Александр Пленцов
Из 323 самых серьезных происшествий (Класс А) в ВВС США за период с 1991 – 2000 гг., 20,2% связываются с пространственной дезориентацией ( Devenport , 2000г.). Часто происшествия произошедшие по причине пространственной дезориентации (ПД) носят фатальный характер, насчитывая около 40 унесенных жизней в год в американских ВВС, ВМС и Армии вместе взятых ( Braithwaite et al, 1998г.; McGrath, 2000г. ). По оценкам: 89% событий ПД в авиации общего назначения имеют фатальный исход ( Nai,l 1999г.). Ежегодные потери американских военных более чем 300 млн. долларов, и примерно такие же потери в гражданской авиации.( B естник МНАПЧАК № 1,2. 2005 г.)
В России в 2006г. произошли три катастрофы, которые можно классифицировать как произошедшие по причине потери пространственной ориентировки в полете. Катастрофа вертолета Ми-8Т 22.02.2006г. под Красноуральском. Катастрофа самолета А-320 3.05.2006г. под Сочи. Катастрофа Су-24 30.07.2006г. под Калининградом.
Летчик в полете, являясь активным оператором (АО), воспринимает и перерабатывает информацию, преследуя две основные цели: ведение правильной пространственной ориентировки и, на этой основе, и приобретенных навыках пилотирования, безопасное управление самолетом.
Пространственная ориентировка (ПО) - это знание человеком своего положения и характера перемещения в пространстве относительно вектора сил тяжести и окружающих предметов. ПО - это постоянно функционирующий, подсознательный элемент жизнедеятельности человека, такой же, как сон, дыхание, питание. Человек не мог бы существовать во времени и пространстве, если бы его ощущения не давали ему объективно-правильного представления о положении и перемещении окружающей среды. Иначе говоря, человек погибает, если пространственная ориентировка ложная, т.е. ощущения человека выдают ему субъективно-ложную информацию о положении и перемещении окружающей среды.
Безопасное управление самолетом (БУС) – это требуемое перемещение самолета в трехмерном пространстве из одной точки в другую, достигаемое или выдерживанием заданного режима полета, или установлением нового, и решаемое при выполнении трех необходимых условий: а) правильная пространственная ориентировка; б) навыки пилотирования, соответствующие условиям полета; в) наличие пилотажно-навигационного оборудования в кабине самолета.
В настоящее время в кабинах самолетов в качестве основного авиационного прибора – авиагоризонта применяется индикатор с так называемой прямой, «американской» (изобрел американский врач-хирург в 1929 г.) индикацией. На экране индикатора изображен неподвижный стилизованный силуэт самолета - наблюдаемый как бы сзади по полету свой самолет, и подвижная по крену и тангажу планка линии условного горизонта - как бы прямое наблюдение из кабины самолета положения и перемещения линии истинного горизонта.
Разработчики данной индикации предполагают ее применение, как для решения задачи ведения правильной пространственной ориентировки в полете, так и для безопасного управления самолетом.
Данная индикация абсолютно не применима для ведения пространственной ориентировки. Вести правильную пространственную ориентировку, используя такой прямой индикатор невозможно, так как в полете не задействован основной источник правильных ощущений положения и перемещения окружающей среды – периферическое зрение летчика. Угловые размеры планки условного горизонта индикатора 7 – 12 градусов, в то время как периферическое зрение летчика начинает «работать», то есть ощущать положение и перемещение линии истинного горизонта при видимости ее угловых размеров не менее 70 градусов. Оптимально: 120 - 150 градусов. Сравнить можно с процессом дыхания. Если шланг кислородного оборудования летчика сделать толщиной 1 – 2 мм. то таким оборудованием летчик не сможет пользоваться. Не хватит объема проходящего кислорода. Необходимо и используется диаметр 10 – 15 мм. Так и при ведении пространственной ориентировки, для восприятия не хватает размеров планки условного горизонта индикатора. Необходимо в кабине самолета установить новый индикатор, предназначенный для ведения правильной пространственной ориентировки в любых метеоусловиях полета. Этот индикатор при полете в любых метеоусловиях должен представлять летчику положение и перемещение в пространстве линии искусственного горизонта, которая по своим параметрам полностью соответствует положению и перемещению линии истинного горизонта, видимой из кабины самолета в простых метеоусловиях. Предлагаемая индикация ЭПИЛС разработана и получены: А.С № 1307972 приоритет от 26.11. 1984г.; Патент Р.Ф. № 56997 от 10.05.2006г.
Таким образом, необходимо отметить, что основным недостатком современного приборного оборудования в кабинах самолетов, является отсутствие соответствующей индикации, представляющей летчику объективно-правильную информацию о положении и перемещении окружающей среды для ведения правильной пространственной ориентировки в любых метеоусловиях полетов.
