О видах индикации углов крена и тангажа

Введение

Обсуждаемая проблема имеет давнюю дискуссионную историю. Возможно, что дискуссия затянулась из-за путаницы в определениях. Известны всего два определения видов индикации: «вид с самолёта на землю» («прямая индикация») и «вид с земли на самолёт» («обратная индикация»)¹. В зарубежной военной и во всей мировой гражданской авиации принята прямая форма индикации всех пилотажно-навигационных параметров полета - вид «с самолёта на землю». По этому принципу индицируются: отклонение по курсу и глиссаде от равносигнальной зоны при заходе на посадку, изображение пролетаемой местности на экране РЛС, отклонение от линии заданного пути, курс полёта и курсовые углы радиостанций (КУРы) на НПП. Такой принцип индикации всех пилотажно-навигационных параметров является стандартным потому, что «...основные пилотажно-навигационные приборы должны быть настолько наглядными, чтобы при взгляде на них у лётчика непроизвольно создавался конкретный зримый образ полёта. Примерно так, как это происходит в визуальном полёте в ясную погоду» [Полковник В.Цуварёв, Заслуженный лётчик - испытатель СССР. "Образ полета есть!". - "Авиация и Космонавтика", 1977, № 5].

Именно прямая форма индикации является наиболее естественной для лётчика, поскольку она наиболее близка к картине, наблюдаемой лётчиком из кабины самолёта. Современная техника позволяет индицировать эту картину более подробно, чем электромеханические приборы. Исследуются, например, трёхмерные изображения пролетаемой местности, которые близки к картине, наблюдаемой из кабины «в визуальном полете в ясную погоду».

Однако в ВВС СССР было продекларировано исключение для индикации угла крена, которая должна осуществляться по принципу «вид с земли на ЛА». Хотя и допускается, по согласованию с заказчиком, индикация угла крена по принципу «вид с ЛА на землю». Анализу существующих видов индикации и застарелых заблуждений и посвящена эта статья.

1. Прямая индикация (Вид «с самолёта на землю»)

1.1. Вид «с самолёта на землю» и АГИ-1

Интуитивно кажется понятным, что «вид с самолёта на землю» должен предполагать совпадение фона земли и неба на приборе и за стеклом кабины, а искусственный горизонт должен быть параллелен естественному горизонту. Что вижу, то и отображаю – вот принцип прямой индикации. Однако изредка встречающиеся в литературе определения прямой индикации ограничиваются только силуэтом самолёта и линий горизонта, не затрагивая ни шкал, ни фона «земли» и «неба».

«Напомню, что с введением авиагоризонта АГИ-1, имевшего так называемую прямую индикацию «силуэт самолёта неподвижен, линия горизонта подвижна», в период 1952 - 1962 гг. произошло около 300 тысяч (!) случаев полной потери пространственной ориентировки в полёте с различными последствиями для экипажа.» [В.А. Пономаренко. «Страна Авиация: белое и чёрное». - «Воздушный транспорт», 1994 г., № 44 (2227)]².

Такое определение и пример прямой индикации получили достаточно широкое распространение. Критика прямой индикации началась с критики АГИ, как примера такой индикации.

«Первоначально проблема формы индикации линии горизонта не была замечена и приборный "горизонт" материализовался трёхстепенным гироскопом, положение которого относительно вертикали места корректировалось маятниковым датчиком. При такой конструкции в идеальном приборе индицируемый горизонт параллелен естественному, что, по мнению разработчиков, является как бы "окошком в мир". Едва начались полеты истребителей днём и ночью, как наряду с техническими проблемами авиагоризонтов появились и эргономические. Так, по непонятным тогда (начало 50-х годов) причинам летчики теряли пространственную ориентировку, что увеличивало статистику аварийности в авиации. Потери пространственной ориентировки стали существенно более редкими, когда на истребители начал устанавливаться дистанционный авиагоризонт АГД-1, форма индикации угла крена на котором представляла собой как бы вид "с земли на самолёт" в отличие от упомянутой выше, получившей название "вид с самолёта на землю".
Между тем на западе получила распространение именно эта последняя форма, как можно предполагать, в силу конструктивной простоты решения. Недостаточная наглядность индикации горизонта при сложном пространственном положении самолёта отчасти компенсировалась прекрасным дизайном лицевой части прибора.»
[Овчаров Всеволод Ефимович. "К вопросу об индикации естественного горизонта на воздушных судах". "Вестник МАПЧАК", 1998, № 1].

В данном отрывке речь идет об АГИ-1, как примере «вида с самолёта на землю». Однако сам вид лицевой части АГИ заставляет усомниться в правомерности отнесения этого прибора к «виду с самолёта на землю».

