«Закон работы» для пилотской «хижины»

8 February
485 full reads
6 min.
946 story viewsUnique page visitors
485 read the story to the endThat's 51% of the total page views
6 minutes — average reading time

Как кабина современного истребителя оптимизирует общую производительность системы «человек – самолет»

«Закон работы» для пилотской «хижины»
Проектирование кабины

Кабина – одна из основных частей современного истребителя. Именно здесь располагается пилот. Отсюда идет управление всеми системами самолета. Конструкторы стараются обеспечить летчику наиболее оптимальные условия для его работы: так было и на заре авиации, те же требования выдвигаются и к кабинам современных истребителей. Их размеры остались такими же небольшими, как и на боевых машинах столетней давности. И в этих габаритных ограничениях разработчикам современных кабин истребителей необходимо обеспечить летчика всей необходимой информацией для пилотирования и боевого применения, по возможности снизив нагрузки на человека, чтобы уменьшить его усталость и сохранить концентрацию внимания.

Само слово «кабина» попало в русский язык в конце XIX века из французского (cabine ). Первоисточником же слова считается позднелатинское capanna или cabanna , которое пришло из Иллирии – северо-запада Балканского полуострова, где так называли хижину, землянку или маленькую сторожку.

При всей этой трансформации значения слова, оно очень подходит к кабине современного истребителя. Действительно, это маленькое жилище для человека на боевом самолете. Но кабина еще и то место, где человек взаимодействует с машиной. Вопросы этого взаимодействия изучает эргономика. Впервые такое название этой науки предложил поляк Войцех Ястшембовский в 1857 году в своей книге «План эргономики, то есть науки о труде, основанной на истинах, взятых из естественных наук». Само слово Ястшембовский получил, составив вместе два слова на древнегреческом – «эргон», то есть «работа», и «номос», что значит «закон». Конечной целью эргономики, согласно определению Международной ассоциации эргономики (International Ergonomics Association ) , является «обеспечение благополучия человека и оптимизация общей производительности системы».

Борьба с «рутиной» и зачатки ИИ

Какие требования предъявляются к современной кабине истребителя? Как в ее небольшом объеме обеспечить хотя бы минимальный комфорт для летчика? Какие средства отображения и управления используются в ней сегодня и могут появиться в ближайшем будущем? Об этом и многом другом рассказал начальник отдела кабин ОКБ Сухого компании «Сухой» Никита Дорофеев .

- Каковы определяющие требования к эргономике кабины современного военного самолета?

- С одной стороны можно перечислить ОТТ (общие технические требования. – Ред. ) ВВС и много эргономических ГОСТов, которые определяют все – от геометрии кабины до порядка испытаний и отладки всей этой эргономики. Но можно привести три основных тезиса, определяющих требования к эргономике кабины.

Первое – это максимальная автоматизация «рутинных» процессов пилотирования и боевого применения. Она помогла нам создать одноместные многофункциональные истребители Су-35 и Су-57. Все процессы пилотирования на сегодня полностью автоматизированы. Теоретически летчик после выполнения взлета и до момента захода на посадку может вообще не заниматься пилотированием, а осуществлять поиск и атаку целей. Причем и этот процесс также в достаточной степени автоматизирован.

Второе требование – комплексирование информации, поступающей от разных источников. Мы существуем в жестких геометрических ограничениях. У кабины крайне малый объем. С учетом требований обзора и досягаемости, а также необходимости размещения органов управления в кабине, возможная площадь экранов индикаторов ограничена. Между тем при помощи многофункциональных индикаторов имеется возможность предъявлять летчику огромный объем информации – как о тактической обстановке, так и о работе систем самолета. Поэтому всю информацию необходимо «фильтровать» и комплексировать в зависимости от этапа полета и выполняемой задачи. И предъявлять летчику только ту ее часть, которая необходима ему в данный момент. Простейший пример – кадр о состоянии бортовых систем, вид которого меняется в зависимости от режима полета: в процессе совершения взлета и посадки на него выводится информация о взлетно-посадочных устройствах (шасси, тормозная система), после уборки шасси вид кадра меняется, поскольку в полете данная информация не нужна.

