Как самолеты находят дорогу?..⁠⁠

Сегодня в рамках очередного рассказа о "таинствах" расскажу о том, как пилоты умудряются не заблудиться в бескрайнем пятом океане и находят путь из точки А в точку Б.

Самолетовождение (или же Воздушная Навигация) - предмет, который является одной из базовых дисциплин любого начинающего пилота. Конечно же, я не хочу загружать читателя формулами МПР, УС и ключами великого советского компьютера НЛ-10М (использованию которого до сих пор учат в брендовых учебных заведениях нашей страны), но расскажу об общих принципах.

Итак, поехали!

Точнее, полетели.

* * *

В преддверии повествования надо сразу сказать, что самолеты обычно не летают "как попало", то есть, строго по прямой. Для выполнения полетов существуют "маршруты", "трассы", которые представляют собой ломаные линии, вершинами которых являются т.н. ППМ - поворотные пункты маршрута. Конечно же, современные методы навигации вполне способны справится с задачей выполнить полет из Москвы в Владивосток без единого ППМ посередине, однако, наличие "изогнутых" трасс обусловлено множеством факторов, например - наличие (отсутствие) по пути следования средств для базовой радионавигации, аэродромов на случай вынужденной посадки, запретных для полетов зон и т.п.

Логарифмическая навигационная линейка НЛ-10М. Грозное оружие штурмана. Нужная вещь! Хорошо вправляет мозги в головах нерадивых курсантов и бестолковых вторых пилотов. Очень твердая!

Визуальное ориентирование

Самый базовый метод воздушной навигации это, безусловно, визуальный.

"Куда гляжу, туда и лечу".

Он до сих пор очень широко развит в авиации общего назначения, которые сплошь и рядом летают по правилам визуальных полетов. Суть, я думаю, понятна - пилот ориентируется на основании видимости наземных объектов, определяя ППМ и правильность пути.

Кстати, метод, хоть и базовый, но совсем не тривиальный и требует определенного опыта и хороших навыков. Пилот имеет карты довольно крупного масштаба (1см=5км или даже крупнее) на которых довольно подробно нанесены объекты - леса, реки, ЛЭП, вышки, пруды, возвышенности, деревни и поселки, которые нанесены с сохранением реальных очертаний.

На этой карте пилот чертит (прокладывает маршруты), и в полете по мере движения самолета по расчетному курсу "ведет пальчиком" по карте, ожидая увидеть тот или иной ориентир, который отмечен на карте, либо, если отвлекся, восстанавливает ориентировку - сравнивая конфигурацию пролетаемых объектов на местности с тем, что содержится в карте.

Стоит "расслабиться" или "зазеваться" - и у не очень опытного пилота (или же курсанта) возникают определенные проблемы. Например, речки на картах выглядят синими "змейками", а в жизни они (в наших краях) зачастую скрыты за деревьями, растущими на берегу. То есть, воды с воздуха не видно, а самих речушек-змеек довольно много. Так же, деревенек (тоже объект!) бывает много и это иногда очень путает пилота, т.к. они в целом довольно похожи между собой.

Поэтому полет по незнакомому маршруту является довольно непростой задачей, если не иметь четкого навыка работы с картой и местностью.

С другой стороны, это очень интересно - летать на небольшой высоте на тихоходном самолетике, чувствовать все воздушные потоки, т.к. органы управления связаны с рулевыми поверхностями без каких-либо новомодных компьютеров, и любоваться красотами, простирающимися вокруг тебя! Наверное, это и есть самая настоящая "романтика полета"... полеты на большом высотном и скоростном самолете все же вносят "пластмассовость" в ощущения и романтика уже другая.

Для того, чтобы облегчить себе жизнь, при визуальном ориентировании пилот так же ведет контроль по времени и расстоянию. На предполетной подготовке пилот быстренько делает штурманский расчет маршрута - посредством НЛ-10М (либо иных инструментов) рассчитывает путевую скорость самолета и время, которое он затратит на пролет каждого участка маршрута, используя данные метеорологов о ветре. Кроме этого, он предварительно рассчитывает курсы на каждом участке с учетом этого же ветра.

Как известно, воздушные потоки пытаются снести самолет с линии пути, которая невидимо пролегает по земле, поэтому пилоту приходится вносить поправки в курс и относительно земли лететь под неким углом между продольной осью самолета и фактической линией пути, называемым углом "сноса".