«На сфере авиагоризонта АГИ земля, обозначенная коричневым цветом, находится сверху. Голубой цвет (небо) - снизу. Такое расположение земли и неба в корне противоречит врождённым понятиям человека о его положении в пространстве». [Генерал-лейтенант авиации П.Базанов, Герой Советского Союза, Заслуженный военный лётчик СССР. "Чтобы модель была зримой". "АиК", 1977, № 12].

Неужели такую картину, которая изображает землю и небо в противоположных действительности сторонах и которая "...в корне противоречит врождённым понятиям человека о его положении в пространстве", можно назвать видом "с самолёта на землю"? Очевидно, глядя с самолёта на землю в горизонтальном полёте, летчик всё же видит её внизу, небо - вверху, а в перевёрнутом полёте - наоборот. Именно такая форма индикации, при которой «земля» и «небо» за кабиной и на приборе совпадают, и получила, в отличие от АГИ, распространение на западе.

У АГИ-1 есть ещё пара особенностей. Глядя "с самолёта на землю" при переводе самолета в набор высоты (ручка на себя) лётчик видит подъём носа своего самолёта над линией горизонта, а на АГИ-1 индицируется подъём линии горизонта и фона земли над носом самолета. Т.е. на АГИ направление движения носа самолёта относительно линии приборного горизонта индицируется в сторону, противоположную движению носа самолёта относительно линии естественного горизонта!

Аналогичные проблемы возникают и при движении крена. При вводе, например в левый крен из горизонтального полёта левое крыло опускается вниз, к земле, а на АГИ-1 левое крыло в это время опускается на голубой фон неба! Коричневая «земля», находящаяся на приборе сверху, в этот момент кренится вправо, на правое крыло!

Таким образом, АГИ индицирует положение и движение в пространстве обратное тому, что лётчик видит из кабины. АГИ-1 – это не «вид с самолёта на землю». По сути дела это «обратная индикация». Однако этому же определению («силуэт самолёта неподвижен, линия горизонта подвижна») соответствуют и авиагоризонты с естественным для лётчика расположением земли и неба, получившие распространение на западе. Поэтому для исключения путаницы индикацию, реализованную на АГИ-1, следует выделить в отдельный вид: «Индикация типа АГИ». Этот вид индикации ни на что не годится: ни для полёта по кругу, ни для пилотажа, ни для группового полёта. Поэтому никакого распространения эта «обратная» форма индикации не получила, несмотря на простоту конструкции.

1.2. О конструкции авиагоризонтов

АГИ-1 – это по сути дела стабилизированный в пространстве гироскоп, на котором закреплена бочкообразная шкала тангажа, чем и определился её оригинальный вид. Можно было бы шкалу тангажа раскрасить в естественные для лётчика цвета: голубой – сверху, коричневый – снизу. Тогда в горизонтальном полёте (и на стоянке) всё было бы хорошо. Но из-за того, что лётчик находится не внутри, а снаружи прибора, углы пикирования для него придутся на голубой фон неба, а горки – на коричневый фон земли. Для того, чтобы летчик не пикировал в небо и не делал горки в землю, конструкторы раскрасили коричневым цветом верхнюю полусферу, а голубым цветом – нижнюю. Очевидно, что испытатели такую конструкцию одобрили и заказчики приняли, раз она пошла в серию.

Для того, чтобы фон земли и неба был естественным для лётчика в горизонтальном полёте и на пилотаже, необходимо вращать шкалу тангажа в направлении, обратном вращению самолёта. Это удалось реализовать с помощью дистанционной передачи положения от датчика (гироскопа) к указателю. Простейшим таким дистанционным прибором является АГД-1, созданный первоначально для неманевренного самолета и обеспечивающий при небольших углах крена примерное совпадение фона земли и неба на приборе и за кабиной. С тех пор все авиагоризонты являются дистанционными, хотя некоторые из них умещаются в одном корпусе.

Для маневренного же самолёта требуется совпадение фона земли и неба на приборе и за кабиной во всём диапазоне углов крена и тангажа, что обеспечивается дополнительной рамой подвеса на указателях авиагоризонтов с прямой индикацией.

Таким образом, наиболее простым прибором оказался АГИ-1 (это был первый отечественный невыбиваемый авиагоризонт), чуть сложнее – АГД-1, а самые сложные – авиагоризонты с прямой индикацией углов крена и тангажа (например, ПКП-77). Но именно самая сложная конструкция и получила самое широкое распространение. Таким образом, простота конструкции не является основанием для внедрения вида индикации.

Указанные сложности конструкции относятся к указателям электромеханических приборов, а не к датчикам, и никакого значения для электронной индикации не имеют, поскольку у индикаторов отсутствуют подвижные механические элементы (рамы подвеса). Никакое усложнение текстов программ рисования картинок не изменяет надёжности электронной индикации. Объёмы памяти и быстродействие ЭВМ уже не являются серьёзным ограничением. Единственно актуальным остаётся вопрос о естественной и удобной для лётчика форме индикации.

