Историческое развитие и современное состояние комплексов бортового оборудования летательных аппаратов

УДК 629.7.05

Д. В. ХАКИМОВ, С. К. КИСЕЛЕВ

ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Представлен процесс формирования и развития современных комплексов бортового оборудования. На примере характеристик вычислительных устройств, используемых в последние десятилетия, показана эволюция бортовых компьютеров и представлена информация о некоторых из них. Показан процесс исторического формирования основных типов архитектур комплексов бортового оборудования летательных аппаратов, этапы их развития. Описаны основные проблемы проектирования комплексов бортового оборудования для каждого типа архитектуры. Сформулированы основные направления проектирования комплексов бортового оборудования.

Ключевые слова: комплекс бортового оборудования (КБО), независимая архитектура, федеративная архитектура, интегральная модульная авионика, бортовая вычислительная система.

Введение

КБО как цифровые вычислительные системы зародились на рубеже 60-х годов. С того времени и по сей день происходит непрерывный процесс их видоизменения и развития. При сравнении КБО первых серийных образцов с современными комплексами отчётливо видны коренные отличия в архитектуре аппаратного обеспечения (АО). Значительно улучшились эксплуатационные качества. Функциональные возможности комплексов стали несравнимо велики. До неузнаваемости преобразился интерфейс управления ВС. Степень автоматизации полётных задач возросла настолько, что зачастую пилот выполняет лишь роль наблюдателя.

Начиная с 60-х годов 20-го века, процесс исторического развития авиаприборостроения преодолел два эволюционных периода и сейчас находится на третьем. Отличительной чертой каждого из периодов считается принцип применяемой архитектуры построения авиаприборов и КБО в целом. Таким образом, выделяют три основных типа архитектур:

1 независимая;

2 федеративная;

3 интегральная модульная.

Проведём анализ процесса эволюции архитектуры КБО от первого типа к третьему. Выясним основные недостатки каждого из типов архитектуры и проследим процесс устранения этих недостатков в ходе исторического развития.

© Хакимов Д. В., Киселёв С. К., 2017

Независимая архитектура авионики

Независимая архитектура - такая организация структуры авионики, при которой КБО состоит из независимых систем, каждая из которых содержит свои собственные датчики, вычислители, индикаторы и пульты управления. Связи систем друг с другом минимальны и представлены радиальными соединениями источник-приёмник.

Далее по тексту КБО, построенный на основе независимой архитектуры, будем называть -«КБО первого типа».

Изначально КБО первого типа проектировались с применением технологии электромеханических вычислителей. Такой тип вычислителей на сегодняшний день является устаревшим. Данная технология проектирования применялась на заре становления технологий проектирования сложных многофункциональных комплексов. Электромеханические вычислители характеризовались следующим набором качеств:

1. Специализированный вычислитель, функции которого заложены в него на конструктивном уровне. Изменение назначения механического вычислителя невозможно без изменения его конструкции;

2. Реализация математических функций на основе технологий электромеханики приводит к высоким массогабаритным показателям вычислителя;

3. Механические свойства деталей электромеханических вычислителей очень сильно ограничивают скорость вычислений. В сравнении со скоростью вычисления современных

вычислительных устройств, скорость вычисления электромеханического вычислителя крайне мала;

4. Срок эксплуатации электромеханических вычислителей в несколько раз короче, чем электронных;

5. Эксплуатация электромеханических вычислителей требует постоянного периодического и предполётного обслуживания;

6. Детектирование неисправностей электромеханических вычислителей является трудной задачей, требующей участия высококвалифицированных специалистов;

7. Электромеханические вычислители невосприимчивы к воздействию электромагнитных излучений;

8. Выход из строя одной из систем ни каким образом не влияет на работоспособность других систем КБО;

9. Увеличение функциональности КБО прямо пропорционально увеличению количества систем в составе комплекса и, как следствие, прямо пропорционально его массогабаритным характеристикам.

С точки зрения процесса проектирования, разработка электромеханического вычислителя является сложнейшей конструкторской задачей. Сложность заключается в сохранении высокой точности вычислительных операций. При этом вопрос сохранения точности актуален на протяжении всего жизненного цикла изделия. Механический износ деталей, погрешности изготовления и скрытые дефекты материалов крайне сложно прогнозировать.

С течением некоторого времени произошёл эволюционный скачок в области электроники, который был обусловлен появлением технологий создания полупроводниковых электронных компонентов. Начиная с внедрения первых вычислителей, основанных на полупроводниковой элементной базе, КБО приобретают первые черты, присущие современным комплексам.

