Войти в почту

Инерциальная навигационная система: более 50 лет в автономном полете

Инерциальные навигационные системы (ИНС) уже более пятидесяти лет входят в состав бортового оборудования большинства самолетов, помогая им ориентироваться в полете. Для таких систем характерна полная автономность, то есть работа без внешних ориентиров или сигналов. В число ведущих отечественных разработчиков этих устройств входит КРЭТ. Сегодня концерн активно решает задачи по импортозамещению и разработке инерциальных систем нового поколения – для истребителя Су-57 и лайнера МС-21. В автономном полете: что такое инерциальная навигация На заре авиации пилоты ориентировались по солнцу, звездам или компасу. Чуть позже путь самолетам прокладывали радиосигналы. Но все эти способы зависели от внешних факторов, а значит, невозможно говорить об их полной надежности. Требовался навигационный прибор, который смог бы регулировать движение самолета, не используя внешние источники информации или поступающие извне сигналы, то есть абсолютно автономно. Такой метод теоретически был описан в 1930-е годы, но реализовать его на практике удалось только спустя 20 лет. Кстати, в основе идеи инерциальной навигации лежит теория устойчивости механических систем, которую разрабатывали русские математики А.М. Ляпунов и А.В. Михайлов. Первые инерциальные навигационные системы (ИНС) были созданы в 1950-е годы в США и СССР. Примечательно, что в то же время родилась идея создания спутниковой навигации. Итогом развития этого направления стало появление глобальных навигационных систем: в США заработала GPS, в России – ГЛОНАСС, в Европе – «Галилео». Конечно, без спутниковой навигации невозможно представить работу современных самолетов, кораблей, геодезических приборов и даже мобильных телефонов. Но когда речь идет о военной технике, то при всей своей продвинутости спутниковая навигация ‒ не идеальна. Современными средствами радиоэлектронной борьбы противник может спутниковый сигнал исказить, «зашумить», отключить, в конце концов, уничтожить сам спутник. Поэтому на любом военном объекте – самолете, ракете, корабле, танке – должна быть установлена автономная ИНС, которая является полностью помехозащищенным источником навигационной информации. Таким образом, в военной технике наличие инерциальных навигационных систем является обязательным. Сегодня на борту военных самолетов они выдают информацию не только о навигации, но и участвуют в управлении полетом, прицеливании и наведении ракет, а также обеспечивают работоспособность радиолокационных, оптико-электронных и других бортовых систем. Впрочем, и на пассажирских лайнерах автономные инерциальные системы являются основным средством навигации. Устройство инерциальной системы: отличие ИНС от БИНС Итак, инерциальные навигационные системы уже более пятидесяти лет входят в состав большинства авиационных комплексов бортового оборудования. И, конечно, за все эти годы они значительно усовершенствовались. Появилось новое поколение таких систем ‒ БИНС, то есть бесплатформенная ИНС. Что же такое платформа в данном случае и куда она пропала? Для начала рассмотрим строение классической ИНС. Ее главные элементы ‒ акселерометры, считывающие линейное ускорение, и гироскопы, позволяющие определить углы наклона самолета. Основой для платформенных ИНС служит гиростабилизированная платформа. Она представляет собой электромеханическое устройство с большим количеством подвижных частей – механических гироскопов, датчиков углов, стабилизирующих двигателей и многих других элементов. В бесплатформенных системах – БИНС – нет подвижных деталей: акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Функции платформы моделируются математически вычислительной системой. Благодаря таким конструктивным особенностям БИНС обладают целым рядом преимуществ в сравнении с платформенными ИНС. Они более надежны, легче в изготовлении и эксплуатации, отличаются меньшим весом и габаритами, могут функционировать при значительных перегрузках, а также более информативны. Точность полученной информации в любой инерциальной системе зависит от акселерометров и гироскопов. И эти ключевые элементы ИНС претерпели значительные изменения с годами. В настоящее время гироскопы бывают