Необходимость индикации для ведения правильной пространственной ориентировки в сложных метеоусловиях (СМУ) и в условиях оптических иллюзий (УОИ) можно сравнить с необходимостью кислородного оборудования в кабине летчика при полетах свыше 3000 метров. Военным и гражданским самолетам запрещено летать без кислородного оборудования на высотах более 3000 метров. Во избежание катастроф по причине потери летчиком пространственной ориентировки необходимо запретить полеты в СМУ и УОИ без соответствующей индикации для ведения правильной пространственной ориентировки.
Более 20 лет назад такая индикация была разработана в трех вариантах технического решения: световая, лазерная, электронная.
Правильная пространственная ориентировка необходима летчику для выполнения другой основной задачи: безопасного управления самолетом (БУС).
БУС - это перемещение самолета в трехмерном пространстве из одной точки в другую, достигаемое: или выдерживанием заданного режима полета, или установлением нового, и решаемое при выполнении трех необходимых условий:
1. Правильная пространственная ориентировка.
2. Навыки пилотирования, соответствующие условиям полетов.
3. Наличие пилотажно-навигационного оборудования в кабине самолета.
Рассмотрим процесс управления самолетом с точки зрения авиационной эргономики.
СХЕМЫ БЕЗОПАСНОГО УПРАВЛЕНИЯ САМОЛЕТОМ
ИМП – информационная модель полета;
ПМП – приборная модель полета;
Спмп – зрительный сигнал восприятия приборной модели полета;
ВМП - визуальная модель полета;
Свмп - зрительный сигнал восприятия естественной окружающей среды;
ПрОПП – пространственный образ положения и перемещения летчика;
ЦС – центр согласования;
ОМП – оперативная модель полета;
КМП – концептуальная модель полета;
ЦСВР – центр сравнения и выработки решения;
НП – навыки пилотирования;
РУ – рули управления самолетом;
ДД – двигательные действия по управлению самолетом;
Сзрп – сигнал восприятия периферическим зрением окружающей среды;
Спо – результирующий сигнал пространственной ориентировки;
Св, Сд, Ск, Ст – сигналы: вестибулярный, двигательный, кожный, тактильный.
Для выполнения задачи БУС, должны быть согласованы три модели полета: информационная модель полета (ИМП), концептуальная (базовая) модель полета (КМП), и оперативная (рабочая) модель полета (ОМП). В этом случае время восприятия, анализа и выработки решения по управлению самолетом будет минимальным.
Информационная модель полета (ИМП) - это модель полета, представленная в виде набора пилотажно-навигационного оборудования в кабине самолета (ПМП), и визуальной модели полета (ВМП) - зрительного наблюдения положения и перемещения самолета в окружающем пространстве.
ИМП = ПМП+ВМП в ПМУ
ПМП состоит из основного пилотажного прибора, указывающего положение самолета в пространстве: угол крена, угол тангажа, угол скольжения, вокруг которого расположены остальные приборы: высота, скорость, курс и др.
ВМП - это зрительное восприятие положения самолета по углам крена и тангажа относительно положения окружающей среды. При полетах в СМУ, ВМП отсутствует. При полетах в УОИ визуальная модель полета является ложной
ИМП = ПМП в СМУ
ИМП = ПМП + (- ВМП) в УОИ
Оперативная (рабочая) модель полета (ОМП), это модель полета создаваемая летчиком умозрительно в процессе полета, на основе результатов: ведения пространственной ориентировки – ПрОПП, то есть положение системы истинных координат, что является базой; и считывания, анализа и переработки показаний ИМП., для построения положения своего самолета в системе этих координат. В итоге ОМП – это умозрительное знание о положении и перемещении своего самолета в данный момент времени, в истинной системе координат.
Концептуальная (базовая) модель полета (КМП), это модель полета, создаваемая летчиком умозрительно на земле, при подготовке к полетам. На земле в процессе подготовки к полетам летчики, с началом летной деятельности, пользуются макетом самолета, то есть уменьшенной копией своего самолета. С помощью такого макета они моделируют различные этапы и ситуации полетов. Как правило, летчики держат макет самолета носом от себя, и при создании крена, поворачивают макет вокруг продольной оси. При моделировании снижения или набора высоты они соответственно опускают или поднимают нос самолета. Данная модель управления самолетом становится основой для формирования КМП в процессе подготовки к полетам.
Сознание летчика вырабатывает ОМП и КМП в одном и том же формате, что обосновано необходимостью, при дефиците времени, сравнивать и принимать решения на двигательные действия по управлению самолетом при минимальном ресурсе времени с максимальной скоростью.
ИМП в системе управления «летчик-самолет-среда» должна оцениваться с одной стороны насколько полно и точно в ней отображается управляемый объект – самолет, с другой стороны, как отображаются результаты действия рулями управления, и насколько точно ИМП соответствует ОМП и КМП.
