Какова максимально допустимая задержка между действиями пилота и срабатыванием органов управления полетом?

Пока я смотрел видео из кабины посадки А330, на котором пилот лихорадочно двигал ручкой управления, я гадал, каково было время реакции этого полета по проводной системе. Действительно, время на передачу сигнала с джойстика на бортовой компьютер, время на то, чтобы компьютер интерпретировал все его входные данные (ввод пилота, датчики и т. д.) и принял решение воздействовать на органы управления полетом, реакция самолета не является мгновенной. .

Затем я понимаю, что какой бы ни была система трансмиссии, есть задержка между входом пилота и движением рулей (эластичность материала, время передачи давления гидравлической жидкостью, другой механизм я не могу себе представить).

Таким образом, мой вопрос: есть ли максимальная задержка между входом пилота и отклонением поверхности управления полетом для сертификации самолета?

При необходимости для системы FBW можно рассмотреть прямой закон (никаких сложных вычислений, поскольку движение поверхности управления полетом пропорционально вводу)

При необходимости вопрос может быть ограничен авиалайнерами, летающими под юрисдикцией FAA и EASA.

РЕДАКТИРОВАТЬ : учитывая первый отзыв (комментарии, правки, ответ), я хочу подчеркнуть, что этот вопрос не ограничивается передачей по проводам (передача данных пилота через механические связи также может вызвать задержку)

РЕДАКТИРОВАТЬ : Я думаю, что недостаточно подчеркнул, что этот вопрос касается только задержки между вводом пилота и реакцией поверхности управления. Я понимаю, что эта задержка незначительна по сравнению со всеми другими задержками, но это то, на чем сосредоточен вопрос.

Мне всегда казалось, что динамика жесткого тела, о которой упоминает @Jimmy, имеет тенденцию затмевать все другие системные задержки, особенно на более низких скоростях полета. Другими словами, управляющие рычаги могут быть мгновенными, но вы все равно увидите задержки в сотни миллисекунд между движением ручки управления и реакцией самолета, особенно на низких скоростях полета, достигаемых на коротком финальном полете и во время вспышки. Это часть того, почему приземление может быть таким танцем.
Периферийный: не совсем то, о чем вы спрашиваете, но важно отметить, что время запуска двигателя может составлять 6 секунд плюс из-за того, что дроссели «прижаты к стене». Гораздо более длительная задержка, чем было бы полезно во многих аварийных ситуациях «Уход на второй круг».
Помните, что в Airbus вход контроллера не управляет поверхностью полета. Это просто дает бортовому компьютеру очень сильный намек на то, чего хочет пилот, но бортовой компьютер решает, должна ли команда поступать на поверхности управления или нет.

Ответы (7)

Чрезмерное отставание по фазе является прямым фактором возникновения пилотных колебаний типа I (PIO). Отставание по фазе возникает из-за:

  • Динамика жесткого корпуса самолета (например, задержка между поверхностью руля высоты и реакцией скорости тангажа)
  • Приводы (конечное время ускорения между вводом и желаемым углом поверхности)
  • Структурное соответствие (например, трение кабеля)
  • Транспортная задержка сигналов
  • Конечная вычислительная пропускная способность (например, пропускная способность при замыкании контура)

Согласно отчету NASA 4683 , восприимчивость к PIO может быть выражена в предположении, что пилот является компенсаторным ; то есть ввод пилота и ответ самолета будут точно в фазе, за исключением постоянной временной задержки (по частотам). Эта модель выражается как:

г ( с ) "=" К с е − т е с

где т е - эффективная временная задержка или, что то же самое, фазовая скорость как функция частоты

В результате своего исследования было обнаружено, что эффективная временная задержка более 0,3 с приводит к проблемам с PIO. Учитывая типичную временную задержку пилота, равную 0,2 с, это означает, что верхняя граница эффективной временной задержки воздушного судна составляет 0,1 с на более высокой частоте (около 5 рад/с) от начала до конца.

Точное время зависит от скорости полета. Медленный полет допускает большую задержку, поскольку собственные аэродинамические частоты увеличиваются со скоростью. На более высокой частоте та же задержка означает большее отставание по фазе.
@PeterKämpf MIL-F-8785C указывает желаемые собственные частоты для режимов твердого тела. За исключением SP, они не зависят от скорости (но зависят от фазы полета). В документе НАСА рассматривались как истребители, так и самолеты транспортной категории; это довольно широкий диапазон.
Должно быть, это было плохое исследование. Задержка реакции человека хорошо изучена и составляет порядка четверти секунды. При тренировках и хорошем здоровье может быть меньше, но не ниже 0,1 секунды.
@PeterKämpf Мы можем еще больше сократить фактическую задержку транспортного средства, включив задержку пилота. Исправил мой ответ.

Это классическая задача теории систем управления . Условие, которого следует избегать любой ценой, - это случай, когда управляющие действия пилота не совпадают по фазе с движениями самолета, поэтому боковая ручка управления усугубляет колебания, а не гасит их.

