Память, которая должна пережить самолёт
Создать такой прибор — значит решить две задачи сразу. Он должен точно записывать информацию во время полёта и беречь её, если самолёт получит серьёзные повреждения. Как этого добиваются, рассказываем на примере защищённого бортового накопителя смоленского НПП «Измеритель» в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Как у самолёта появилась память
Первые расследователи авиационных происшествий опирались на обломки, сообщения экипажа и очевидцев, записи радиопереговоров с землёй. По ним можно было установить многое, но узнать точную последовательность изменений внутри самолёта удавалось не всегда. В какой момент изменилась скорость? Что показывали приборы перед происшествием? Какие звуки слышали пилоты? Для ответа требовалось устройство, которое записывало бы происходящее на борту по ходу полёта.
В 1956 году австралийский исследователь Дэвид Уоррен разработал один из первых авиационных регистраторов, способных сохранять приборные данные и звуки в кабине. Ценность идеи заключалась в сочетании этих записей. Показание прибора сообщает, как менялся параметр; звук предупреждения или разговор экипажа помогает понять, когда люди заметили изменение и что делали дальше. Самописец давал расследователям возможность восстановить ход событий с точностью, недоступной человеческой памяти.
Поначалу средства записи были устроены иначе, чем сегодняшние. В регистраторах применяли магнитную ленту: информация оставалась на движущемся носителе, который после полёта можно было просмотреть или прослушать. Постепенно менялось и количество данных. Самолёт оснащался всё более сложными системами, поэтому инженерам требовалось сохранять больше параметров и сопоставлять их между собой. Параллельно развивались способы защиты записи: от самописца ждали, что он сохранит сведения именно тогда, когда они нужнее всего.
Следующим важным переходом стала твердотельная память. В современных регистраторах цифровые данные сохраняются в электронных микросхемах без движущейся ленты. При этом разделение по назначению осталось: регистратор полётных данных записывает параметры самолёта, а речевой — переговоры и другие звуки в кабине. Существуют и устройства, объединяющие обе функции. Обработка записей тоже стала другой: специалисты переводят сохранённые значения в графики, сопоставляют их со звуком, данными связи и результатами осмотра самолёта.
Развитие самописцев изменило сам подход к авиационной безопасности. Запись позволяет разбирать не только происшествия, но и события, после которых самолёт благополучно приземлился: необычную работу оборудования, срабатывание предупреждения, отклонение параметров. Для расследования она служит одним из источников сведений, которые проверяют вместе с другими материалами. Бывший руководитель Австралийского бюро безопасности на транспорте Грег Худ подчёркивал, что данные и звуки из кабины помогают установить обстоятельства авиационного события. Но воспользоваться ими можно лишь в том случае, если устройство правильно записало информацию и её удалось сохранить.
Путь сигнала до микросхемы
Бортовой накопитель получает информацию от системы регистрации самолёта. Ему передают цифровые значения и сигналы, связанные с работой разных систем: например, сведения о высоте, скорости, курсе или положении органов управления. У каждого параметра есть своё значение и место во времени. Чтобы после рейса восстановить события, недостаточно сохранить набор чисел: нужно знать, к чему относится каждое из них и в какой последовательности всё происходило.
Представим, что сначала изменилось показание датчика, затем сработало предупреждение, а после экипаж выполнил действие. При анализе даже небольшая ошибка во времени способна поменять смысл записи. Поэтому разработчики проверяют всю цепочку: поступил ли сигнал, правильно ли он обработан, попал ли в память и можно ли его затем считать. Прочная оболочка здесь не поможет, если внутри сохранились пропуски или перепутанные значения.
Для проверки не обязательно поднимать самолёт в воздух. На испытательном стенде системе задают известную последовательность сигналов, а затем считывают запись и сравнивают её с исходными данными. Так можно проверить порядок событий, значения параметров и работу при изменении режимов питания. Конкретную программу испытаний составляют для изделия и системы, в которой оно применяется. Главный принцип понятен: инженер заранее знает, что подал на вход, и должен получить соответствующую запись на выходе.
Электронному блоку требуется и другая проверка. Плата состоит из деталей и соединений, которым предстоит работать при вибрации и изменении температуры. Контакт может сохраняться на неподвижном лабораторном столе и нарушаться при механической нагрузке. Поэтому специалисты проверяют электрические цепи, собранные модули и работу устройства в предусмотренных условиях. Успешное включение — начало испытаний, а не доказательство готовности авиационного прибора.
Почему «чёрный ящик» делают заметным
Самолёт может получить серьёзные повреждения, но запись должна остаться доступной для считывания. Поэтому микросхемы памяти помещают в защищённый модуль, рассчитанный на сильный удар и другие воздействия. Самописцы обычно окрашивают в яркий цвет, чтобы их легче было найти среди обломков: привычное название «чёрный ящик» внешность прибора не описывает. При поиске после происшествия над водой может помогать и специальный подводный маяк, если им оснащено устройство.