- Можно сказать, что сам бортовой комплекс определяет, что в данный момент важнее и что выводить на экран индикатора. Получается, это уже зачатки искусственного интеллекта?

- Это самые-самые зачатки. Я не называл бы это искусственным интеллектом. Это достаточно обычные и очевидные алгоритмические вещи. Мне не очень нравится термин «искусственный интеллект», не совсем понятно, что под ним подразумевается. На самом деле, машина сама не думает. Она обрабатывает большой массив данных по тем алгоритмам, которые запрограммированы изначально. Более правильным будет, на мой взгляд, использовать термин «интеллектуальная поддержка», то есть помощь летчику в решении задач с учетом текущей обстановки и прогноза ее развития. И это как раз является третьим требованием, над реализацией которого мы сейчас активно работаем

В целом наша задача – сделать так, чтобы летчик был ситуационно-осведомленным, чтобы он знал, что делает самолет. Это, на мой взгляд, один из основных показателей, определяющих качество разработки информационно – управляющего поля кабины. Нередко приходилось слышать замечания от летчиков: «Я не понимаю, что делает самолет и что он будет делать дальше». Это обратная сторона автоматизации – летчик выключается из процесса управления. Нужен баланс: с одной стороны, высокий уровень автоматизации, позволяющий системе «человек – машина» успешно решать поставленные задачи, а с другой – летчик должен контролировать процесс, понимать, какой режим выполняется, как работают системы и что будет происходить дальше.

Кабины гражданские, кабины военные

- В чем отличие подходов к эргономике военного и гражданского самолетов?

- Подходы, на самом деле, одни и те же. И там и там действуют летчики с одинаковыми психофизическими реакциями и антропометрией. Отличие определяется выполняемыми задачами, внешними условиями и воздействующими факторами. На гражданских самолетах на летчика возложено гораздо меньше задач – только общее самолетовождение, сам объект летает гораздо «спокойнее» – с гораздо меньшими перегрузками. При этом кабины гражданских лайнеров имеют больший внутренний объем. Там и пилотов двое, и есть место для отдельных индикаторов для каждого вида индикации – только навигационная обстановка или только состояние систем, есть возможность размещения многофункциональных пультов с полноценными кнопочными наборными полями, специализированных органов управления. Летчик привыкает к расположению индикаторов и виду выводимых на них кадров. В гражданской авиации не требуется такая степень комплексирования информации, как на многофункциональных истребителях. Также за счет меньшей площади остекления на гражданских самолетах значительно меньше уровень солнечной засветки, что позволяет смягчить требования к светотехническим характеристикам индикаторов.

На боевом самолете основные элементы информационно-управляющего поля – оперативные органы управления и индикаторы – многофункциональны и при этом обеспечивают возможность управления в жестких условиях – при больших перегрузках, значительной вибрации, повышенной или пониженной температуре. На индикаторы помимо пилотажной информации и состояния самолетных систем нужно вывести тактическую обстановку, изображение от обзорно-прицельных систем, а их не одна, а несколько – радиолокационная картинка, картинка ОЛС (оптико-локационная система. – Ред. ), картинка с головок самонаведения ракет и так далее. Поэтому на боевом самолете без многофункциональных индикаторов не обойтись.

Не утонуть в этом море

- Раньше панель управления самолета включала много-много стрелочных приборов, много-много кнопок и переключателей. Все закреплены на определенном месте. Сейчас – панели индикаторов, автоматизация, комплексирование информации. Казалось бы, все должно быть проще. Но получается все сложнее.

- Да. Количество функций, которыми надо управлять (даже с учетом автоматизации), увеличилось, стало быть – и органов управления требуется больше. Когда были стрелочные приборы, летчик точно знал куда смотреть, чтобы получить нужную информацию. Например, авиагоризонт. Информация всегда предъявлялась в одинаковом виде и располагалась на одном месте. И органы управления каждой системой были отдельные и установлены на определенном месте кабины. Управление и индикация были разделены.