1.3. Прямая индикация и шкала крена

Изведены моря чернил и горы бумаги в попытках описать то, как лётчики пользуются авиагоризонтом, что себе при этом представляют, что вокруг чего вращается и движется. Но попробуйте найти в этих книгах и описаниях слово «шкала». Вот эти редкие примеры.

Ошибочные обратные действия рулями являются результатом неправильной интерпретации показаний прибора, что приводит к отклонению ручки управления, которое усугубляет, а не корректирует нежелательное положение. При пилотировании лётчиками по авиагоризонту было 19 случаев ошибочных обратных действий рулями по крену из 270 ошибок, обусловленных неправильным считыванием и интерпретацией показаний приборов. Вот типичное сообщение, сделанное одним лётчиком:

«Я переключил внимание с приборов, выполняя разворот с креном на самолёте С-47. Взглянув снова на авиагоризонт, я перепутал направление разворота, показываемого маленьким индексом угла крена. Начав вывод из крена, я отклонил элероны в прямо противоположную сторону той, в которую требовалось, и тем самым увеличил крен до такой степени, что угол составил почти 90° и положение стало очень опасным» (Фиттс и Джонс, 1947)». [Перевод № 593. «Что движется, самолёт или пространство?» («What Moves? The Airplane or the World?» Источник: Human Factors, 1972, 14(2), 107 - 129. МО СССР, 1972 год. Стр. 3 - 4].

Из приведенных примеров видно, что для управления по крену лётчики пользуются индексом отсчёта и шкалой, а не центральным яблоком прибора, которое и обсуждалось до сих пор в многочисленных (и бесплодных) дискуссиях. Неподвижная (относительно прибора) шкала крена и подвижный индекс отсчёта провоцируют летчика на управление земной вертикалью, что неестественно и чревато потерей пространственной ориентировки. Нужно отметить также опасность методики пилотирования по нижнему индексу крена, связанному с землёй. В перевёрнутом полёте этот индекс уже не "идёт" за ручкой, а "бежит" от неё, что провоцирует лётчика на ошибочные действия не только в перевёрнутом полёте, но и при больших (более ~ 90°) углах крена. Никаким дизайном исправить это невозможно.

Таким образом, "трудность управления самолётом" связана не "с необычностью индикации пространственного положения", не "вид с самолёта вызывает необходимость перестройки навыков управления, потребность в пробных действиях", а неудобная для лётчика шкала крена, действительно требующая выработки новых навыков, отличных от навыков пилотирования в визуальном полёте. Неудобна же для лётчика неподвижная (относительно прибора) шкала крена потому, что в отличие от шкал курса и тангажа попала на прибор не из земной, а из неестественной для вида с самолёта на землю самолётной системы координат. Иначе говоря, поводом для дискуссий являлся не вид индикации, а неестественные для лётчика неподвижные (связанные с самолётом) шкалы крена и подвижные индексы отсчёта на авиагоризонтах с прямой индикацией.

Для того, чтобы убедиться в правильности сказанного, достаточно провести мысленный эксперимент – применить на АГД не боковую, а нижнюю неподвижную шкалу и вертикальную подвижную линию для отсчёта крена. Возможно, что тогда даже АГИ с боковой (подвижной относительно прибора) шкалой крена окажется лучшим прибором по сравнению с таким АГД.

Индикация типа АГД с нижней шкалой крена

1.4. Индикация и система координат

Итак, мы видим, что попытки обойтись без единой системы координат при создании авиагоризонтов привели на практике к неудачным конструкциям. Поэтому при проектировании шкал и индексов приборов и индикаторов следует опираться на единую систему координат. Поскольку естественным для трезвого лётчика является его представление о неподвижности Земли относительно него и его самолёта, то шкалы приборов, индицирующих углы курса, крена и тангажа должны быть жёстко связаны с неподвижной землёй, а индексы отсчёта – с самолётом. Это земная система координат. Впервые прибор со шкалой крена, связанной с линией горизонта (земная система координат) предложил, если не ошибаюсь, Лоунс в 1945 г.

«Лоунс (1947) провёл эксперимент, используя неопытных испытуемых, сравнивая четыре типа экспериментальных индикаторов с обычным индикатором (первоначальное сообщение было в 1945 году).

Четыре экспериментальных индикатора отличались соответственно от обычного индикатора следующим образом:
1. отсутствовали индексы углов крена,
2. со шкалой углов крена, поворачивающейся с подвижной линией горизонта,
3. со шкалой углов крена, расположенной под линией горизонта и
4. с обратным движением линии горизонта по сравнению с обычными индикаторами».

[Перевод № 593. «Что движется, самолёт или пространство?». («What Moves? The Airplane or the World?» Источник: Human Factors, 1972, 14(2), 107-129. МО СССР. 1972 год. Стр. 14 - 15].