После того, как пилот поднимает свой самолет в воздух и выходит на первую известную точку на маршруте, он "кладет" самолет на расчетный курс и включает секундомер. Далее по специальной методике (используя известное расстояние между двумя объектами и затраченное для его пролета время) очень быстро определяет фактическую путевую скорость и, методом подбора, курс, необходимый для того, чтобы траектория полета совпадала с заданной. И уже по этим данным, опять же, благодаря великой НЛ-10М, определяет фактические скорость и направление ветра и вносит коррективы в штурманский расчет

Если применять в комплексе визуальное ориентирование (уже получив необходимый опыт, конечно же) и контроль пути по времени, то потеряться в ясном небе довольно проблематично.

Однако, что делать, если вокруг только облачность и ничего более?

Радионавигация

Проблемой "всепогодных полетов" человечество озадачилось практически сразу же, как изобрело способ перемещаться по воздуху. Да, бесспорно, это очень чудесно - летать и любоваться осенними пейзажами в солнечный день, однако, что делать, если небо нахмурилось, и туманы заволокли землю, скрыв ориентиры?

Ученые умы, почесав свои головы, догадались использовать для этих целей радиоволны.

Тут тоже все довольно просто. Поставив излучатель (радиомаяк или "привод") и, поколдовав над устройством прибора, можно добиться так, чтобы его стрелочка показывала направление на маяк относительно "носа самолета" или какого-то иного "нуля", задаваемого пилотом, выдавая при этом курсовой угол радиостанции (КУР). На приборе АРК, показанном ниже, КУР равен примерно 60 градусам, то есть нужный нам маяк находится справа от нас под углом 60 градусов.:

Это не всегда удобно, т.к. "справа под 60" это не означает, что надо взять курс 060 для того, чтобы лететь на маяк (ведь совсем необязательно при этом самолет летит строго на север). Поэтому приходится производить некоторые расчеты, чтобы определить, какой курс требуется для выхода... ну или "тупо" крутить вправо, пока стрелка не совпадет с нулем прибора.

В более продвинутых приборах стрелки показывают направление относительно магнитного севера, показывая магнитные пеленги радиостанции (МПР) или самолета (МПС). Нетрудно догадаться, что МПР-МПС=180 град. Шкала вращается относительно самолета при его эволюциях, при этом 0 шкалы всегда направлен на магнитный север.

На картинке выше самолет летит на восток с курсом 080 градусов. На приборе две стрелки, каждая из которых настроена на свой радиомаяк. "Наконечники" стрелок показывают МПР, противоположные - МПС.

Опять-таки, и при полетах с помощью радионавигации пилот использует карту для контроля маршрута. Казалось бы, можно тупо лететь на радиостанцию, внеся поправку на угол сноса, а после того, как стрелка "провернется" (т.е., самолет пролетит маяк) - повернуть на новый курс и снова спать...

Не тут-то было.

Во-первых, даже в золотые годы радионавигации далеко не все маршруты были покрыты сетью радиомаяков. Было очень много пустых зон, внутри которых самолет летел по расчетному курсу с включенным секундомером.

Во-вторых, это только в авиасимуляторах стрелки ведут себя "честно" и показывают строго на привод. В жизни они любят колебаться, словно барышня на первом свидании, или даже "танцевать", как она же на дискотеке. А дальность действия маяков довольно ограничена.

Так что, необходимость постоянно знать место самолета, фактическое значение ветра и, соответственно, путевую скорость и поправки в курс не исчезла. Более того, необходимость контроля даже выросла в сравнении с исключительно визуальными полетами, т.к. в последнем случае "читерства" в виду отсутствия мешающей облачности все же больше.

* * *

Так вот, после изобретения радионавиации, человечество изобрело и методики определения места самолета. Например, если у тебя есть два радиомаяка поблизости (один, например, впереди, а другой сбоку), можно проложить обратные пеленги и по месту их пересечения определить точку самолета на карте. Через 5-10 минут еще раз проложить пеленги и по пройденному расстоянию определить путевую скорость.

Угол сноса определяется так же просто. Если мы взяли расчетный курс и вышли строго на стрелку, но ее постоянно сносит "вправо", т.е., нам необходимо постоянно подворачивать влево, чтобы стрелка вернулась и показывала нужный нам курс (который, напомню, при наличии бокового ветра никогда НЕ совпадает с фактическим), то рано или поздно мы находим такой курс, при котором стрелка +\- постоянно (учитывая колебания) показывает куда надо. Соответственно, разница между заданным и фактическим курсом и будет нашим углом сноса.

