Бортовая электронная система воздушных судов

Бортовая электронная система воздушных судов (БЭС, авионика, от англ. avionics — aviation electronics) — это совокупность электронных устройств, приборов и программно-аппаратных комплексов, установленных на летательном аппарате (самолёте, вертолёте, беспилотном летательном аппарате) и предназначенных для решения задач пилотирования, навигации, связи, управления силовой установкой и общесамолётным оборудованием, а также для обеспечения безопасности полёта. БЭС являются ключевым элементом современного воздушного судна, определяющим его лётно-технические характеристики, надёжность и функциональность.

История развития

Ранний период (до 1940-х годов)

Первые электронные устройства на борту самолётов появились в начале XX века и включали простейшие радиоприёмники для связи с землёй и магнитные компасы. В 1930-х годах началось внедрение радионавигационных систем, таких как радиопеленгаторы и приводные радиостанции. Электронные системы того времени были аналоговыми, громоздкими и не отличались высокой надёжностью.

Эра аналоговой авионики (1940–1970-е годы)

В годы Второй мировой войны и после неё произошёл качественный скачок: появились радиолокационные станции (РЛС) для обнаружения целей и метеообразования, системы слепой посадки (ILS), а также автопилоты. В 1950–1960-е годы на пассажирских самолётах (например, Ту-104, Ил-18) начали массово применяться электромеханические приборы, гироскопические системы и аналоговые вычислители. Основным недостатком аналоговой авионики была низкая точность, значительный вес и высокая стоимость обслуживания.

Цифровая революция (1970–1990-е годы)

Внедрение цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и микропроцессоров в 1970-х годах коренным образом изменило авионику. Первым серийным самолётом с цифровой электронной системой управления стал Airbus A310 (1982 год). В СССР в 1980-х годах на самолётах Ту-204 и Ил-96 начали устанавливать цифровые пилотажно-навигационные комплексы. Появились стандарты ARINC 429 (цифровая шина данных) и MIL-STD-1553, обеспечившие унификацию обмена информацией между бортовыми системами.

Современный этап (с 1990-х годов)

Современные БЭС представляют собой интегрированные модульные авионики (IMA — Integrated Modular Avionics), где функции нескольких отдельных устройств выполняются единым вычислительным комплексом. Широко используются стеклянные кабины (Glass Cockpit) с многофункциональными дисплеями, системы спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС), автоматические системы управления полётом (FMS), а также системы синтезированного зрения (SVS). В России разработкой и производством авионики занимаются такие предприятия, как «Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ), «Авиаприбор-Холдинг» и НПП «Авиационная и морская электроника».

Классификация

Бортовые электронные системы классифицируются по функциональному назначению, уровню интеграции и типу решаемых задач.

По функциональному назначению

• Пилотажно-навигационные системы — обеспечивают определение пространственного положения, курса, высоты, скорости, а также прокладку маршрута и автоматическое управление полётом. Включают: инерциальные навигационные системы (ИНС), спутниковые приёмники, радиовысотомеры, системы воздушных сигналов (СВС), автопилоты, системы управления полётом (FMS).
• Радиосвязное оборудование — обеспечивает связь экипажа с диспетчерскими службами, а также между членами экипажа. Включает: УКВ-радиостанции, КВ-радиостанции, системы спутниковой связи (SATCOM), внутренние переговорные устройства (СПУ).
• Радиолокационное оборудование — служит для обнаружения объектов, метеообразований, рельефа местности. Включает: метеонавигационные РЛС, бортовые РЛС с синтезированной апертурой (SAR), системы предупреждения столкновений (TCAS), системы предупреждения о близости земли (GPWS/EGPWS).
• Системы управления общесамолётным оборудованием — контролируют работу шасси, гидравлики, топливной системы, системы кондиционирования, электроснабжения. Включают: электронные блоки управления (EEC), системы автоматического управления силовой установкой (FADEC), системы управления шасси.
• Системы индикации и регистрации — отображают информацию экипажу и фиксируют параметры полёта. Включают: многофункциональные дисплеи (MFD), индикаторы на лобовом стекле (HUD), бортовые самописцы («чёрные ящики»), системы аварийной сигнализации.
• Системы обороны и целеуказания (для военных ЛА) — включают радиолокационные станции управления оружием, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), лазерные дальномеры, прицельные комплексы.

По уровню интеграции

• Автономные системы — отдельные устройства, не связанные единой шиной данных (характерны для старых типов самолётов).
• Интегрированные системы — объединены в единый комплекс с обменом данными по цифровым шинам (ARINC 429, MIL-STD-1553, AFDX).
• Интегрированные модульные авионики (IMA) — несколько функций реализуются на единой аппаратной платформе с использованием виртуализации и разделения ресурсов.