Сейчас управление можно организовать только с помощью многофункциональных органов. Например, МФК (многофункциональные кнопки. – Ред. ) на индикаторах.

Но при этом получается, что управление связано с индикацией: в зависимости от исполняемого режима, летчику предъявляется свой набор индикационных кадров, и к каждому кадру привязан свой набор органов управления – наименования и функции кнопок меняются. Кроме того, размер индикационных кадров также может меняться, и, соответственно, изменяется количество МФК, «принадлежащих» этому кадру.

Далее, за счет того, что в кабине стоит многофункциональный индикатор, информации на него можно вывести море. Главное, не утонуть в этом море. Если на кадре тактической обстановки, например, индицировать одновременно всю навигационную обстановку, воздушные, наземные цели, вспомогательную информацию, да еще на фоне карты местности, то в этой информации невозможно будет разобраться. Даже с учетом того, что современные индикаторы обладают достаточно большим размером экрана. Поэтому информация структурируется не только по индикационным кадрам, но и по информационным «слоям» внутри кадра.

Вообще, самая сложная и, одновременно, интересная задача – как это все расположить и связать в единую интуитивно-понятную систему, чтобы летчик не запутался и не ошибся, особенно в условиях постоянно меняющейся обстановки и дефицита времени.

- То есть сегодня информационная нагрузка на летчика больше, чем раньше?

- Нагрузка в целом осталась прежней, ведь возможности человека по восприятию, обработке информации и осуществлению управляющих действий не изменились. Происходит перераспределение задач, решаемых человеком. От управления самолетом как летательным аппаратом «центр тяжести» все больше смещается в сторону решения тактических задач. В боевых режимах, в свою очередь, автоматизировано включение обзорно – прицельных систем, выбор оружия, целераспределение и так далее. Это и позволяет совместить пилота со штурманом. Летчик сейчас больше занимается управлением боевыми системами, теми задачами, когда нужно думать, принимать тактические решения.

Например, режим «противоракетный маневр». В кабине установлена «разрешительная» кнопка: заранее нажав ее, летчик включает данный режим. А дальше, в случае обстрела самолета, самолет сам осуществляет маневр уклонения с учетом направления атаки, пространственного положения самого самолета и других факторов, заложенных в алгоритме режима.

С мечтой о многопальцевом пилоте

- Раньше органы управления были штурвал и переключатели на панели управления. Теперь используют многофункциональные органы управления. Где их удобнее расположить?

- Многофункциональные органы управления можно поставить как на штурвал, так и на рукоятку. Расположение на ней органов управления определяется уже чисто антропометрией: размер кисти руки, степень подвижности суставов в разных плоскостях. Есть рука летчика, на которой пять пальцев. Хотелось бы, чтобы было побольше, но больше не будет. (Смеется.) Поэтому на данный момент, если мы говорим об истребителях, фактически определен и состав, и общее расположение органов управления на рукоятках – и на РУС (ручка управления самолетом. – Ред. ), и на РУД (рычаг управления двигателем. – Ред. ), как бы конструктивно они ни были выполнены.

Основные многофункциональные органы управления на РУС и РУД – ставятся под большие пальцы. Главный многофункциональный орган управления на РУС и РУД – четырехпозиционный – вверх-вниз-вправо-влево – переключатель с осевым нажатием. С него идет основное управление режимами работы комплекса бортового оборудования. Также на РУС ставится кнюппель (кнюппель – это орган управления типа джойстика, но под один, как правило, большой палец. – Ред. ). Его задача – управление прицельным маркером. Это как на смартфоне – все большим пальцем делается. Кроме того, стоят отдельные органы управления под большой, указательный, средний пальцы – кнопки и гашетки с фиксированными функциями.