Это может произойти двумя способами: 1) если в системе управления, подключенной к джойстику, имеются значительные задержки времени обработки и 2) если есть значительные задержки в реакции пилота.

Как указывалось выше, временные задержки системы управления ничтожны по сравнению с постоянными времени реакций самолета на движение элеронов и т. д., а значительная временная задержка в общей системе, состоящей из самолета + пилота + компьютерной системы управления, приходится на ПИЛОТ, а не система управления.

Это приводит к тому, что называется PIO или колебаниями, вызванными пилотом , когда запаздывание времени отклика пилота толкает всю систему в расходящиеся колебания, как, например, в случае пилота, летящего на самолете по взлетно-посадочной полосе после того, как он отскочил от взлетно-посадочной полосы на его или ее первоначальное приземление.

Я не знаю, содержат ли компьютеризированные системы управления полетом подпрограммы, предотвращающие PIO, но, возможно, Питер Кемпф знает!

ответ исправлен - NN
Лучший способ предотвратить PIO — исключить из цикла время реакции пилота. Во-вторых, держать пилота в трезвом состоянии и не уставать, чтобы сократить эту задержку. У меня нет доступа к исходному коду FCS, но мне трудно представить, как еще можно компенсировать отставание от времени реакции человека.
Хороший ответ, но вместо «Как указано выше ...» лучше сослаться на конкретный ответ, а еще лучше на него. Поскольку система голосования может означать, что ответ, на который вы ссылаетесь, не всегда выше вашего.
@PeterKämpf: Один из способов, с помощью которого опытный пилот может предотвратить PIO, — это замечать, когда это происходит, и предпринимать действия, чтобы снять его возбуждение, например (казалось бы парадоксально), намеренно замедляя свои реакции управления и / или уменьшая их амплитуду, чтобы двигаться . рассинхронизировать их с частотой колебаний и уменьшить петлевой коэффициент усиления ниже единицы. Или, выражаясь человеческим языком, «сохраняйте спокойствие, сохраняйте устойчивость, делайте это медленно и легко». В принципе , FCS также может активно обнаруживать PIO и корректировать реакцию органов управления, чтобы отключить его, хотя на практике лучшим вариантом может быть простое предупреждение пилота.
@IlmariKaronen: Правильно — во многих случаях было бы лучше просто держать джойстик по центру. Но постарайтесь осознать, что происходит, и иметь наглость соответствующим образом реагировать в стрессовой ситуации — я не могу винить пилотов, попавших в ловушку PIO. Ваше желание состоит в том, чтобы выбраться из этого, поэтому вы применяете то, чему научились. Даже если это усугубит ситуацию. Озарение приходит гораздо позже.
Закон о нормальных полетах Airbus пытается максимально вывести пилота из петли, оставаясь при этом под его контролем. Положение ручки соответствует желаемой скорости тангажа и крена, поэтому, когда пилот отпускает ручку, система активно останавливает движение, избегая необходимости пилоту командовать противоположным отклонением и, возможно, запуская колебания.

Имеется некоторый опыт в этом на симуляторах уровня D, которые имеют компьютерные ответы, которые должны соответствовать оригинальным самолетам в пределах жестких допусков.

Пару десятилетий назад золотым стандартом для хост-компьютеров реального времени Unix была частота 30 Гц. Итак, 30 раз в секунду вычислялось все следующее:

  • Отклонение поверхности от ввода рукояти, включая растяжение кабеля, моделирование потока масла и т. д.
  • Аэродинамические шарнирные моменты на поверхности.
  • Гидравлические шарнирные моменты, создаваемые исполнительными механизмами.
  • Аэродинамические силы и моменты на самолете.
  • Инерционная реакция самолета.
  • Реакция визуальной системы.
  • Реакция системы движения.
  • Все остальные состояния системы и ответы.

При частоте обновления 30 Гц стандарт был признан приемлемым для обучения нулевому времени полета уровня D, что подразумевает временную задержку 1 кадр = 0,0333 с. Итак, мы знаем, что это достаточно быстро: частота 30 Гц, временная задержка 0,0333 сек.

Кроме того, для современных компьютеров такая частота итераций вызывает улыбку, код, который работал на частоте 30 Гц на современной Unix-машине реального времени, теперь работает на частоте 3000 Гц на Macbook Pro.

Время вычислений — не единственная временная задержка. К более выраженным временным задержкам относятся транспортные задержки сигналов и задержки подтверждения (если они существуют).
@Джимми Действительно. 30 Гц на компьютере симулятора было достаточно, чтобы учесть все задержки сигналов и другие задержки, которые происходят в самолете.
@Jimmy Как указывает Нильс, самая большая задержка - это ответ пилота.

Существует ли максимальная задержка между действиями пилота и отклонением поверхности управления полетом для сертификации самолета?

