Искусственный горизонт

Искусственный горизонт (авиагоризонт, гирогоризонт) — это пилотажный прибор, указывающий положение летательного аппарата относительно плоскости истинного горизонта. Он является основным источником информации о пространственном положении самолёта или вертолёта (крене и тангаже) и относится к группе гироскопических приборов. В отличие от визуального наблюдения за естественной линией горизонта, искусственный горизонт позволяет пилотировать воздушное судно в условиях отсутствия видимости (в облаках, ночью, в тумане) или при полёте по приборам.

Принцип действия

Основой работы искусственного горизонта является гироскоп — быстро вращающийся ротор, закреплённый в кардановом подвесе. Гироскоп обладает свойством сохранять неизменным направление своей оси в пространстве (гироскопическая стабильность). В авиагоризонте ось гироскопа выставляется вертикально, перпендикулярно плоскости истинного горизонта. При изменении углов наклона летательного аппарата относительно этой вертикальной оси гироскоп остаётся неподвижным, а связанная с корпусом прибора шкала или силуэт самолётика перемещается относительно него, отображая крен и тангаж.

Для поддержания вращения ротора используются различные приводы: пневматический (от вакуумной системы двигателя), электрический (от бортовой сети) или комбинированный. Современные авиагоризонты, как правило, имеют электрический привод и встроенную систему коррекции, которая компенсирует уход гироскопа (прецессию) под действием сил трения и вращения Земли.

История

Ранние разработки

Первые попытки создать прибор для определения положения самолёта в пространстве без видимого горизонта относятся к началу XX века. В 1914 году американский изобретатель Элмер Сперри разработал гироскопический указатель крена и тангажа, который был установлен на самолётах Curtiss. Однако ранние модели были несовершенны: они страдали от дрейфа гироскопа и не имели системы коррекции, что требовало постоянной подстройки пилотом.

Развитие в 1930–1940-х годах

В 1929 году американский пилот Джимми Дулиттл совершил первый в мире полёт «вслепую» исключительно по приборам, используя гироскопический авиагоризонт, разработанный компанией Sperry Corporation. Это событие доказало принципиальную возможность полёта по приборам и стимулировало массовое внедрение авиагоризонтов в гражданскую и военную авиацию. В 1930-е годы появились первые серийные модели с пневматическим приводом, а в 1940-е — с электрическим.

Советские разработки

В СССР разработка искусственных горизонтов началась в 1930-х годах в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) и на заводе «Авиаприбор». Первым серийным советским авиагоризонтом стал АГ-1, выпускавшийся с 1936 года. В 1950-х годах были созданы более совершенные модели АГД-1 (авиагоризонт дистанционный) и АГБ-3 (авиагоризонт с боковым указателем), которые устанавливались на самолёты МиГ-15, МиГ-17, Ту-104 и другие. В 1960-х годах появились авиагоризонты с вычислительными блоками, позволяющие учитывать уход гироскопа и выдавать более точные показания.

Классификация

Искусственные горизонты классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода гироскопа

• Пневматические (вакуумные) — используют разрежение, создаваемое вакуумной системой двигателя. Характерны для лёгких и учебных самолётов (например, A-1, A-2). Отличаются простотой конструкции, но имеют меньшую точность и чувствительны к перегрузкам.
• Электрические — питаются от бортовой сети. Обеспечивают более высокую точность, стабильность и могут иметь встроенную систему коррекции. Широко применяются на современных воздушных судах (например, АГБ-3, АГД-1, АГ-1С).
• Комбинированные — используют как электрический, так и пневматический привод для резервирования.

По способу отображения информации

• Аналоговые (стрелочные) — имеют механическую шкалу и силуэт самолётика. Крен отображается поворотом шкалы относительно неподвижного силуэта, тангаж — перемещением шкалы вверх-вниз. Классический пример — авиагоризонт АГБ-3.
• Электронные (цифровые) — отображают информацию на жидкокристаллическом или светодиодном дисплее. Входят в состав комплексных систем электронной индикации (EFIS). Позволяют накладывать дополнительную информацию (скорость, высоту, курс) и имеют более высокую точность.