Боковая подвижная шкала крена (земная система координат) реализована на серийном ПКП-77 (На вертолётах фирмы Камова прибор другой, хотя название то же), верхняя – на ПКП-76. Это изобретение (подвижная относительно прибора шкала крена) принципиально решает проблему создания естественной для лётчика индикации, в которой шкалы курса, тангажа и крена связаны с земной системой координат, индексы отсчёта связаны с самолётом, а расположение земли и неба на приборе и за кабиной совпадают (прямая индикация).

1.5. «Образ полёта»

Для работы автопилота эргономические проблемы совершенно безразличны. Они имеют значение только для человека, сидящего в кабине и считающего себя лётчиком. Поэтому весьма важное значение имеет его представление о полете и своём положении в пространстве. Эти человеческие представления известны в литературе как «Образ полёта». Название, быть может, не очень удачное, но другого пока нет.

«Образ полёта - это представление о полёте, непрерывно создаваемое авиатором при пилотировании на основании приобретённого опыта визуального полёта и анализа информации от всех других источников. Подавляющее большинство лётчиков воспринимает окружающее их пространство неподвижным. При опросе лётчиков-инструкторов, проведенном М.А.Кремнем, 38 из 47 отметили, что для них пространство, в том числе горизонт, всегда неподвижно; относительно неподвижного пространства перемещается самолёт. Именно такому восприятию в полёте учат они курсантов ("При управлении надо подгонять себя с самолётом к горизонту; при перевороте пространство вокруг нас не крутится", - пишут они в анкете). Известный педагог-лётчик В.Медников считает, что по характеру представления пространственного положения мнения лётчиков разделяются. Одни из них представляют центром отсчёта себя и кабину, относительно них перемещается пространство. Сформированный у них образ полёта совпадает с их непосредственным восприятием (с видимой картиной). Такой образ, по мнению автора, затрудняет пилотирование, но он, как правило, существует лишь на первоначальных этапах лётного обучения.

Впоследствии, особенно у пилотов маневренных машин, возникает другой образ. Для них неподвижна земля. Они пилотируют в земной системе координат, и образ полёта не совпадает у них со зрительным восприятием. Такой образ полёта предпочтительней, так как облегчает пилотирование. Для нас важно отметить, что, во-первых, образ пространственного положения и видимая из окна картина пространства не совпадают и, во вторых, пилотирование осуществляется легче на основе геоцентрической системы координат" [В.Пономаренко. "Страна Авиация: белое и чёрное". "Воздушный транспорт", 1994 г., № 44 (2227)].

Не помню, чтобы даже при первоначальном лётном обучении я представлял бы себя неподвижным, а землю – подвижной. Хотя пару раз в жизни земля накренялась относительно меня. При пилотировании по любой индикации земля для меня неподвижна. С неподвижной землёй связана для меня шкала курса, например (прямая индикация). Вокруг этой неподвижной шкалы и вращаюсь я со своим самолётом (вертолётом).

Есть приборы с обратной индикацией курса, когда шкала связана с самолётом, а стрелка (силуэт самолёта, вид сверху) показывает курс. Такие приборы можно увидеть на Ан-24 и на некоторых зарубежных самолётах. И при пилотировании по такому прибору земля для меня всё равно неподвижна. Я вращаюсь со своим самолётом относительно Земли, а не наоборот. Но летать с таким прибором удобно до тех пор, пока направление полёта примерно совпадает с направлением носа силуэта самолёта. При развороте же на новый курс приходится «подкручивать» ноль отсчёта, поскольку неудобно представлять себя летящим «задом наперёд». Точно так же летать с индикацией типа АГД удобно (удобная боковая шкала крена) до тех пор, пока крен мал (менее ~ 70 ... 90°). На авиагоризонте «подкрутить» ноль отсчёта нельзя - нет такой ручки, да и некогда. Поэтому лётчики, выполняющие пилотаж по приборам типа АГД не исправляют, как правило, крены в верхней части петли Нестерова, но все они исправляют крены в нижней части петли. (Знаю это по своему инструкторскому опыту).

Следует отметить, что многократно повторяемые суеверия оставляют таки заметный (и опасный) след в умах. Один из лётчиков рассказывал мне, что он не может себе представить, что он неподвижен, а подвижна Земля, которую он вращает ручкой управления. Но именно на такого типа представления о полёте толкает лётчиков «неправильная» шкала крена, попавшая на прибор из другой системы координат.

«Каким бы образом ни отображалась информация о положении самолёта в пространстве, необходимо, чтобы лётчик думал, что движется самолёт. Если он думает, что движется пространство (земля), он теряет ориентировку и подвержен головокружению» [Перевод № 593. «Что движется, самолет или пространство?». («What Moves? The Airplane or the World?» Источник: Human Factors, 1972, 14(2), 107 - 129. МО СССР. 1972 год. Стр. 8].