Устройство и принципы работы

Аппаратная часть

Основу БЭС составляют вычислительные блоки (компьютеры), датчики, исполнительные механизмы и устройства отображения информации. Вычислительные блоки современных авионик строятся на базе микропроцессоров с высокой степенью защиты от сбоев (например, PowerPC, ARM Cortex-R). Датчики включают гироскопы, акселерометры, приёмники спутниковых сигналов, барометрические датчики, термопары. Исполнительные механизмы (рулевые приводы, клапаны, насосы) управляются электрическими сигналами.

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) БЭС разрабатывается в соответствии с авиационными стандартами DO-178B/C (в России — ГОСТ Р 51904). ПО делится на уровни критичности (DAL A — наивысший, DAL E — низший). Для систем, отказ которых может привести к катастрофе (например, автопилот, система управления полётом), используется сертифицированное ПО с верификацией и валидацией. Операционные системы реального времени (RTOS), такие как VxWorks 653, LynxOS, QNX, обеспечивают детерминированное выполнение задач.

Шины данных

Для обмена информацией между блоками используются стандартизированные цифровые шины:

• ARINC 429 — односторонняя шина с передачей данных со скоростью 12,5 или 100 кбит/с. Широко применяется в гражданской авиации.
• MIL-STD-1553 — двусторонняя шина с высокой помехоустойчивостью, используется в военной авиации и космической технике.
• AFDX (ARINC 664) — высокоскоростная шина на основе Ethernet, обеспечивает детерминированную передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с. Применяется на Airbus A380, Boeing 787, Sukhoi Superjet 100.

Применение

Гражданская авиация

БЭС являются неотъемлемой частью всех современных пассажирских и транспортных самолётов. Они обеспечивают:

• Автоматическое управление полётом (от взлёта до посадки).
• Навигацию по заданному маршруту с использованием спутниковых систем.
• Предупреждение об опасных сближениях и столкновениях с землёй.
• Контроль работы двигателей и систем самолёта.
• Регистрацию параметров полёта для послеполётного анализа.

Примеры: Ил-96-300, Ту-204, Sukhoi Superjet 100, МС-21, Airbus A320, Boeing 737.

Военная авиация

В военной авиации БЭС решают задачи управления оружием, радиоэлектронной борьбы, разведки и целеуказания. Современные истребители (Су-57, Су-35, МиГ-35) оснащены интегрированными системами, объединяющими РЛС с активной фазированной антенной решёткой (АФАР), оптико-электронные прицельные комплексы, системы РЭБ и навигации. Вертолёты (Ми-28Н, Ка-52) используют БЭС для навигации в сложных метеоусловиях и управления вооружением.

Беспилотные летательные аппараты

Для БПЛА (например, «Орион», «Альтаир», «Форпост-Р») БЭС являются критически важными, так как они полностью заменяют пилота. Включают автопилот, систему навигации, каналы связи, системы управления полезной нагрузкой (камеры, РЛС, оружие).

Критика и проблемы

Несмотря на высокую надёжность, БЭС имеют ряд недостатков:

• Сложность и стоимость — разработка и сертификация авионики требуют огромных затрат (до 30–40% стоимости самолёта).
• Уязвимость к кибератакам — с ростом интеграции и подключения к внешним сетям (например, через спутниковую связь) возрастает риск несанкционированного доступа. В 2015 году хакер Крис Робертс заявил о возможности взлома систем управления самолётом через развлекательную систему.
• Зависимость от программного обеспечения — сбои в ПО могут приводить к авариям (например, инциденты с Boeing 737 MAX в 2018–2019 годах, связанные с системой MCAS).
• Проблемы импортозамещения — в России до 2022 года значительная часть авионики (особенно для гражданских самолётов) производилась с использованием зарубежных компонентов. Сейчас ведётся активная работа по созданию отечественных аналогов (например, система «Купол» для МС-21).

Интересные факты

• Первый в мире полностью цифровой автопилот был установлен на самолёте Boeing 707 в 1958 году.
• В СССР в 1970-х годах на самолёте Ту-144 была применена одна из первых цифровых систем управления полётом.
• Современные БЭС содержат до 100–200 вычислительных блоков и более 10 миллионов строк программного кода.
• Система TCAS (Traffic Collision Avoidance System) обязательна на всех пассажирских самолётах вместимостью более 19 мест.

Источники

• ГОСТ Р 51904-2002 «Программное обеспечение бортовой аппаратуры летательных аппаратов. Общие требования».
• ARINC Specification 429: Digital Information Transfer System (DITS).
• MIL-STD-1553: Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus.
• «Авиационное радиоэлектронное оборудование» / Под ред. В. И. Тихонова. — М.: Транспорт, 1990.
• «Бортовые цифровые вычислительные машины» / Под ред. А. А. Красовского. — М.: Машиностроение, 1985.
• «Авионика: принципы и технологии» / Под ред. В. А. Гусева. — М.: Радиотехника, 2010.
• Отчёты Межгосударственного авиационного комитета (МАК) по расследованию авиационных происшествий.