Все органы управления на ручках сейчас стали достаточно миниатюрными. Поэтому расположить их на ручках – не вопрос. Основной вопрос – какими функциями «нагрузить» многофункциональные органы управления? Эти функции должны быть самыми нужными и оперативными. Потому что, как в случае с индикацией, нельзя перегружать органы управления различными функциями, иначе летчик банально в них запутается. И помимо этого, опять мы должны решать задачу интуитивно-понятного управления. Снова простой пример: включение боевых режимов при помощи четырехпозиционника. Сейчас есть четыре боевых режима: ближние бои по «воздуху» и по «поверхности» и дальние бои по «воздуху» и по «поверхности». Было опробовано несколько вариантов их включения, но в результате реализовали такой: ближние бои включаются коротким нажатием вверх (воздух) или вниз (поверхность), дальние – длинным нажатием в тех же направлениях.

- На гражданских самолетах, например, на МС-21 стоит активная боковая ручка управления, которая начинает вибрировать при приближении самолета к какому-то критическому режиму полета. На боевых самолетах есть что-то подобное?

- Нет, «дрожание» у нас не реализовано. В штатной ситуации САУ (система автоматического управления. – Ред. ) просто не позволит летчику вывести самолет за установленные ограничения. Есть сигнализация выхода на критические режимы. Есть так называемое «пересиливание». В критической ситуации – например, нехватка высоты для выхода из пикирования, – преодолев дополнительное сопротивление рукоятки управления, летчик дает тем самым команду САУ, и она немного расширяет диапазон перегрузок. Это может привести к повреждению планера, но позволит выйти из пикирования по более крутой траектории.

Комфорт на 10 часов

- Насколько важен параметр «комфортность» для военного самолета? Или «воин должен мужественно переносить все тяготы службы»?

- Если коротко, то требуются меры по снижению психофизической нагрузки на летчика и, как следствие, уменьшение усталости, сохранение концентрации внимания. Комфорт в бытовом понимании на современном истребителе обеспечить сложно по понятным причинам – жесткие внешние воздействующие факторы и напряженные режимы, при которых выполняется полет. Объем кабины маленький, летчик сидит в катапультируемом кресле, на нем привязная система, ВКК (высотно-компенсирующий костюм), кислородная маска, через фонарь кабины днем постоянно светит солнце. Поэтому «бытовой» комфорт здесь подразумевает снижение утомляемости. Утомляемости в первую очередь с физической стороны, поскольку человеку приходится сидеть долго в одной позе. Поэтому на Су-57 педали сдвигаются вперед так, что можно полностью вытянуть ноги. Ни на одном другом истребителе этого нет. Летчикам Су-57 это нравится. Кресло установлено под бо́льшим углом, чем на других наших самолетах. Это тоже способствует более комфортной посадке. Костюм вентилируется. Кресло с подогревом. Сейчас внедряем подогрев рукояток. Есть место для бортпайка: предполагается, что там будет размещена еда в тубах, как у космонавтов, но на практике летчики в долгие полеты берут то, что принесли с собой из дома. В кабине имеется запас питьевой воды. Есть еще настоятельное пожелание летчиков иметь в кабине небольшой ящик для личных вещей. Он необходим при перебазировании, особенно на неподготовленный аэродром. Но увы, в кабине Су-57 сделать такой ящик физически невозможно – плотность компоновки кабины истребителя пятого поколения гораздо выше, чем предыдущих поколений. Пример того, как свойства самолета накладывают ограничения на уровень комфорта пилота.

- А для 10-часовых полетов есть туалет?

- Сложный вопрос. Туалет есть. Он был испытан еще для Су-30. Под противоперегрузочный костюм надеваются специальные плавки, из которых выходит шланг со штуцером. На борту к нему подключается шланг, через который обычным эжектором отходы высасываются за борт. Правда, в летные училища провели набор женщин, и кто-то из них точно будет летать на наших самолетах. Так что сейчас мы прорабатываем другие варианты реализации этой системы.

- А нужно ли остекление, если летчик работает с экранами?