Мораль сих рассуждений такова: С одной стороны, тем, кто пока ещё вращает планету Земля штурвалом или ручкой управления, надо избавляться от мании величия. С другой стороны, применение прямой формы индикации (вид с ЛА на землю), подвижных шкал и неподвижных индексов отсчёта углов крена, курса и тангажа естественным образом приводит к формированию у лётчика представления о собственном движении относительно неподвижного пространства.

2. Вид «с земли на самолёт» (Обратная индикация)

2.1. АГК-47Б

«Индикация "с земли на самолёт" предполагает вид абстрактного силуэта самолёта под ракурсом 0/4, подвижного относительно горизонта» [Генерал-майор авиации Г.Бутенко, Заслуженный летчик-испытатель СССР, к.т.н.; подполковник-инженер Г.Скибин "Зависит от типа индикации". "АиК", 1977, № 11].

Этому определению полностью соответствует авиагоризонт АГК-47Б.

АГК-47Б
(1 - силуэт самолёта; 2 – линия горизонта; 3 – шкала кренов; 4 – шкала тангажа; 18 – индекс указателя поворота; 19 – флажок; 20 – шток арретира; 21 – указатель скольжения; 22 – кремальера)

Абстрактный силуэт самолёта на приборе подвижен по крену и тангажу, имеет подвижную по тангажу боковую (со стороны неба) шкалу крена. (Я летал, мне такая шкала крена не понравилась (и прибор тоже), поскольку я отсчитываю в визуальном полёте крен между горизонтом и опущенным крылом, а на АГК-47Б отсчёт идёт между горизонтом и поднимающимся крылом).

«Авиагоризонт комбинированный, так как в одном корпусе смонтированы три прибора: авиагоризонт, указатель поворота и указатель скольжения».
«При пикировании или кабрировании линия горизонта перемещается относительно неподвижной шкалы – пилоту картина представляется обратной: силуэт самолёта 1 вместе со шкалой 4 опускается или поднимается относительно линии горизонта»
[О.И.Михайлов, И.М.Козлов, Ф.С.Гергель. «Авиационные приборы». Москва, «Машиностроение», 1977. Стр. 106 - 107].

Таким образом, известным примером обратной индикации («вид с земли на самолёт») является авиагоризонт АГК-47Б. Обратная индикация, реализованная на АГК-47Б, никакого распространения не получила. Однако когда обычно говорят об обратной индикации, то подразумевают совсем другое.

2.2. АГД-1

Когда речь заходит об обратной индикации, реализованной на АГД-1, то говорят обычно о крене, упуская из виду тангаж. Молча подразумевается, что в канале тангажа на АГД реализован «вид с самолёта на землю». Это распространённое заблуждение, надо полагать, вызвано тем, что обычно рассматриваются режимы полёта с околонулевыми кренами. Однако легко убедиться, что это молчаливое предубеждение в целом неверно. Ведь если лётчик смотрит из своего самолёта на землю и видит её вверху (в перевёрнутом полёте, в верхней части петли Нестерова, например), то на АГД фон земли находится внизу. «Такое расположение земли и неба в корне противоречит врождённым понятиям человека о его положении в пространстве», это уже провокация потери пространственной ориентировки. Вид же «с самолёта на землю», как должно вроде быть, очевидно, из определения, предполагает индикацию земли на приборе с той же стороны (при левом крене, например, - слева), с какой видит её лётчик из своей кабины. Примером прямой индикации тангажа и обратной индикации крена может быть вращающийся по крену силуэтик самолета на индикаторе на лобовом стекле. Такую картину легко реализовать на электронном индикаторе, но она практически не исследована.

Таким образом, в канале тангажа на АГД не реализован «вид с самолёта на землю», что в сочетании с обратной индикацией крена влечёт за собой заметные неприятности.
1. При проходе угла тангажа ~ ± 90° (Петля Нестерова) шкала тангажа останавливается, а затем начинает перемещаться в противоположном направлении, чего с самолётом в действительности не происходит (Из известных мне приборов только АГИ-1 лишён этого недостатка!).
2. В этот же момент (при проходе угла тангажа ~ ± 90°) силуэтик самолёта разворачивается по крену на 180°, что тоже не отражает действительное положение.
3. Есть трудности в управлении самолётом в перевёрнутом полёте: относительно естественного горизонта нос самолёта идёт за ручкой, а прибор (АГД) показывает, что нос самолёта идёт в противоположном направлении. Управление в канале тангажа по АГД в перевёрнутом полёте напоминает АГИ: прибор индицирует положение и движение в пространстве обратное тому, что лётчик видит из кабины. Это резко усложняет проблемы пилотирования в перевёрнутом полёте. Недостатки индикации типа АГД, описанные выше, являются органическими, т.е. их невозможно устранить никаким дизайном.