В настоящее время в авиации используются приборные модели, в которых применяются два типа основных пилотажных приборов. ПМП с так называемой прямой индикацией и ПМП со смешанной индикацией. Причем необходимо отметить не соответствие названия и градации применяемых приборных моделей полета.
1. ПМП с прямой индикацией основного пилотажного прибора, так называемая «американская» система индикации (применяется на всех типах самолетов США и других западных стран) не является в полном смысле прямой индикацией, как ее называют западные авиационные психологи, т.е. вид из кабины самолета. На экране прибора имеется стилизованный неподвижный силуэт самолета, т.е. наблюдаемый сзади по полету (по оси Ох) свой самолет, и подвижная по углам крена и «тангажа» планка условного горизонта, т.е. наблюдаемый из кабины самолета истинный горизонт. Верхняя часть, над планкой условного горизонта, окрашена в синий цвет - небо, а нижняя в коричневый – земля. Разработчики данной индикации предполагали, что подвижная планка линии условного горизонта позволит летчику в полете, в любых метеоусловиях, вести пространственную ориентировку, а цифровые показания углов крена и «тангажа» осуществлять управление самолетом. Однако планка линии условного горизонта на приборе имеет такие параметры, которые не позволяют задействовать основной источник правильных ощущений при ведении пространственной ориентировки – периферическое зрение. Таким образом, для ведения правильной ПО, данный прибор использоваться не может. Нельзя его использовать и для управления самолетом, т.к. с точки зрения авиационной эргономики показания прибора алогичны ситуации полета – силуэт самолета неподвижен. К тому же прибор при наборе высоты или снижении показывает не угол тангажа – угол между продольной осью - Ох самолета и горизонтальной плоскостью - плоскостью линии условного горизонта, а высоту полета, то есть расстояние от продольной оси Ох самолета до горизонтальной плоскости – планки линии условного горизонта (ось Ох и планка линии условного горизонта индикатора при изменении положения по тангажу, всегда параллельны, что по определению не может являться углом).
2. ПМП со смешанной индикацией основного пилотажного прибора, так называемая «советская», (применяется практически на всех типах бывших советских самолетов), также не является в полном смысле обратной индикацией, т.е. вид сзади по полету самолета. На экране прибора имеется стилизованный, подвижный по крену силуэт самолета, т.е. наблюдаемый сзади по полету свой самолет; и подвижная по «тангажу» планка линии условного горизонта, т.е. наблюдаемая из кабины самолета линия истинного горизонта . Верхняя часть, над пинией горизонта окрашена в синий цвет – небо, а нижняя часть в коричневый – земля. Разработчики данной индикации более адаптировали прибор к выполнению задачи безопасного управления самолетом, исполнив символ своего самолета подвижным по крену, однако по «тангажу» он так же показывает высоту полета.
С точки зрения активного оператора с ограниченным ресурсом времени и первый и второй, применяемые в настоящее время, типы индикации имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих им решать проблему потери пространственной ориентировки и способствовать выполнению безопасного управления самолетом в полете.
1. Правильное название обоих приборов: указатели углов крена и высоты полета. Угол тангажа, с точки зрения практической аэродинамики, ни один прибор не показывает.
2. Силуэт самолета в приборах по замыслу разработчиков, как символ своего самолета ни где и никогда в процессе подготовки к полетам летчику не встречается.
3. Силуэт самолета на экране неподвижен, а подвижна линия горизонта. Чтобы создать такую ситуацию на земле, необходимо подвесить макет самолета в воздухе на уровне глаз, встать сзади по полету, повернуть голову влево и представить, что самолет кренится вправо, присесть вниз и представить, что самолет набирает высоту. Естественно, что данная подготовка к полетам абсолютно алогична и никогда не имеет место.
4. Применяемые типы индикации, при решении задачи БУС, не позволяют летчику наблюдать положение своего самолета в пространстве, без интерпретации через считывание цифровых значений углов крена и тангажа.
5. При полетах самолета с большими углами крена и тангажа, когда планка линии условного горизонта уходит за обрез прибора, определить положение самолета в пространстве практически невозможно, а значит и невозможно принять правильное решение на действия рулями управления для вывода самолета в требуемое положение.
6. Индикация прибора не задействует периферическое зрение летчика в системе создания ПрОПП, поэтому вести пространственную ориентировку с их помощью невозможно.
Такая индикация более соответствует логике пассивного наблюдателя с неограниченным запасом времени и могла бы применяться при управлении аэростатами или дирижаблями.