лазерными, волоконно-оптическими, волновыми твердотельными, микро-механическими. В современных инерциальных системах используются лазерные гироскопы и кварцевые акселерометры. БИНС считается одним из наиболее сложных и высокотехнологичных изделий авиационной промышленности. В мире не так много стран, освоивших производство этих систем: Россия, США, Франция и Китай. Пять поколений: от поплавковых до лазерных гироскопов В России разработкой БИНС авиационного применения занимаются пять организаций, в том числе и Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА), входящий в КРЭТ. Системы навигации на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, разработанные в МИЭА, находятся на борту современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения. Причем разработка и производство лазерных гироскопов и кварцевых акселерометров – одна из компетенций МИЭА на протяжении многих лет. Институт является одним из старейших в стране в этой области. История МИЭА начинается в 1922 году с изготовлявшего гироскопические приборы завода «Авиаприбор» в Москве. Чуть позже здесь был налажен выпуск авиагоризонтов, компасов и других приборов, которые активно использовались в бортовом оборудовании в ходе всемирно известных рекордных перелетов 1930-х годов. Разработка инерциальных навигационных систем началась в МИЭА на рубеже 60-70-х годов прошлого века. Согласно принятой в институте классификации выделяется пять поколений инерциальных систем. Изделия первых двух поколений были платформенными системами на базе поплавковых гироскопов, а все последующие – бесплатформенными БИНС на базе лазерных гироскопов. В критические для российской промышленности 1990-е годы коллектив МИЭА за собственные средства приступил к разработке четвертого поколения БИНС. Работа над ним продолжалась в начале 2000-х годов и в настоящее время дала значимые результаты. Об этом красноречиво свидетельствует внушительный перечень самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов, оснащенных БИНС четвертого поколения разработки МИЭА. В их числе и новейший российский истребитель Су-57. Создание специалистами института БИНС четвертого поколения дало возможность решить важнейшую проблему импортозамещения. Сейчас налажено серийное производство систем БИНС-СП-1, БИНС-СП-2 для ВКС России, которые не уступают по точности зарубежным аналогам. Существенный вклад в серийное производство этих устройств внесли и другие предприятия КРЭТ ‒ АО «РПЗ», ПАО «Электроприбор» и ПАО «УКБП». Гражданский БИНС для новейшего МС-21 Развитие БИНС актуально и для гражданской авиации, особенно принимая во внимание начало эксплуатации новых отечественных пассажирских самолетов SSJ и предстоящий выход на рынок среднемагистрального самолета МС-21. Сейчас на них применяются импортные бесплатформенные инерциальные системы. Сегодняшние условия диктуют необходимость создания отечественных аналогов. Еще в 2012 году МИЭА приступил к разработке малогабаритной БИНС-2015 – системы нового поколения для применения на современных гражданских самолетах. Для этого специалистами института был создан ряд принципиально новых элементов – от прецизионных механических деталей до электроники и чувствительных элементов. Ведь новая модель БИНС должна была соответствовать характеристикам лучших мировых аналогов, а это линейные размеры 10-20 см, вес – в пределах 5-10 кг при точности 1-2 мили за час полета. Малогабаритный кольцевой лазер МКЛ имеет примерно вдвое меньшие габариты, чем «большой» гироскоп КЛ-3 при соизмеримой точности В частности, для БИНС-2015 были специально разработаны абсолютно новые малогабаритные кольцевые лазеры с периметром 16 см, что почти вдвое меньше 28 см периметра гироскопа КЛ-3, используемого в системах предыдущего поколения. Еще одна ключевая особенность гироскопа новой системы – цифровая электроника, позволяющая управлять прибором. В настоящее время БИНС-2015 проходит испытания и сертификацию. В ближайшей перспективе БИНС-2015 войдет в состав комплексов бортового оборудования SSJ-100 и новейшего пассажирского самолета МС-21. В статье использованы материалы журнала «Радиоэлектронные технологии» №1/2020 (24)

Инерциальная навигационная система: более 50 лет в автономном полете
© Ростех