Игра в кубики

В начале лета корпорация «Иркут» провела выкатку МС-21, первого российского среднемагистрального пассажирского самолета. Мы уже рассказывали о том, как разрабатывалось и как производится композитное крыло нового лайнера. Теперь корреспондент N+1 побывал в Центре комплексирования Объединенной авиастроительной корпорации, где разрабатывается функциональное программное обеспечение для бортового оборудования пассажирского самолета и проводятся работы по интеграции электронных систем и их тестированию.

Авионикой называют все электронные системы, функционирующие на борту пассажирского самолета. Долгое время различные бортовые электронные системы на лайнерах были самостоятельными элементами, имели собственные органы управления и индикаторы и по большому счету никому не подчинялись. Друг с другом они обменивались данными по специальным интерфейсным линиям. На многих современных лайнерах, выпущенных десяток лет назад, дела обстоят именно так: например, устройство автоматического выведения самолета из режимов сваливания и штопора работает самостоятельно и о своем функционировании лишь извещает летчиков загоревшимся индикатором.

Несколько лет назад мировые авиапроизводители стали реализовывать концепцию комплекса интегрированного бортового оборудования на основе интегрированной модульной авионики (ИКБО ИМА). В рамках этой концепции абсолютно все периферийные электронные системы были подчинены бортовому компьютеру. Это означает, что периферийные электронные системы стали проще, поскольку лишились собственных вычислительных систем — теперь их работой управляет главный компьютер самолета. При этом сами системы проектируются по модульному принципу с открытой архитектурой, то есть их можно заменить новыми более мощными, а передаваемые ими данные хорошо задокументированы и могут быть использованы сторонними производителями оборудования.

Современный самолет представляет собой большой летающий компьютер с собственной операционной системой. Под управлением этой системы функционирует множество программ, каждая из которых отвечает за работу определенного оборудования — открывание дверей, вывод индикации, получение данных от внешних датчиков, управление бортовым радиоэлектронным оборудованием. Все эти программы работают на центральном компьютере — вычислителе — и обмениваются данными друг с другом с помощью программного кода внутри операционной системы. Оборудование самого компьютера дублировано, и при выходе из строя одного блока его место занимает второй и вся система в целом продолжает работу.

В целом концепция ИКБО ИМА одновременно и упростила, и усложнила разработку бортового оборудования самолета. С одной стороны, передача всех управляющих функций центральному вычислителю позволило сделать конструкцию периферийных систем проще, снизить общий вес аппаратуры, ускорить ее работу и обмен данными, освободить больше места на борту самолета. При этом открытая архитектура дала возможность выбирать из множества датчиков и периферийных систем, представленных на рынке, а не конкретных типов, рекомендованных к установке производителем конкретного оборудования. Это позволяет точно конфигурировать функциональность системы и составлять комплекс оборудования исходя из собственных финансовых возможностей.

С другой стороны, разрабатывать программное обеспечения для авионики стало сложнее. Да, с каждым закупаемым сегодня вычислителем производитель поставляет программный комплекс для написания программного обеспечения, своего рода инструменты разработчика. Для того чтобы новый комплекс бортового оборудования допустили к полетам на серийном самолете, он должен пройти испытания и сертификацию. В концепции ИКБО ИМА отдельные испытания проходят само оборудование, программное обеспечение, каждая отдельная программа — и все это в комплексе. Раньше же при разработке бортовой электронной системы один производитель создавал «железо» и испытывал его, другой — программу и испытывал ее, а потом аппаратура и «софт» совмещались и сертифицировались.

При старте проекта МС-21 в начале 2000-х годов бортовые электронные системы лайнера планировалось разрабатывать и производить в России. Но позднее стало понятно, что реализовать концепцию ИКБО ИМА полностью в России и при этом практически с нуля будет крайне сложно, долго и дорого. Поэтому разработчики самолета пошли проверенным путем, уже давно избранным крупными иностранными авиапроизводителями, от канадского Bombardier и бразильского Embraer до американского Boeing и европейского Aribus. Речь идет о заказе готового оборудования и доработке его под собственные требования и нужды. Такой подход существенно экономит время и затраты.

А еще он значительно упрощает сертификацию новых самолетов в соответствии с международными стандартами. По словам начальника отдела систем самолетовождения «ОАК — Центр комплексирования» Евгения Лунева, покупка готового оборудования с инструментами разработчика, уже прошедшими предварительные сертификационные испытания, упрощает последующую сертификацию этих систем с написанным программным обеспечением. Потому что даже программные инструменты разработчика, поставляемые производителем, позволяют визуально через удобный графический интерфейс прописывать логику работы программы и задавать алгоритмы. При этом ручное программирование сводится к минимуму.