Смешанная «советская» индикация отличается от прямой тем, что силуэт самолета на приборе подвижен по углам крена. При этом летчику становится легче определять положение своего самолета по крену, а значит и быстрее принимать решения на действия рулями управления. Однако все другие недостатки, и в особенности по: п.п. 1, 2, 4, 5, 6 в нем остались прежними. Данную индикацию можно применять при полетах в ПМУ, или в СМУ при пилотировании с небольшими: 10 – 15 градусов углами крена и тангажа
Градации существующих типов индикации положения и перемещения самолета в пространстве (прямая, смешанная, обратная) нет необходимости рассматривать, опираясь на то, как летчик в полете осуществляет наблюдение: из кабины, или сзади по полету.
Летчик, являясь активным оператором с ограниченным ресурсом времени, требует создания такой визуализации логической индикации параметров положения и движения самолета в пространстве, которые бы воспринимались и перерабатывались в двигательные действия на уровне, близком к подсознательному. Летчику необходимы эргономически обоснованные, логические индикаторы принятия правильных решений, при полетах с большими углами крена и тангажа в любых метеоусловиях полетов.
Имея два параметра: крен и тангаж, и применяя двоичную систему кодирования, примем: 0 – неподвижное положение индикатора, 1 – движение индикатора. В итоге получаем четыре варианта ПМП:
1) крен – 0, тангаж – 0. Американский тип индикации
2) крен - 1, тангаж – 0. Советский тип индикации.
3) крен – 0, тангаж – 1. Индикация типа АГИ-1 (применялась на МИГ-15, УТИ МИГ-15, МИГ – 17 и др. самолетах в 50х – 70х годах)
4) крен – 1, тангаж – 1. Индикация типа ПИЛС, ЭПИЛС.
Эргономически обоснованная, логическая индикация должна соответствовать ОМП и КМП, в которых летчик представляет объемный макет самолета, вращающимся относительно неподвижного горизонта. При этом направление движений рулями управления должно соответствовать направлению движения индикатора - макета самолета, и самого самолета. В данном случае центр согласования ЦС между ПМП и ОМП отсутствует. Время восприятия ПМП близко к подсознательному.
135 человек было задействовано в эксперименте по оценке электронного варианта индикации ЭПИЛС управляемого джойстиком. Из них 52 летчика истребительной авиации, 9 бомбардировочной, 18 пассажирских самолетов, 6 штурманов, 11 авиаспециалистов (не летчиков), 23 водителя автомобилей, 16 человек абсолютно не связанных с процессом управления. Все летчики, штурманы, авиаспециалисты через 7-10 минут уверенно пилотировали самолет, безошибочно и правильно выводили из любых вводимых положений по крену и тангажу. Для водителей автомобилей для адаптации потребовалось 15-20 минут. Из 16 не имеющих опыта управления 12 начинали пилотировать и понимать действия рулями управления через 25-30 минут. Остальным четверым потребовалось около часа.
Данная проверка воспринимаемости индикации ЭПИЛС показала, что переучивать летчиков для перехода на новую индикацию практически не требуется.
Для сравнения: из 79 летчиков смогли определить положение самолета в пространстве, и выполнить правильные действия рулями управления на электронном варианте прямой, «американской» индикации при создании сложного положения только 6 летчиков.
В настоящее время в НПЦ «Эр АвиаЛогин» разработаны новые объемные приборы логической индикации положения и перемещения самолета в пространстве. Пилотажный индикатор логический самолетный – ПИЛС выполнен на основе электромеханической индикации. Электронный пилотажный индикатор самолетный – ЭПИЛС выполнен на базе электронной индикации. Такие приборы способны наглядно выдавать на одном экране кроме традиционных параметров углов крена и тангажа, другие параметры: бокового скольжения, вертикального и горизонтального перемещения, вектора скорости, угла атаки и другие. На экране самолетного монитора такая индикация воспринимается летчиком логическим подтверждением его представлений положения и перемещения самолета в пространстве. Принятие решений на двигательные действия рулями управления, и сами двигательные действия легко контролируются летчиком благодаря наглядности индикации.
Соответственно для вертолетов разработан индикатор – ПИЛВ. Для полетов на космических кораблях многоразового использования - ЭПИЛК.
Переоборудование самолетов и вертолетов на новый тип индикации не требует значительных затрат, так как электромеханические индикаторы ПИЛС и ПИЛВ работают от тех же датчиков, и имеют те же габариты. Требуется снять с приборной доски существующий прибор-авиагоризонт и на его место поставить ПИЛС или ПИЛВ. Электронная индикация ЭПИЛС вводится в бортовой компьютер и выводится на пилотажный индикатор МФИ. Все это можно выполнить во время регламентных работ.
Эскиз лицевой части ПИЛС
М 1:1
Пленцов Александр Пантелеевич, военный летчик 1 класса.
Желонкин Владимир Иванович, КТН.
Законова Наталья Александровна, инженер – психолог.
Тел. факс: 8-83145 2-08-67
8 902 304 7012
8 926 132 4903
E-mail: aviapils @ mail.ru