывает ограничения по скорости ветра - попутного, встречного, бокового - на выполнение автоматических посадок в условиях минимума погоды. Многие авиакомпании распространяют эти ограничения в принципе на все автопосадки.

3. При отказе двигателя. Есть самолеты, которые сертифицированы на выполнение автопосадок с отказавшим двигателем. А есть и такие (их в небе, наверное, большинство), которые при отказе двигателя требуют однозначного ручного пилотирования.

4. При неисправностях. Самолет - это машина. Иногда в нем случаются отказы. При некоторых автоматические посадки невозможны.

5. Кроме этого, я бы отнес к "безусловным" ограничения по рельефу ВПП в зоне приземления.

Некоторые ВПП в принципе не могут быть сертифицированы для посадок в условиях погоды ниже категории I (60х550м) из-за кривизны в зоне приземления - автоматические посадки на эти бугры могут быть опасными.

Многие авиакомпании запрещают выполнение автоматических посадок на ВПП, не сертифицированные по категории II или III.

Условные

Чуть выше я уже написал о том, что лучи ИЛС подвержены влиянию помех - сугроб, деревья, строения, взлетающий самолет и т.п. - помехи приводят к искажениями и неустойчивой работе. Выглядит это в кабине как волнообразные, а иногда и суматошные перемещения индексов.

Для того, чтобы сертифицировать ВПП по категориям II и III, требуется не только установить соответствующее радиомаячное и световое оборудование, но и обеспечить "чистоту зоны" ИЛС. Тем не менее, в условиях погоды лучше, чем категория II, никаких дополнительных процедур "очищения" не производится, и помехи могут быть созданы стоящим на предварительном старте самолетом или взлетающим перед твоей посадкой лайнером, проехавшей перед ВПП машиной, наличием сугробов и т.п.

Автоматические посадки в таких условиях требуют повышенного внимания со стороны пилота, несмотря на то, что погода может "звенеть", то есть, быть очень хорошей!

Суммируя все вышенаписанное, скажу, что большинство посадок в мире до сих пор осуществляются вручную.

Некоторые самолеты в принципе не могут их совершать, в некоторых аэропортах они невозможны, а в тех, в которых возможны - может не быть условий для их выполнения. А в некоторых случаях они запрещены политикой (причины мне непонятны) авиакомпании - flydubai тому пример.

Отмечу, что у России свой путь - и некоторые начальники на местах осмеливаются давать рекомендации исключительного применения автопосадок, несмотря ни на что.

Ссылка и ссылка

В самых современных и нагруженных аэропортах могут применяться процедуры, когда один лайнер еще взлетает, а другой уже приземляется. Это как раз тот случай, когда пилот второго самолета вряд ли решится на выполнение автопосадки - взлетающий лайнер с вероятностью 146% создаст помехи.

Выполнение автоматической посадки не означает "расслабленность" пилота. Наоборот, она требует максимальной готовности - распознать и незамедлительно исправить, за мгновения "почувствовать" самолет и предотвратить неприятность!

И, конечно же, идея того, что самолет "заводится" на посадку в заданное время и с заданной скоростью какими-то "направителями" с земли является мечтой из неопределенно далекого будущего, хотя индустрия действительно движется в этом направлении.

Спасибо за внимание!

Летайте безопасно!