Применение полупроводниковой радиоэлектронной базы позволило использовать цифровые технологии. Сформировалось понятие бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). БЦВМ, благодаря своим многочисленным преимуществам и очевидной перспективой применения в авиаприборостроении, стали предметом разработок крупнейших предприятий СССР и всех ведущих авиаприборостроительных предприятий мира. На территории СССР разработкой БЦВМ занимались следующие предприятия:

• АО «ОКБ «Электроавтоматика»;

• АО «НИИ «Аргон»;

• АО «ЦНПО «Ленинец»;

• «Московский институт электромеханики и автоматики»;

• АО «МНИИ «Агат»;

• АО «Авиаавтоматика» имени В. В. Тарасова»;

• АО «МНПК «Авионика»;

• АО «ВНИИРА»;

• АО «Концерн радиостроения «Вега»;

• АО «НИИП имени В. В. Тихомирова».

Комплексы НИОКР по разработке БЦВМ

были направлены на создание двух типов вычислителей. Первый - это вычислители универсального типа, а второй - это специализированные. Универсальные БЦВМ проектировались для применения в большинстве систем, где степень вычислительной нагрузки варьировалась от малой до средней. Специализированные вычислители должны были обеспечивать потребности систем, узкоспециализированных функциональных модулей с высокой вычислительной нагрузкой.

Второе направление разработок БЦВМ было нацелено на создание методов, технологий и средств обмена информацией. Уже при появлении первых БЦВМ идея реализации межсистемного обмена стала актуальной, так как даже минимальные межсистемные связи позволяли избавиться от большого количества дублированных функций.

Третьим направлением разработок являлось создание программного обеспечения (ПО). Эта прикладная задача была новой для того времени, поэтому достаточно трудоёмкой и требовала отдельного внимания, несмотря на то, что сложность ПО была мала.

В результате интенсивных разработок того времени были спроектированы такие известные БЦВМ, как:

• «Пламя-263» - использовалась на Ил-38;

• «Гном-А» - использовалась на Ил-76.

В качестве примера ниже представлены основные технические характеристики БЦВМ «Пламя-263:

• собрана на дискретной полупроводниковой базе;

• быстродействие 62 тыс. оп./с. типа регистр-регистр и 31 тыс. оп./с. типа регистр-память;

• ёмкость ОЗУ - 256 16-разрядных слов;

• ёмкость ПЗУ - 8000 16-разрядных слов;

• наработка на отказ - 200 ч;

• масса - 330 кг;

• потребляемая мощность - 2 кВт.

Рис. 1. БЦВМ «Пламя-263» образца 1964 года, производства АО «ОКБ «Электроавтоматика»

Рис. 2. БЦВМ «Аргон-15» образца 1972 года,

производства «Научно-исследовательского центра электронной вычислительной техники

Рис. 3. БЦВМ «Орбита-20» образца 1969 года, производства АО «ОКБ «Электроавтоматика»

Внешний вид БЦВМ «Пламя-263» представлен на рисунке 1.

«Пламя-263», использовалась для обработки информации в составе поисково-прицельного комплекса «Беркут-38» и противолодочного самолёта Ил-38 (первый полёт в 1961 году) [1].

БЦВМ первого поколения по массогабарит-ным характеристикам были велики для применения в истребительной и штурмовой авиации, поэтому БЦВМ первого поколения использовались в основном для наземной техники.

Дальнейшее развитие технологий изготовления полупроводниковых радиоэлементов привело к появлению гибридных интегральных микросхем (ИМС). На основе данной технологии строилось второе поколение авиационных

БЦВМ. Самыми известными БЦВМ второго поколения являются:

• «Орбита-10»;

• «Аргон-15» - имеет несколько модификаций;

16-разрядные БЦВМ второго поколения серии «Орбита-10» были созданы в 1971 году. Они построены на гибридных ИМС малой степени интеграции «Тропа» и «Трапеция» и достаточно широко применялись на различных типах отечественной авиатехники [1].

БЦВМ «Аргон-15» разработана в 1972 году, выполнена на твёрдотельных ИМС серии 133, имеет блочную структуру. Изначально БЦВМ была разработана для нужд авиации, но позже нашла широкое применение и в мобильных наземных объектах [2, 3]. «Аргон-15»

использовалась в составе более 50 систем, в том числе в авиационных комплексах противолодочной обороны «Коршун», «Сова», на истребителях МиГ-31, МиГ-33, в мобильных оперативно-тактических комплексах «Точка», «Ока», «Бук», «Куб», «Волга».

БЦВМ «Аргон-15» обладает следующими техническими характеристиками:

• быстродействие: операция сложения -5 мкс, вычисления синуса, косинуса, квадратного корня - от 16 до 30 мкс;

• объём ОЗУ - 4 Кбайт;

• объём ПЗУ - 64 Кбайт;

• объём ПЗУ со сменой информации - 256 байт;

• имеет два канала ввода - вывода со скоростью обмена: ввод - 200 Кбайт/с, вывод -400 Кбайт/с;

• наработка на отказ - 500 ч;

• масса - 60 кг;

• потребляемая мощность -250 Вт.