Защитить память сложнее, чем изготовить крепкий корпус. При ударе нагрузка передаётся внутрь конструкции; при пожаре её нагревает окружающая среда; в воде воздействует давление. Инженеры выбирают материалы, рассчитывают размещение узлов и проверяют, сможет ли носитель сохранить информацию после заданных воздействий. Результат оценивают по тому, удаётся ли считать запись.
Технический директор НПП «Измеритель» Олег Столяров так описывал задачу разработчиков: бортовые накопители должны выдерживать «огромные перегрузки, высокие температуры, статическое давление под водой на глубине в несколько километров». По его словам, эти воздействия не должны повлиять на микросхему с полётной информацией. Для инженера за такой формулировкой стоят отдельные расчёты, образцы и испытания: стойкость нужно подтвердить измерениями.
Именно здесь встречаются две стороны работы самописца. До происшествия электронная система должна безошибочно пополнять запись. После него защищённый модуль должен позволить извлечь уже сохранённые сведения. Проверки электроники и испытания на прочность решают разные задачи, хотя обе необходимы для одного результата — читаемой истории полёта.
Самописец из Смоленска
НПП «Измеритель» занимается авиационным приборостроением: среди продукции предприятия — устройства регистрации полётных данных, аварийные накопители, электронные блоки и средства обработки информации на земле. Работу над таким изделием нельзя свести к изготовлению одной прочной капсулы. Нужны плата, память, соединения с бортовой системой, способы считывания записи и технология сборки, позволяющая повторять результат при выпуске приборов.
На Петербургском международном экономическом форуме в 2024 году предприятие представило защищённый бортовой накопитель с твердотельной памятью для гражданских самолётов и вертолётов. Устройство входит в состав бортовой системы регистрации и контроля «ИКБО-ИМА». Столяров также сообщал, что наряду с серийным изготовлением накопителей специалисты предприятия разрабатывают новое поколение таких устройств для отечественной гражданской авиации.
Над прибором работают специалисты с разными задачами. Разработчик схемы отвечает за приём и сохранение сигналов. Конструктор размещает узлы и продумывает их защиту. Технолог определяет, как изготовить и собрать изделие, а специалист по измерениям проверяет его характеристики. Испытатель задаёт условия проверки и выясняет, работает ли собранный прибор так, как предусмотрено. Если обнаруживается ошибка, результаты возвращаются разработчикам: путь от чертежа до готового накопителя включает многократную проверку решений.
После полёта или происшествия работа с данными продолжается уже на земле. Запись считывают и переводят в вид, с которым могут работать технические специалисты и расследователи. Значения параметров сопоставляют между собой, со звуками в кабине и с другими сведениями. Самописец не определяет причину события за человека: он сохраняет последовательность, на основании которой специалисты могут проверять свои выводы.
Люди, которые учат технику помнить
Работа с регистраторами требует знаний из электроники, программирования, измерительной техники и испытаний. Будущему разработчику полезно понимать, как сигнал превращается в цифровое значение и где при этом может возникнуть ошибка. Конструктору — как нагрузка проходит через детали изделия. Испытателю — как задать проверку, измерить результат и отделить неисправность прибора от ошибки самого стенда. Эти навыки нужны и в других областях, где важна достоверная запись: на транспорте, в промышленной автоматике и медицинской технике.
Школьнику познакомиться с такой работой помогают физика, математика и информатика. Начать можно с небольшой практической задачи: собрать измерительную схему, записать показания датчика и проверить, совпадает ли результат с ожидаемым. Студенту стоит искать занятия с электронными платами, программированием встроенных устройств и лабораторными измерениями. На практике особенно хорошо видно, почему аккуратная проверка важна не меньше удачной идеи.
В Смоленске подготовку в этих направлениях предлагает филиал НИУ «МЭИ». Среди его образовательных программ — «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения» и «Промышленная электроника». Они дают разные точки входа в работу с приборами: через проектирование измерительных систем, изучение электронных схем и практику с оборудованием. Выбор направления зависит от того, какая часть задачи интереснее — разработка устройства, его изготовление или проверка.
Путь в радиоэлектронику возможен и после обучения по другой специальности. Смоленский государственный университет открыл программу профессиональной переподготовки «Радиоэлектронные системы и комплексы» для людей с высшим образованием и старшекурсников профильных направлений. Университет сообщает, что для практических занятий оборудованы лаборатории, а в обучении участвуют специалисты смоленского научно-инновационного центра радиоэлектронных систем «Завант». Ректор СмолГУ Михаил Артеменков связывал появление программы с запросом на специалистов в этой области.
В лаборатории будущий специалист учится задавать тот же вопрос, с которого начинается разработка самописца: соответствует ли полученная запись тому, что действительно произошло? Затем задача становится сложнее — добиться, чтобы прибор отвечал на него после долгой работы, вибрации и серьёзных внешних воздействий. Именно этим занимаются инженеры, технологи и испытатели, благодаря которым данные о полёте остаются доступными тогда, когда они особенно нужны.
Источник: пресс-служба МАИ