А далее.. НЛ-10М в руки, находи значения скорости и направления ветра и производи коррекцию во все остальные предварительные расчеты.

* * *

Простая радионавигация - безумно интересный способ нахождения себя в пространстве, но тратящий много внимания.

Учитывая мольбы летчиков и штурманов, умы придумали еще и способы определения удаления. Соорудили специальные маяки (VOR/DME) и создали самолетное оборудование, которое, взаимодействуя друг с другом, может выдавать как направление на станцию, так и удаление самолета от нее.

Пилот всю эту красоту может наблюдать на приборе:

Имея такие маяки на маршруте (или хотя бы сбоку) навигация значительно упрощается. Более того, некоторые виды маяков можно использовать для автоматического полета "по лучу", если они являются ППМ, а автопилот самолета имеет соответствующую функциональность.

Точность навигации значительно повысилась, заодно и регулярность и интенсивность полетов. Однако, прогресс не стоял на месте, и пытливые умы придумали новые способы определения положения самолета.

Инерциальные системы

Поначалу приборы, которые измеряли положение самолета в пространства В КООРДИНАТАХ (!!) с помощью тонко настроенной системы акселерометров (датчиков, измеряющих ускорения, возникающие при эволюциях самолета) были весьма несовершенны. И координаты, измеренные ими быстро "расползались", не очень-то помогая пилотам ориентироваться в пространстве, что не избавляло пилотов от необходимости постоянно контролировать полет "дедовскими" методами.

Конечно же, с течением времени прогресс дошел до такой степени, что "уход" инерциалок стал очень и очень небольшим, однако, для полного счастья этого было еще недостаточно.

Человечество придумало специальные системы управления полетом, которые принимают данные о положении самолета из различных источников, сравнивают их между собой по хитрой логике, и в результате определяют координаты самолета, которые и используются в навигации.

Кроме инерциальных систем источником координат могут служить... да-да, данные от радионавигации! Если настроиться на маяки, позволяющие узнать расстояние от них до самолета (DME), то, зная координаты этих маяков, система FMS (fligt management system) находит точку пересечения дуг дальностей и рассчитывает координаты. Более того, система может посчитать координаты (с меньшей точностью) по одному маяку, зная направление на него и дальность.

Это технологии 80х-90х годов прошлого века. Правда, технологии прижились в основном на диком Западе. Самый распространенный в те годы советский лайнер, Ту-154, считать координаты не умел (уточню для вредин - кроме поздних единичных модификаций с кривым "Жасмином" и иже с ним), да и вообще, его экипажи героически определяли свое место в пространстве благодаря очень занятным навигационным решениям в виде системы НВУ-Б3 и навигационного планшета. Не iPADа, а специального планшета, в который заправлялась карта полета, и, получая данные от НВУ-Б3, показывала, где, по ее мнению, находится самолет. Сам НВУ-Б3 мог корректироваться по пеленгам и удалениям от РСБН - радиосистем ближней навигации.

С появлением микропроцессоров прогресс было уже не остановить. Стало возможным забивать маршрут в память бортового компьютера (являющего сердцем FMS), который выводит на специальном дисплее красивую картинку с линиями, обозначающими путь самолета. А раз появились дисплеи, то на одной картинке сразу совместили много полезной информации - маршрут, ППМ, ограничения (если есть - по скорости и/или высоте) на ППМ, расчетное время пролета ППМ, данные от радара и о рельефе, расположение других самолетов и др.

То есть, летать сразу стало намного НАМНОГО удобнее. Более того, были разработаны правила зональной навигации, которые при наличии соответствующего оборудования на земле и/или воздушном судне позволяют диспетчеру отправлять борты по любым прямым траекториям, а необязательно следовать по изогнутым линиям с ППМ с радиосредствами. Полеты стали "менее кривыми", что позволило увеличить интенсивность использования воздушного пространства.

Везде в мире, кроме как в России (ну и в Китае с Монголией), конечно. У нас до сих пор большинство диспетчеров боится разрешить экипажу "спрямление маршрута" по независящим от ним причинам.

Хотя контроль пути по средствам радионавигации (для маршрутов без применения зональной навигации) еще никто не отменил, фактически количество маяков на маршрутах стало стремительно убывать. И, если во всем мире это было обосновано повсеместным внедрением зональных маршрутов, то в России, конечно же, просто поснимали маяки, оставив маршруты "как бы обычными". Правда, в последние годы наметилось увеличение количества VOR/DME, и это тоже не может не вызывать умиления - во всем мире от них избавляются, как пройденный этап, а у нас (наконец-то!) начали ставить.