Внешний вид БЦВМ «Аргон-15» представлен

на рисунке 2.

Переход на новую элементную базу и итоговый выигрыш в массогабаритных характеристиках позволили разработчикам БЦВМ второго поколения отойти от жёстких критериев экономии веса. Это позволило использовать дополнительные специализированные устройства для таких операций, как умножение и деление, что в итоге позволило повысить производительность.

Технологии производства радиоэлементов в тот период времени активно развивались. В итоге разработчикам БЦВМ стали доступны логические элементы в твёрдотельном исполнении, миниатюрные резистивные и конденсаторные сборки. Ещё одним важнейшим эволюционным шагом стало появление технологий производства многослойных печатных плат. Новая элементная база и технологии создания многослойных печатных плат стали основой создания БЦВМ третьего поколения.

Первой БЦВМ третьего поколением является «Орбита-20», она одна из самых массово выпускавшихся. Её серийное производство началось в 1974 году. При этом она получила широкое распространение за пределами авиационной промышленности. Структура данной БЦВМ реализована на ИМС, но при этом она является детерминированной структурой практически закрытого типа. Для программирования данной БЦВМ использовались языки типа ассемблер. «Орбита-20» имела возможность

цифрового ввода-вывода информации. Для обмена информацией в цифровом формате использовался протокол взаимодействия АМКС-429, соответствовавший ГОСТ 18977-79 [1].

Основные характеристики БЦВМ «Орбита-20» следующие:

• собрана на ИМС;

• быстродействие 200 тыс. оп./с. типа сложение и 100 тыс. оп./с. типа умножение;

• ёмкость ОЗУ - 512 16-разрядных слов;

• ёмкость ПЗУ - 16000 16-разрядных слов;

• наработка на отказ - до 500 ч;

• масса - до 90 кг;

• потребляемая мощность - до 1,5 кВт.

Внешний вид БЦВМ «Орбита-20»

представлен на рисунке 3.

В авиационной промышленности эта БЦВМ использовалась в составе систем для выполнения следующих задач:

• преобразование пилотажно-навигационной информации, которая поступает от датчиков и систем, к виду удобному для её обработки в вычислительном устройстве;

• управление работой датчиков и устройств отображения информации;

• контроль состояния систем и устройств комплекса и значений параметров полёта.

К середине 70-х годов появилась необходимость в БЦВМ, которые могли бы выполнять сложные задачи в составе систем автоматизированного управления войсками, сложных авиационных радиоэлектронных комплексах, системах управления воздушным движением в зоне крупных морских объектов. Для данных задач потребовались БЦВМ с характеристиками, которыми на тот период времени обладали только стационарные универсальные машины, решавшие преимущественно расчётные и информационные задачи. Требовалась БЦВМ, имеющая 32-разрядную сетку, высокую производительность, оперативную и внешнюю память большой ёмкости и оснащённая сложным программным обеспечением.

Таким образом, построение КБО на основе независимой архитектуры фактически продолжалось вплоть до середины 70-х годов 20-го века. Для проектирования применялись специализированные БЦВМ первого и второго поколений. Количество различных БЦВМ, производимых отечественными предприятиями на тот период времени, было очень велико. Было создано много машин, предназначенных, как правило, для одной конкретной системы. Незначительно отличаясь по функциональным возможностям, они имели оригинальные

систему команд, структуру и конструкцию. Такой подход к проектированию БЦВМ и рост серийного производства в совокупности привели к высокой трудоёмкости и стоимости разработки. Перед разработчиками встала проблема унификации создаваемых моделей [2]. Уникальность БЦВМ являлась очевидной преградой на пути к расширению возможностей межсистемного обмена данными и переходу к проектированию КБО на основе федеративной архитектуры.

Для решения возникших проблем требовался переход от проектирования отдельных моделей с несовместимыми системами команд к семействам машин, построенным на основе однотипной архитектуры.

Федеративная архитектура авионики

Федеративная архитектура - такая организация структуры авионики, при которой КБО состоит из полунезависимых систем, объединённых едиными мультиплексными каналами обмена данных или другими разветвлёнными системами связи, что обеспечивает возможность общего доступа систем к общим ресурсам (датчики, индикаторы и пульты управления).

Далее по тексту КБО, построенный на основе федеративной архитектуры, будем называть «КБО второго типа».

С точки зрения эволюции федеративная архитектура является промежуточным звеном между независимой архитектурой и ИМА. Существование такого промежуточного звена обусловлено естественными процессами развития электроники и техники.