- Конечно, нужно. Поиск целей, как воздушных, так и наземных, ближний воздушный бой, взлет, посадка, полеты строем, дозаправка. Все это требует максимального закабинного обзора. На мой взгляд, если и сокращать обзор из кабины пилотируемого самолета, то только в качестве вынужденной меры, продиктованной аэродинамическими ограничениями. Например, для достижения высоких сверхзвуковых скоростей маломаневренных летательных аппаратов. А системы технического зрения и нашлемная система индикации должны дополнять и расширять возможности закабинного обзора.

Параллельно или последовательно

- Есть современные двухместные военные самолеты, где члены экипажа расположены тандемом, а есть – параллельно. С точки зрения эргономики какой вариант лучше?

- Рядом, на мой взгляд, лучше, потому что легче организовать взаимодействие между членами экипажа. Тут мы подчиняемся, конечно, общей компоновке самолета. Все зависит от задач, которые должен решать самолет. На том же МиГ-31 задняя кабина, где сидит штурман-оператор, сделана без превышения. Обзора вперед у штурмана нет вообще – он ему не требуется. А если помимо основных боевых задач предполагается использование самолета в качестве учебно-тренировочного, то должен быть обеспечен приемлемый обзор из задней кабины для инструктора.

- На фронтовом бомбардировщике Су-34 летчики сидят рядом. Есть особенности с расположением на нем средств индикации?

- сейчас носителем основной информации является кадр тактической обстановки. При расположении членов экипажа рядом целесообразно располагать индикатор с тактической обстановкой так, чтобы его могли наблюдать оба члена экипажа.

Китайская грамота

- Отличается ли подход к эргономике кабины для отечественного заказчика и для зарубежных?

- По опыту общения с иностранными летчиками на переговорах я бы сказал, что стиль мышления, пожелания в части организации рабочего процесса в кабине, даже аргументация при обсуждении спорных вопросов в целом сходны с нашими летчиками.

- Но бывают и отличия?..

- Конечно, свой отпечаток накладывает иная система обучения и подготовки, национальный колорит, безусловно, присутствует. Многое зависит от уровня авиационной науки и опыта собственных разработок страны-заказчика. Очевидно, чем более развита авиационная отрасль в стране, тем большей адаптации к своим требованиям и стандартам может потребовать заказчик.

С китайскими коллегами была интересная ситуация. Они просили перевести кабину и индикацию Су-35 на иероглифы. С технической точки зрения эта задача трудная, но решаемая. Но элементы, из которых состоят иероглифы, значительно меньше, чем элементы букв кириллических или латинских шрифтов. Даже на 15-дюймовом экране используемые размеры шрифтов оказались малы для безошибочного считывания таких знаков. Нужно было увеличивать шрифт. Иначе увеличивалось количество ошибок при чтении иероглифов. В итоге сами китайцы от этой идеи отказались.

Мгновенное поле зрения и сенсоры

- Как с точки зрения эргономики выбираются места расположения средств индикации и отображения информации?

- Теоретически самая оптимальная зона для восприятия визуальной информации в кабине – прямо перед летчиком, размером 20 × 30 градусов – мгновенное поле зрения человека. Чем дальше индикаторы расположены от этой зоны, тем хуже, поскольку для считывания индикации требуется перенос взгляда, поворот головы. Но, с другой стороны, кабину мы компонуем в рамках жестких геометрических ограничений, связанных с обеспечением обзора, необходимостью безопасного катапультирования и множеством других факторов. Поэтому в оптимальной зоне находится коллиматорный индикатор, резервный индикатор и аварийная сигнализация. Основные индикаторы – МФИ (многофункциональные индикаторы. – Ред. ), имеющие наибольшую площадь экрана и расположенные на доске приборов, в эту зону не попадают. Поэтому, с одной стороны, есть компоновочная задача расположить индикаторы как можно ближе к зонам наилучшего обзора и досягаемости, а с другой стороны – стоит задача распределения индикации и управления по имеющимся индикаторам с учетом их положения в кабине.

- Каковы возможные пути улучшения средств управления и индикации на современных истребителях?