Верхняя часть петли Нестерова с индикатором типа АГД

Перевёрнутый вираж с индикатором типа АГД

Чтобы справиться с указанными выше трудностями, рекомендуется, например, для устранения крена в перевёрнутом полете (по АГД), "подпирать ручкой опущенное крыло" или "вращать силуэт самолета ручкой, так, как он вращается в сторону отклонённой ручки". Попробуйте порассуждать об этих методиках в терминах "образа полёта". И это при том, что в указанных методиках ничего не говорится об управлении по тангажу. Тут уж лётчику остаётся только представить себя в силуэте "абстрактного" самолёта, сидящим вверх ногами в перевёрнутом полёте - т.е. представить себе "вид с абстрактного самолета на землю"!

На эти факторы обращается мало внимания, быть может, потому, что в ВВС мирного времени нет необходимости в перевёрнутом полёте, и опыт А.Покрышкина и Э.Хартмана благополучно забыт.

Поскольку приведенному выше определению (Г.Бутенко и Г.Скибина) соответствует и АГД-1 и АГК-47Б, то для исключения путаницы реализованную на АГД-1 индикацию следует выделить в отдельный вид: «Индикация типа АГД».

Оценки этой индикации находятся в диапазоне от «Потери пространственной ориентировки стали существенно более редкими» (Овчаров В.Е.), до "По одному авиагоризонту невозможно определить положение самолёта". [Подполковник Э.Москаленко, военный лётчик 1-го класса. "Не только для посадки". «АиК», 1976, № 7]. Речь в статье идёт об АГД-1.

Эти сложности привели к появлению специального термина: «сложное положение» и непростой методике вывода из него. Инженеры вообще предложили исключить лётчика из контура управления в «сложном положении», предложив режим автоматического приведения к горизонту.

Итак, не соответствующая ни прямой, ни обратной индикации шкала тангажа, применённая на АГД-1, приводит к существенным трудностям в управлении самолётом при полёте с большими углами крена и тангажа.

Для того, чтобы убедиться в правильности сказанного, предлагаю желающим попытаться выполнить на тренажёре перевёрнутый вираж.

2.3. Эффект удвоения крена

Обратная индикация углов крена применяется не только на авиагоризонтах, но и на отечественных индикаторах на лобовом стекле (ИЛС). При выполнении разворотов по такому прибору видно, что вращающийся по крену силуэт самолёта оказывается накренённым по отношению к естественному горизонту в 2 раза больше, чем по отношению к неподвижной относительно прибора шкале крена. Это явление называется «эффект удвоения крена» (см. на рисунке).

Полёт строем с обратной индикацией крена

«Эффект удвоения крена при соотнесении показаний прибора и реальной обстановки...фактор, полезно настораживающий, но ничем не грозящий» [Н.Бездетнов, лётчик-испытатель 1-го класса. «Тип индикации. Какой лучше?» «АиК», 1976, № 10].

Быть может, при полёте по маршруту или при заходе на посадку это действительно «фактор, полезно настораживающий, но ничем не грозящий». Но бывают и другие случаи, когда не всё так просто.

В показанной на рисунке ситуации все самолёты выполняют левый разворот с креном около 20°. Наш крен относительно впереди летящих самолётов равен нулю. Однако из-за «эффекта удвоения крена» наш вращающийся по крену силуэт самолёта оказывается накренённым не только относительно линии горизонта (на вдвое больший угол), но и относительно впереди летящих самолётов (на такой же угол). В показанной ситуации силуэт «своего» самолета накренён в сторону левого из впереди летящих самолётов, поэтому создаётся впечатление, что мы будем сближаться с ним. Однако попытка убрать этот кажущийся крен приведёт к действительному сближению с правым из впереди летящих самолётов. Ситуация опасная.

Не всё так просто и при прицеливании. Очевидно, что по изложенной выше причине прицеливание по визуально видимой цели с обратной индикацией крена будет затруднено. Нужна другая индикация. Если цель в облаках, то совсем не обязательно, чтобы метка цели совпадала с видимой из кабины целью, – т.е. возможно применение обратной индикации крена. Но тогда будем иметь совершенно различные прицельные картинки для различных метеоусловий. Если цель в облаках – прицеливаемся по одной картинке, - цель вышла из облаков – переключаемся на другую картинку!

«Эффект удвоения крена», присущий обратной индикации, делает её непригодной для групповых полётов.

3. Эксперимент

Все задачи пилотирования можно разделить на 3 группы:
1. Взлёт, посадка, второй круг, маршрут.
2. Одиночный пилотаж, произвольное пространственное положение.
3. Групповое маневрирование (прицеливание, полёт строем, заправка в воздухе).

Однако в экспериментах часто исследуется только одна из задач.