Для КБО второго типа характерны следующие признаки:

1. Системы комплекса специализированы под выполнение конкретной функции КБО. Изменение функционального назначения системы возможно лишь частично, полная смена функционального назначения не возможна без изменения состава её АО;

2. Системно-ориентированный принцип построения функциональной архитектуры КБО позволяет эффективно выполнять функции комплекса при помощи специализированных систем, методом распараллеливания во времени в неоднородных по своей организации и характеристикам вычислительных средствах;

3. Функциональные подсистемы и системы КБО территориально распределены на борту ВС и имеют связь с общими ресурсами комплекса и друг с другом при помощи стандартных информационных соединений (в основном по интерфейсу АШ1ЧС-429);

4. Каждая система имеет внутренний контроль работоспособности, что позволяет централизованно формировать данные о неисправностях КБО. Это обеспечивает лёгкость процесса детектирования поломок комплекса;

5. Увеличение функциональности КБО прямо пропорционально увеличению количества систем в составе комплекса и, как следствие, прямо пропорционально его массогабаритным характеристикам;

6. При реализации современных многофункциональных КБО количество систем очень велико, что приводит к снижению уровня надёжности и отказобезопасности комплекса, увеличению стоимости разработки и конечной стоимости систем и КБО в целом;

7. Разработка ПО систем является сложнейшей задачей, которая по трудоёмкости превосходит задачу проектирования АО;

8. При разработке КБО отдельные системы разрабатываются по большей части различными фирмами-подрядчиками автономно. Далее следует процесс их комплексирования, обеспечивающий их функциональную интеграцию в составе КБО;

9. Процесс согласования работы систем между собой в рамках КБО является сложным, итерационным и трудоёмким, так как требует согласования на уровне АО и ПО одновременно;

10. Применение электронных компонентов и свойственная им восприимчивость к электромагнитным помехам в совокупности с большим количеством силовых и сигнальных линий связи между системами приводит к предъявлению высоких требований помехоустойчивости. Это требует внедрения дополнительных конструктивных ограничений.

Развитие БЦВМ второго поколения привело к формированию единой базы радиоэлементов и освоению технологий создания сложных многослойных печатных плат. Необходимость в повышении производительности БЦВМ до уровня стационарных вычислительных устройств привела к тому, что первые БЦВМ третьего поколения были разработаны на основе архитектуры единых систем электронно-вычислительных машин (ЕС ЭВМ), которым были присущи мощная система ПО, универсальный набор команд, 32-разрядное слово данных, модульность, стандартизованные интерфейсы, мультисистемные свойства, наращиваемость функциональных возможностей. ЭВМ, построенные на основе архитектуры ЕС ЭВМ: А-30, А-40, А-50. Данные машины применялись в наземном мобильном вычислительном комплексе «Бета-3М».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Краткая история «Опытно-конструкторского бюро «Электроавтоматика» имени П. А. Ефимова» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.electroavtomatica.ru/history_ кг^р, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 21.12.2016).

2. История появления бортовых ЭВМ ряда «АРГОН» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.argon.ru/?q=node/20, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 21.12.2016).

3. БЦВМ. Прошлые разработки АО НИИ «Аргон» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.argon.ru/?q=taxonomy/term/1, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 21.12.2016).

4. Роль и место бортового оборудования воздушных судов на современном этапе развития авиации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.modern-avionics.ru/analytics/ 2014/modern-role-of-avionics-aircraft/part-1/#, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 21.12.2016).

5. Кучерявый А. А. Бортовые информационные системы : курс лекций / А. А. Кучерявый; под ред. В. А. Мишина и Г. И. Клюева - 2-е изд., перераб. и доп. - Ульяновск : УлГТУ, 2004. - 504 с.

6. Лабораторный практикум. Технические средства автоматизации научных исследований. Работа 2: «Магистрально-модульные системы автоматизации» [Электронный ресурс]. - Режим

доступа: http: //www .inp .nsk. su/chairs/radio/tsani/ Lab%202.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 17.01.2016).

7. Тихоненков В. А., Мишин В. А. Конструирование и надёжность ИВК летательных аппаратов : учебное пособие для вузов. -Ульяновск : УлГТУ, 2002. - 298 с.

Хакимов Дмитрий Валерьевич, окончил Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ), факультет информационных систем и технологий в г. Ульяновске. Аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Инженер комплексного отдела ООО НПП «ЦРТС» г. Санкт-Петербург. Имеет статьи в области оценки безопасности авионики и оптимизации структуры комплексов бортового оборудования. Киселёв Сергей Константинович, доктор технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт по специальности «Авиаприборостроение» в г. Ульяновске. Профессор и заведующий кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» в УлГТУ. Имеет монографии, статьи патенты в области приборостроения.

Поступила 25.06.2017 г.