- В перспективе мы планируем на центральном индикаторе ПВИ (пульт ввода информации. – Ред. ), который стоит в зоне наилучшего обзора и досягаемости, ввести сенсорное управление. Потому что некоторые функции легче сделать сенсором с несколькими слоями меню, чем делать однофункциональные кнопки. В результате получается МФИ, на который можно выводить много разнообразной информации. На него можно даже перенести кадр с пилотажной информацией с основного МФИ. За счет этого можно по-новому распределить информацию по основным экранам. Например, если подвешен контейнер с оптической станцией, имеющей великолепное разрешение, можно будет выводить с нее картинку на полный экран МФИ.

- А может, вообще отказаться от кнопок и пользоваться для управления только многофункциональными органами управления на ручках?

- Имеющийся на рукоятках набор органов управления позволяет создать систему управления без использования кнопок на индикаторах. Но, как я уже говорил, нельзя переусердствовать и создать ситуацию, когда летчик будет путаться в функциях органов управления. Если на один орган управления «вешается» слишком много функций, то, значит, надо всегда помнить, в каком режиме какие функции он выполняет. Либо постоянно давать летчику подсказки по текущим функциям оперативных органов управления. Поэтому такой способ управления не всегда удобен. HOTAS (от Hands On Throttle and Stick – руки на дросселе и рычаге, технология, позволяющая пилотам выполнять большинство функций по управлению самолетом, не убирая руки с РУС и РУД. – Ред. ), как и любую другую технологию, нельзя возводить в абсолют. Набор самых оперативных или постоянно используемых функций – вот что должно быть на рукоятках. Но если самолет, например, летит на автопилоте, проще и быстрее работать с кнопками на индикаторах. А для каких-то функций оптимальным является сенсорное управление с экрана индикатора.

Голос, взгляд, мысль

- Что ожидается в области индикации в будущем?

- Наше будущее с точки зрения индикации – это НСЦИ (нашлемная система целеуказания и индикации. – Ред. ), система технического зрения и дополненная реальность. Система технического зрения – это система камер, расположенных по самолету, работающих в разных оптических диапазонах. Обычно – в видимом, ближнем инфракрасном и глубоком инфракрасном диапазонах. Они формируют синтезированную телевизионную картинку из разных диапазонов, выводимую на индикатор или на шлем. Это полезно в условиях плохой видимости или в ночных условиях. Например, в условиях дымки в ближнем инфракрасном диапазоне получается гораздо более четкая и качественная картинка, чем обычная телевизионная.

Дополненная реальность – это, например, когда в условиях плохой видимости на тех же индикаторах или на НСЦИ дорисовывается рельеф местности, полоса, другие наземные объекты. На гражданских самолетах уже есть подобные системы. На современных истребителях тоже можно выводить на ШКАИ (широкоугольный коллиматорный авиационный индикатор. – Ред. ) телевизионную картинку и дополненную реальность. Это нужно, например, для представления целевой обстановки или в условиях плохой видимости. Требуется совмещение индикации с НСЦИ, чтобы она выводилась не только на ШКАИ. Тогда летчик сможет наблюдать, например, целевую обстановку при любом направлении взгляда.

- Какие новые органы управления могут появиться?

- Перспективным направлением может быть речевая система управления. Прототип подобной системы делали еще в 1990-е годы, и она тогда уже устойчиво работала. Однако сейчас мы ставим перед собой задачу научить систему понимать не заученные фразы, а контекст. Чтобы летчику не нужно было в экстремальных условиях судорожно вспоминать, какую точно фразу он должен произнести.

Еще одно направление исследований – управление взглядом. Это тоже интересная, но сложная вещь. Дело в том, что нам только кажется, что мы смотрим в одну точку. На самом деле зрачок у человека постоянно движется, сканирует пространство. Это делается несознательно, мы это сами даже не замечаем. Но это видно на ай-трекерах (eye-tracker – устройство, позволяющее отслеживать, записывать и фиксировать движение взгляда. – Ред. ). Тем не менее уже существуют прототипы такой системы. После небольшой тренировки можно взглядом нажимать кнопки, выбирать индикационные кадры. Но это на стенде. В полете все может быть значительно сложнее.