По конструктивному исполнению

• Основные (пилотажные) — устанавливаются на приборной доске и являются главным источником информации о пространственном положении. Обычно имеют дублирование.
• Резервные (аварийные) — используются при отказе основного авиагоризонта. Часто имеют автономное питание и меньшие габариты.
• Дистанционные — гироскопический блок вынесен отдельно от индикатора, что позволяет размещать его в менее вибронагруженном месте.

Устройство и основные элементы

Типичный аналоговый авиагоризонт состоит из следующих узлов:

• Гироскопический блок — ротор, закреплённый в кардановом подвесе. Ось ротора выставляется вертикально.
• Система коррекции — маятниковый или жидкостный датчик, который корректирует положение оси гироскопа при её отклонении от вертикали. В современных моделях используется электронная коррекция.
• Индикатор — шкала с нанесёнными делениями (обычно от -30° до +30° по крену и от -90° до +90° по тангажу) и силуэт самолётика. Шкала может быть неподвижной или вращающейся.
• Привод — электродвигатель или пневматическая турбинка для раскрутки ротора.
• Корпус — герметичный, защищающий гироскоп от пыли и влаги.

В электронных авиагоризонтах гироскопический блок заменён на микроэлектромеханические системы (МЭМС) или лазерные гироскопы, а индикатор — на дисплей.

Применение

Искусственный горизонт является обязательным элементом приборного оборудования любого пилотируемого летательного аппарата, выполняющего полёты по правилам полётов по приборам (ППП). Он используется:

• В гражданской авиации — на всех типах самолётов и вертолётов, от лёгких одномоторных (Cessna 172, Як-18Т) до магистральных лайнеров (Boeing 737, Airbus A320, Sukhoi Superjet 100). В кабине экипажа обычно устанавливаются два независимых авиагоризонта (левый и правый) для резервирования.
• В военной авиации — на истребителях, бомбардировщиках, транспортных и учебных самолётах. Современные военные машины (Су-35, МиГ-29, Су-57) оснащаются многофункциональными индикаторами, где авиагоризонт является одним из слоёв отображения.
• В беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) — используются миниатюрные авиагоризонты на базе МЭМС-гироскопов, входящие в состав инерциальных навигационных систем.
• В авиационных тренажёрах — для имитации работы приборов при обучении пилотов.

Ограничения и недостатки

• Ошибки коррекции — при длительных разворотах с большим креном или при полёте с ускорением (например, при наборе высоты) маятниковая система коррекции может давать ложные показания, вызывая так называемый «уход» авиагоризонта.
• Чувствительность к перегрузкам — пневматические авиагоризонты могут выходить из строя при отрицательных перегрузках (например, при пикировании).
• Ограниченный срок службы гироскопа — механические гироскопы требуют периодической замены и регулировки.
• Влияние вибраций — сильные вибрации могут вызывать дрейф гироскопа и снижение точности.
• Отказ при потере питания — электрические авиагоризонты требуют надёжного резервного источника питания.

Современные тенденции

В XXI веке наблюдается переход от механических авиагоризонтов к электронным системам. В составе комплексных систем электронной индикации (EFIS) авиагоризонт отображается на многофункциональных дисплеях, а его функции выполняют лазерные или волоконно-оптические гироскопы, не имеющие движущихся частей. Такие системы обладают более высокой точностью, надёжностью и не требуют периодической калибровки. В лёгкой авиации и авиации общего назначения по-прежнему широко используются аналоговые авиагоризонты, но и они постепенно вытесняются цифровыми приборами.

См. также

• Гироскоп
• Инерциальная навигационная система
• Пилотажно-навигационный комплекс
• Указатель поворота и скольжения

Источники

• Авиационные приборы: учебник для вузов / под ред. В. А. Боднера. — М.: Машиностроение, 1975.
• Крылов А. А. Гироскопические приборы в авиации. — М.: Воениздат, 1960.
• Руководство по лётной эксплуатации самолёта Як-18Т. — М.: Воздушный транспорт, 1985.
• Федеральные авиационные правила «Подготовка и выполнение полётов в гражданской авиации Российской Федерации» (ФАП-128).
• Sperry Gyroscope Company. Aircraft Instruments: A Technical Manual. — New York, 1943.
• Saarlas M. Aircraft Performance. — John Wiley & Sons, 2007.