Основу бортового электронного оборудования МС-21 составляют системы французской компании Thales и американских Honeywell и Rockwell Collins. В частности, Thales поставляет вычислители, на которых будет работать российское программное обеспечение. На один самолет установят шесть таких компьютеров, которые будут работать синхронно, чтобы реализовать дублирование функциональности без сбоев. Honeywell поставляет навигационные блоки, в состав которых входит и спутниковая навигация, а Rockwell Collins — системы связи и обмена данными. Объединение всех поставляемых блоков в единый комплекс и обеспечивает «ОАК — Центр комплексирования», причем российская компания выступает интегратором систем.

Когда разрабатывался первый со времен СССР российский лайнер Sukhoi Superjet 100, российские разработчики участвовали в создании комплекса его бортового оборудования, которое также состоит из блоков иностранного производства. При этом за интеграцию программного обеспечения (доля российского кода в нем составляет значительную часть) и всех систем бортового оборудования полностью отвечала французская компания Thales. Теперь это положение вещей изменилось. Сегодня компания «ОАК — Центр комплексирования» проводит интеграцию авионики МС-21 и уже частично занимается созданием комплексов бортового оборудования для многих других российских самолетов, включая и транспортные.

Объединение электронных систем в единый комплекс производится через сетевой интерфейс, по своей топологии во многом схожий с самым обыкновенным Ethernet. Отличие заключается в том, что «вещание» бортового оборудования в сеть строго регламентировано как по объемам передаваемых данных, так и по времени начала и продолжительности передачи. В случае, если из-за сбоя какая-либо из подсистем начнет передачу данных вне своего графика, они не будут учтены и не приведут к неверной работе другого оборудования. Каждый элемент сети получает право передачи в зависимости от критичности передаваемых сообщений и присвоенного этому элементу приоритета. Все каналы обмена данными дублируются.

«В бортовом оборудовании используется система централизованного управления. То есть если вам необходимо выгрузить с определенного блока какие-либо данные или провести на нем обновление программного обеспечения, вам не нужно [залезать] куда-то в технический отсек. Все это вы можете проделать из кабины экипажа через специальную панель», — рассказал Лунев. При этом техник в случае масштабного обновления программного обеспечения или модернизации может в несколько простых действий извлечь старый блок и вставить новый. Они выполнены в стандартном типоразмере, имеют стандартный интерфейс подключения и питания и системы фиксации.

Понятно, что современная сеть должна учитывать и возможность атаки злоумышленников, и в этом направлении тоже было сделано несколько важных шагов. В программном обеспечении, например, реализованы аналоги компьютерных файерволлов, контролирующих сетевые пакеты. Кроме того, реализовано разделение сетей разных уровней. То есть оборудование, отвечающее за управление самолетом, навигацию, безопасность полета, «развязано» с «пользовательскими» системами на борту лайнера — развлекательными центрами, телефонией и Wi-Fi. Вычислительные системы МС-21 будут контролировать входящий канал данных, чтобы избежать взлома извне.

Бортовое оборудование МС-21 будет выполнять более сотни различных функций. Это должно позволить снизить нагрузку на экипаж во время полета, одновременно уменьшив состав этого экипажа. Если на старых самолетах в состав экипажа входили три-четыре, а иногда и пять человек, то современные лайнеры летчики ведут вдвоем. Бортовое оборудование, например перед взлетом, автоматически получает от центра управления все важные данные, включая объемы заправленного топлива, загрузку и план полета. На основании этих данных проводится расчет всех параметров полета.

МС-21 будет подключен к «авиационному интернету», единой сети, по которой воздушные суда могут получать и передавать важные данные. Такая концепция уже воплощена на SSJ-100. «Мексиканская авиакомпания Interjet, иностранный эксплуатант Superjet, активно использует такой обмен данными. То есть еще при подлете к аэропорту самолет уже получает все данные о следующем рейсе и проводит необходимые расчеты. Благодаря этому время простоя самолета между высадкой и посадкой пассажиров мексиканцам удалось сократить до 30 минут», — пояснил Лунев. Обычно время простоя самолетов в аэропортах между рейсами составляет 40-50 минут.

Использование «авиационного интернета» также позволяет бортовому оборудованию самолета в автоматическом режиме пересылать на диспетчерский пункт диагностическую информацию. Например, если в полете у лайнера отказывает один из электронных блоков или какая-либо периферийная система, центральная система отправит отчет об этом происшествии и тогда техники на земле смогут оперативнее подготовиться к предстоящему ремонту. Например, подготовить к замене отказавшие блоки. И этот ремонт, благодаря модульности, будет быстрым — вынул неисправный блок, поставил исправный, и все, полетели. Такой подход также позволяет существенно сократить время простоя самолета.