Буквально, нет. Единственные заявления FAA о задержке касаются ADS-B .

Чтобы измерить то, о чем вы спрашиваете, временная задержка слишком упрощена. Вам нужно что-то вроде импульсной характеристики системы с ограниченной полосой частот или ее временного эквивалента передаточной функции модуляции. И не только от отклонения палки до отклонения поверхности, но и до скорости изменения (скажем) скорости крена. FAA даже не пытается навязывать цифры на выходе этого процесса, не говоря уже о сложностях, которые к этому привели.

Если задержка управления самолетом в каком-то отношении была опасно большой, пилоты-испытатели (или авиасимуляторы!) заметили бы это задолго до того, как формы сертификации были отправлены в FAA.

В начале 1980-х годов отдел летных исследований в Arvin/Calspan ATC исследовал проблемы, связанные с цифровыми системами управления полетом, широко известными как Fly-By-Wire (FBW), которые становились все более распространенными в самолетах, таких как F-16. , Ф-18 и Торнадо. В то время вычислительная мощность компьютеров была лишь частью того, что доступно сегодня, и проблема усугублялась сложными системами управления. Исследователи смогли вызвать задержку в системе управления полетом, которая была в дополнение к задержке, присущей испытательному самолету, и попросили летчиков-испытателей оценить проблемы управляемости при маневрах с высокой нагрузкой, таких как посадка и отслеживание цели. Их результаты были опубликованы в статье « Влияние задержек системы управления на летные качества истребителя».», документы, представленные на симпозиуме группы летной механики по критериям качества обработки военных самолетов, состоявшемся в Форт-Уэрте, США, 19-22 апреля 1982 г. AGARD-CP-333 (Консультативная группа по аэрокосмическим исследованиям и разработкам) AD A118596

Вкратце, они обнаружили, что при задержке более 130 мс при продольном управлении и 120 мс при поперечном управлении восприятие пилотом управляемости снижалось. На каждые дополнительные 25 мс оценка пилота Cooper-Harper (1-10) увеличивалась на 1.

В авиасимуляторе мы должны убедиться, что ИНДУЦИРОВАННАЯ задержка в моделировании не превышает спецификацию. Для военных самолетов это обычно 100 мс для истребителей и вертолетов и 150 мс для транспортных самолетов. FAA имеет более свободные стандарты, от 1550 до 300 мс, в зависимости от уровня симулятора.

Для гражданской сертификации нет особых требований к сертификации в FAA Part 23/25 или в EASA CS 23/25. Но, очевидно, они требуют, чтобы самолет не был подвержен PIO, даже несмотря на отсутствие специального раздела, посвященного этому вопросу. Как упоминал @Jimmy выше, временные задержки в системе управления являются основной причиной PIO типа I. Таким образом, цель разработчиков должна заключаться в том, чтобы минимизировать эти временные задержки, насколько это возможно.

С другой стороны, военные требования немного подробнее касаются сертификационных требований. Самолеты оцениваются как Уровни 1, 2 и 3 на основе временных задержек в 0,1, 0,2 и 0,25 секунды в системе управления. Очевидно, что уровень 1 является лучшим.

В том же руководстве (Летные качества пилотируемых самолетов) содержится требование определять временную задержку в терминах фазового отставания. И он классифицирует его в соответствии с фазами полета, такими как взлет и посадка, крейсерский полет и т. д. Он начинается с 15 градусов и доходит до 60 градусов отставания по фазе для требований Уровня 1, 2 и 3.

Используемый технический термин — задержка, т. е. задержка распространения (или транспортировки) между входом (управление пилотом) и выходом (движение поверхности управления). Конструктор самолета (или производитель оригинального оборудования) определяет допустимую задержку.

Приемлемая задержка зависит от типа самолета, т. е. самолета авиакомпании, авиации общего назначения или самолета-любителя, динамики управления полетом конкретного самолета, систем, через которые вырабатывается результирующий сигнал (датчики управления пилотом -> компьютер управления полетом/механические соединения -> Блок управления -> Движение поверхности) и критическое значение сигнала (например, срабатывание поверхности управления).

Для таких авиакомпаний, как Airbus (A330) или Boeing (B787), задержка между входными сигналами управления пилотом и срабатыванием поверхности управления полетом обычно составляет от 50 до 100 мс.

Есть ли у вас какие-либо документы для дальнейшего чтения (мне любопытно, как вы представляете задержку, которая может удваиваться от одного случая к другому, и как она разлагается между различными шагами, которые вы описываете)?
Документ требований к конструкции конкретного самолета будет содержать требования к задержке, и этот документ не может быть раскрыт. Как указано в ответе, приемлемая задержка зависит от различных аспектов и различна для разных самолетов. Поэтому он указан в диапазоне, и он не очень большой с точки зрения полной задержки распространения, хотя и удвоенный.
Какова максимально допустимая задержка между действиями пилота и срабатыванием органов управления полетом?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v