"В 1983 году группой учёных и лётчиков-испытателей был создан оригинальный командно-пилотажный прибор ИКП-81, который успешно прошёл лётные испытания для сравнения с прибором ПКП-77 и был признан лучшим прибором для пространственной ориентировки" [В.Пономаренко. "Страна Авиация: белое и чёрное". Газета "Воздушный транспорт № 45 (2228) 1994 г.].

В данном примере речь идёт о сравнении конкретных приборов применительно только ко второй из указанных задач.

«Данные показывают, что на полученные результаты может оказывать влияние не столько сам принцип индикации, сколько прошлый опыт пилотов и конкретная реализация принципа индикации» [П.А.Коваленко. «Пространственная ориентировка пилотов (Психологические особенности)». М., Транспорт, 1980, стр. 131].

Если сравнивать индикацию типа АГД с прямой индикацией, то следует повторить эксперимент Лоунса (1945 г.) с индикаторами без шкалы крена (Я летал на серийном палубном истребителе F/A-18 вообще без шкалы крена и даже без различия фона земли и неба на монохромном индикаторе, с заострёнными в сторону горизонта рисками тангажа⁴, мне понравилось. На модернизированном самолёте снова появилась привычная для лётчиков нижняя неподвижная шкала крена. Мне кажется, что раньше было лучше). Можно также провести эксперимент с подобными шкалами крена: применить на АГД вместо боковой нижнюю неподвижную шкалу и вертикальную линию, связанную с силуэтиком самолёта для отсчёта крена.

«Браун (1945) первым исследовал систему индикации пространственного положения самолёта экспериментальным путём, сравнивая два авиагоризонта на стандартном пилотажном тренажёре. Одним из них был обычный английский авиагоризонт, на котором символ, изображающий самолёт, был неподвижен в центре индикатора, а планка искусственного горизонта и индекс крена перемещались обычным образом. Другим был экспериментальный индикатор, на котором отрезки планки искусственного горизонта были неподвижно закреплены с каждой стороны лицевой панели индикатора, а символ самолёта перемещался относительно них, показывая углы крена и тангажа. Курсантам в процессе лётной подготовки, не имевшим ещё какого-либо представления об авиагоризонтах, потребовалось меньше времени, чтобы научиться пользоваться экспериментальным индикатором с подвижным символом самолёта по сравнению с обычным индикатором с движущимся горизонтом; они совершали также меньше ошибок и оказали предпочтение конфигурации экспериментального индикатора при соотношении шесть к одному. Однако, когда различия в характеристиках наглядности и демпфирования двух индикаторов были устранены во втором эксперименте (Браун, 1952), исчезли различия в качестве пилотирования по этим индикаторам, и Браун (1954) сделал вывод: «...не имеет значения, какой из двух элементов системы индикации (самолёт или горизонт) является подвижным, а какой неподвижным» [Перевод № 593. «Что движется, самолёт или пространство?». («What Moves? The Airplane or the World?» Источник: Human Factors, 1972, 14(2), 107 - 129. МО СССР. 1972 год. Стр. 13 - 14].

В данном случае автор указал, что на результаты эксперимента повлияли «различия в характеристиках наглядности и демпфирования двух индикаторов».

"Результаты эксперимента показали, что 27 участников высказались в пользу АГД (вид с земли на самолёт), 6 - в пользу АГИ-1 (вид с самолёта на землю), а четверо различий не обнаружили" [В.Копанев. "Что дал эксперимент". «АиК», 1977, № 3].

Просто удивительный эксперимент! Нашлось целых 6 планеристов из 37 (16%), которым понравился АГИ! Считая 4-х, которым всё равно, получаем, что 27% могли бы летать с АГИ не хуже, чем с АГД! Если АГИ не так уж плох, то откуда же тогда тысячи ежемесячных случаев полной потери пространственной ориентировки, о которых писал В.А.Пономаренко? Уверен, что стоило только объяснить планеристам разницу между АГИ-1 и прямой индикацией, ни один из них не увидел бы преимуществ этого прибора перед АГД.

Этот эксперимент свидетельствует о том, что результаты испытаний и выводы из них весьма существенно зависят от знаний, опыта и степени предубеждённости участников и организаторов экспериментов.

Если целью исследования является сравнение видов индикации, то сравниваемые приборы должны иметь минимум отличий для того, чтобы исключить влияние не имеющих отношения к цели исследования факторов. Однако, как видим, за результаты сравнения видов индикации зачастую выдаются результаты сравнения конкретных приборов, отличающихся не имеющими к цели такого исследования особенностями.

При проведении научных исследований следует обеспечить взаимосвязь теории и эксперимента, увязать практику с теорией, методически обосновать преимущества одного из видов индикации по сравнению с другими видами.