Следует сказать, что многие нововведения здесь диктуются особенностями именно гражданской пассажирской авиации. Самолет — транспорт дорогой, поэтому авиакомпании крайне заинтересованы в том, чтобы только что купленный лайнер окупился как можно скорее и как можно скорее начал приносить прибыль. Одним из способов достижения этого является как раз сокращение времени простоя лайнера между рейсами — чем плотнее график, тем больше самолет перевезет пассажиров, тем больше денег заработает компания. Все просто. И автоматический расчет полета, и отправка диагностической информации, и даже центральная консоль технического обслуживания в кабине экипажа позволяют уменьшить время, которое лайнер проводит на земле.

В МС-21 будет и система пространственной навигации, которая позволит борту выполнять полеты в условиях тесного воздушного пространства аэропортов. Дело в том, что в современных крупных аэропортах, принимающих и отправляющих множество рейсов, воздушные коридоры очень узки. Чтобы сделать полеты безопаснее, часть расчетов и управления переданы автоматике. Выглядит это так: самолет получает от диспетчера вводные для захода на посадку, рассчитывает траекторию полета и передает ее обратно диспетчеру. Когда то же делают другие самолеты, у диспетчера появляется возможность уместить большое количество бортов в одном воздушном пространстве, ускорить отправление и посадку лайнеров.

Российский лайнер получит и оборудование автоматического зависимого наблюдения-вещания (ADS-B). Это система наблюдения за воздушным движением. В базовом исполнении она представляет собой GPS-приемник, определяющий местоположение самолета и параметры его полета, а также набор приемо-передатчиков. Последние транслируют данные о самолете сети наземных станций, которые уже передают их диспетчерским службам и другим самолетам. Кроме того, ADS-B принимает информацию о погоде по маршруту полета. Считается, что массовый переход авиации на использование систем ADS-B повысит безопасность полетов, поскольку значительно упростит управление воздушным движением и даст летчикам более полную картину о воздушной обстановке.

Но автоматизация процессов управления самолетом — это только часть дела. Упростить управление самолетом можно и при помощи интерфейсных элементов. В МС-21 на панели приборов не будет аналоговых инструментов. Вся информация со всех систем будет выводиться на четыре жидкокристаллических полноцветных дисплея, по два у каждого пилота. Эти дисплеи выпускаются в Ульяновске и были разработаны «Ульяновским конструкторским бюро приборостроения». Кроме того, на центральной консоли между летчиками разместится пятый сенсорный дисплей. На него будут выводить критические сообщения, через него летчики смогут управлять частью систем самолета.

Бортовые системы самолета в каждую секунду полета выдают колоссальные объемы информации. Какая именно информация будет отображаться на дисплеях, смогут определять сами летчики, выбирая только актуальные для конкретного полета данные. К слову, графическое отображение данных — от цифровой информации до индикатора нормали — тоже разработали в «ОАК — Центр комплексирования». Управлять выводимой информацией и полетным заданием пилоты смогут при помощи специальных трекболов, аналогов компьютерной мыши. Теперь, вместо того чтобы выстукивать нужные команды на клавиатуре, летчики смогут несколькими движениями пальца произвести нужные настройки.

Управлять самолетом в полете летчики смогут при помощи джойстиков с обратной связью. Эта цифровая замена традиционного штурвала представляет собой ручки управления, расположенные слева от левого пилота и справа от правого. Они тоже должны существенно облегчить жизнь летчику — в отличие от штурвала, джойстик не загораживает приборную панель и не занимает много места, давая пилотам большую свободу движений.

Тестирование программного обеспечения, интерфейсов и элементов управления в «ОАК — Центр комплексирования» проводятся на специальном стенде поискового моделирования. Этот стенд, повторяющий по органам управления и экранам кабину экипажа МС-21, подключен к центральному вычислительному ядру самолета и представляет собой, условно, полетный симулятор. Все показания, которые выводятся на экраны стенда, имитируются специальными программами. Такой стенд позволяет проверить работу авионики, правильность и удобство отображения данных, удобство управления самолетом, взаимодействие всех элементов кабины экипажа друг с другом и программное обеспечение.

У компании есть целая система стендов, на которых разрабатываются и отлаживаются отдельные программы, взаимодействие различных элементов графического интерфейса на экранах и правильность отображения информации, происходит проверка комплекса электронного оборудования и испытание совместной работы программ и операционной системы. Работа на стендах позволяет на ранних этапах разработки вылавливать возможные ошибки и недостатки, а также на завершающем этапе подготавливать документацию, необходимую для последующей сертификации комплекса бортового оборудования.

Разработка российского лайнера находится уже на завершающей стадии. Впереди — испытания, которые позволят «причесать» самолет, устранив возможные недоработки или неточности. Как ожидается, МС-21 совершит первый полет в конце 2016-го — начале 2017 года. Первый серийный самолет заказчику планируется поставить в 2018 году.

Василий Сычёв