Cпутниковая навигация

Заметьте, я еще ни слова не сказал о спутниковой навигации.

А сейчас скажу.

В 90-х годах экипажи распробовали преимущество космических технологий. Правдами-неправдами авиапредприятия (а то и индивидуумы) закупали разные "гарминки" (от "GARMIN") и в экстазе летали точно по трассам, несмотря на грозные предупреждения "не использовать в качестве основного средства навигации". Да и сам вопрос об использовании такого вот "дополнительного оборудования" в коммерческой авиации, скажем так, весьма скользкий.

Были они жутко тормозными, теряли спутники в самый неподходящий момент... но, тем не менее, выручили не один экипаж в годы постсоветской анархии, когда порочная практика выполнения заходов ниже минимума стала де факто нормой.

Но и до греха доводили.

Мне довелось однажды, очень давно, вступить в спор с командиром (я был еще молодым вторым пилотом), который хотел лететь по GPS-ке, в то время, когда "стрелочки" показывали несколько другое направление. Я настоял на своем и мы благополучно приземлились в Челябинске.

А его гарминка ничтоже сумнящеся после посадки показывала, что мы находимся примерно в 5км южнее, но (с ее точки зрения) в том же аэропорту.

В 90-х годах ОКБ "Туполева" сделала то, чего от них никто не ждал - умудрились пойти навстречу мольбам эксплуатантов.

В систему управления Ту-154 внедрили сигналы от установленного на борту GPS-приемника KLN-90B. Самолет в автоматическом режиме мог выполнять полет по маршруту, заложенному в это устройство и у экипажей "полтинников" началась золотая эпоха!

Спутниковая навигация - одно из величайших изобретений человечества! Координаты, получаемые по этой линии, очень и очень точные.

Однако, и они бывают небезгрешными, поэтому производители до сих пор не отказались от иных способов получения координат. То есть, на современных самолетах все так же работают инерциальные системы (стоит сказать, что кроме информации о координатах они так же завязаны и на пилотажные приборы), все так же есть радиооборудование, считывающее координаты по маякам. Все также FMS использует все эти данные.. плюс туда же приходят и сигналы от спутников.

Компьютер по хитрой логике все так же определяет координаты, учитывая все данные, и решает, какие координаты использовать для выполнения полета по маршруту.\

"А если враги сломают GPS"?

На современных самолетах, о которых я веду речь (например, В737NG) если по мнению компьютера сигналы, поступающие от спутников, выдают некорректную информацию, они автоматически отключаются от "обновления позиции" - а пилот уведомляется об этом с помощью специального сообщения. Угрозы для полета нет никакой.Пилоты, выполняющие рейсы в Симферополь, частенько с этим сталкиваются. Но это никак не влияет на безопасность этих полетов. Просто назит. К слову, нет никакой уверенности, что помехи в GPS вводят "враги"...

Посадки в тумане

В завершение, немного информации о том, как самолет в тумане попадают на полосу.

Конечно же, тут задействованы высшие силы.

Все дело в оборудовании. И далеко не все аэропорты имеют оное, которое называется ILS - инструментальная система посадки.

Система содержит два излучателя, которые формируют лучи особой формы - один направлен строго вдоль оси ВПП, другой под определенным углом (стандартно 3 градуса) к зоне приземления. Оборудование самолета принимает эти сигналы, определяют положение самолета относительно их/ выдают информацию пилоту и, соответственно, в идеальном случае, самолет летит строго по нужной траектории. Пилот обязан уйти на второй круг, если по достижению минимальной высоты не увидит необходимые ориентиры.

Эта высота зависит от разных условий и в принципе может быть 0.

Но, повторюсь, далеко не на каждой взлетно-посадочной полосе. Это весьма дорогое оборудование, требующего надлежащего (и дорогого) обслуживания и контроля.

Более простые случаи - установка маяков в створе или поблизости от ВПП. Пилот ориентируется на них, но минимумы, конечно же, значительно более высокие - то есть, погодные условия должны быть лучше, чем при использовании ИЛС.

В последние годы популярность набирают системы захода на посадку, использующие спутники для точного определения самолета относительно ВПП. Считается, что за ними будущее.

* * *

Несмотря на все достижения науки, грамотный пилот конечно же, применяет в полете все способы определения положения самолета (разве что по звездам уже не ориентируется), а не просто вкушает курицу и читает газеты, полагаясь на возможности бортового компьютера.

Летайте безопасно!