Если исходить из того, что естественной для лётчика является картина, которую видит, глядя на его самолёт, находящийся на земле наблюдатель, то тогда можно обосновать обратную индикацию углов курса, крена и тангажа, отклонений от курса и глиссады. Тогда и АРК должен показывать азимут (в сочетании с подвижным силуэтом самолёта). Этого требует единство принципа индикации. Индикация точки зрения наземного наблюдателя (обратная индикация) была опробована и распространения на самолётах не получила ввиду неверности исходной посылки.

Если же исходить из того, что естественной для лётчика является картина, которую он наблюдает в визуальном полёте (с этим, кажется, уже все согласились), то прямая индикация, «вид с самолёта», методически обоснована – так летчик видит землю и другие объекты из своего самолёта. По этому принципу индицируются отклонения от курса и глиссады при заходе на посадку, курсовые углы радиостанций, углы курса и тангажа.

Попытки методически обосновать исключение из этого правила именно для крена нельзя назвать удачными, поскольку нет ответа на вопросы:
• Почему исключение должно быть сделано именно для крена, а не для курса или тангажа, если сам принцип обратной индикации так хорош? (Только что выяснили, что обратная индикация неестественна для лётчика).
• Является ли при этом необходимым ограничение (незаконное) степени свободы шкалы тангажа (индикация типа АГД)?

И, наконец, никакой эксперимент не избавит индикацию типа АГД от присущих ей органических недостатков, описанных выше. Недостатки же конкретных приборов и индикаторов с прямой индикацией могут быть устранены.

На основании теории и известных фактов составим таблицу решаемых рассмотренными выше видами индикации задач пилотирования.

В таблице показано, что прямая форма индикации с неподвижными шкалами крена принципиально годится для одиночного и группового полёта, но не годится для пилотажа. Прямая форма индикации с подвижными шкалами крена принципиально годится для всех, указанных выше, задач пилотирования. Остальные виды индикации годятся (в разной степени) только для одиночных полётов с небольшими углами крена и тангажа. АГИ-1 не годится никуда.

4. Выводы

1. Реализованных на практике видов индикации крена и тангажа оказалось не два, а шесть (3 обратных, 2 прямых и 1 смешанная):
   • Обратная индикация (типа АГИ – обратное расположение «земли» и «неба»).
   • Обратная индикация (типа АГК-47Б – вид «с земли на самолёт»).
   • Обратная индикация (типа АГД – обратное расположение «земли» и «неба» в перевёрнутом полете, вращающийся по γ силуэтик).
   • Прямая индикация, связанная со смешанными (самолётной по крену и земной по тангажу) системами координат (зарубежные авиагоризонты с неподвижными шкалами крена, верхней и нижней).
   • Прямая индикация, связанная с земной системой координат (типа прибора Лоунса без шкалы крена, ПКП-77 с боковой шкалой и ПКП-76 с верхней подвижной шкалой крена).
   • Прямая индикация по тангажу и обратная по крену (вращающийся по крену самолетик на ИЛС).
2. Поводом для прошлых дискуссий являлся не вид индикации, а неестественные для лётчика неподвижные (связанные с самолётом) шкалы крена и подвижные индексы отсчёта на авиагоризонтах с прямой индикацией.
3. Никакой дизайн и никакие эксперименты не могут «отменить» присущий рассмотренным разновидностям обратной индикации «эффект удвоения крена», который делает ее непригодной для групповых полётов.
4. Прямая форма индикации всех параметров (отклонение по курсу и глиссаде от равносигнальной зоны при заходе на посадку, изображение пролетаемой местности на экране РЛС, отклонение от линии заданного пути, крен, тангаж, курс полёта и курсовые углы радиостанций (КУРы) на НПП) с земной системой координат (подвижные шкалы крена или отсутствие шкалы крена) методически обоснована и может обеспечить надёжное выполнение всех задач пилотирования.

5. Рекомендации конструкторам

1. На всех летательных аппаратах должна применяться прямая индикация крена, курса и тангажа, связанная с земной системой координат (подвижные шкалы и неподвижные индексы отсчёта, шкала крена может отсутствовать).
2. Поскольку самолёты всех классов имеют свойство попадать в произвольное пространственное положение (Катастрофы А-310 в районе Междуреченска 1994 г., Ту-154 под Хабаровском 1995 г. и др.), то авиагоризонт должен обеспечивать достоверные показания во всём диапазоне углов крена и тангажа.
3. Шкала тангажа должна быть непрерывной (не должна останавливаться и менять направление движения при выполнении петли Нестерова).
4. Линия горизонта не должна исчезать из поля зрения при любых манёврах.
5. Если применяется шкала крена, то она должна быть подвижной, должна быть видна всегда (не должна скрываться за деталями прибора).

6. Рекомендация лётчикам

Лётчик должен разобраться в принципах работы приборов (особенностях индикации крена и тангажа) до того, как он даст газ на взлёте.