Vai trò của Avionics trong kỹ thuật hàng không và ý tưởng ứng dụng để giảm tải cho phi công khi điều khiển máy bay

Vai trò của Avionics trong kỹ thuật hàng không

Cùng với sự phát triển không ngừng của KH&CN, việc ứng dụng công nghệ cao đã và đang trở thành xu hướng phát triển chủ đạo trong mọi ngành, mọi lĩnh vực, trong đó có ngành điện - điện tử hàng không. Sử dụng Avionics là việc ứng dụng công nghệ điện - điện tử để thiết kế, cải tiến các hệ thống, thiết bị trên máy bay. Đó là những hệ thống thu hoặc nhận sóng rađio, hệ thống kiểm tra sai sót và trạng thái làm việc của các hệ thống khác như rađa; hệ thống điều khiển bay… Tất cả các hệ thống đó thực thi các nhiệm vụ trong quá trình bay bao gồm: Dẫn đường, điều khiển, đảm bảo an toàn cũng như cung cấp các dịch vụ thông tin, liên lạc hiện đại… với độ chính xác cao, tốc độ xử lý thông tin lớn, làm việc được trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt và giải quyết nhiều vấn đề phức tạp khác.

Lĩnh vực điện - điện tử hàng không được khơi nguồn phát triển từ năm 1944 trong khuôn khổ kế hoạch CNS/ATM (Communication, Navigation, Surveillance/ Air Trafic Management) của Tổ chức hàng không quốc tế ICAO và đã xây dựng được các hệ thống như: Định vị toàn cầu GPS, GLONNAS; tự động lái ILS…, tất cả nhằm mục đích giải quyết các vấn đề ở 3 lĩnh vực: Thông tin liên lạc, dẫn đường và quan sát.

Trong lĩnh vực thông tin liên lạc, nhiều dịch vụ truyền tải thông tin hiện đại đã được trang bị cho các máy bay, tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình bay. Lĩnh vực dẫn đường, đã ứng dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite System), cho phép tính toán, định vị vị trí của các loại phương tiện bay với độ chính xác cao nhất. Ngoài ra, còn có các hệ thống kỹ thuật bổ trợ khác cung cấp thông tin nhiều chiều đảm bảo dẫn đường bay an toàn. Phần quan sát có hệ thống hiển thị trạng thái, vị trí của máy bay cũng như các phương tiện bay khác trong sơ đồ không gian toàn cầu, bổ sung cho quá trình dẫn đường, cảnh báo va chạm trên không hoặc phân định vùng bay cho phép… Về cơ bản, những hệ thống trên đảm bảo thực hiện được nhiều nhất các công việc cần thiết, sẵn sàng tự động điều chỉnh và điều khiển tối ưu với cấu tạo gọn, nhỏ, hiện đại, dễ thay thế.

Avionics và khả năng giảm tải cho phi công

Theo hướng tổng hợp thông tin, chúng ta dùng một màn hình tổng hợp hiển thị không gian 3 chiều, mô phỏng trạng thái của máy bay. Nghĩa là thông tin từ nhiều thiết bị cảm biến được truyền về trung tâm điều khiển trên máy bay dưới dạng tín hiệu, hoặc tín hiệu số (như các tín hiệu về độ cao, vận tốc, các góc lệch, góc tấn, nhiệt độ, áp suất…). Các tín hiệu đó quan hệ với nhau bằng 6 phương trình chuyển động của máy bay trong không gian, mỗi tín hiệu sẽ thay đổi trong mỗi khoảng giá trị nhất định, khoảng giá trị đó có thể hiểu là véctơ một chiều mà số lượng phần tử của véctơ sẽ được xác định tuỳ thuộc vào khả năng xử lý thông tin của máy tính. Trong tổ hợp các tín hiệu mà máy tính nhận được, có nhiều tín hiệu có mối quan hệ nhất định với nhau, nghĩa là hai hoặc nhiều véctơ có mối tương quan lẫn nhau. Khi đó, nhờ các phép biến đổi đồng dạng, máy tính có thể tổng hợp được các cặp tín hiệu, hay nói cách khác sẽ có các cặp véctơ tỉ lệ với nhau và sự thay đổi giá trị tức thời của các tham số theo các giá trị trong mỗi véctơ sẽ có tần suất như nhau. Các cặp véctơ này khi được tổng hợp trong máy tính dưới dạng không gian 3 chiều thì trên màn hình máy tính sẽ hiển thị các khu vực ảo hình khối. Mỗi khu vực sẽ đặc trưng cho khu vực điều khiển hoặc khu vực ổn định, hình khối có thể là hình cầu, hình nón, hình trụ, hình đĩa hoặc hình giẻ quạt tuỳ vào thứ tự biến thiên của các cặp tín hiệu. ở mỗi thời điểm tức thời trong quá trình bay, mỗi thông số bay chỉ nhận một giá trị xác định trong bộ các giá trị của véctơ, khi đó trong không gian 3 chiều sẽ hiển thị tại một vị trí, hiển thị đó có thể được mô phỏng là dấu nhấp nháy (.) hoặc dấu cộng (+). Vị trí của dấu này trong không gian 3D ảo cho phép xác định trạng thái của máy bay, nếu dấu nằm ngoài khu vực điều khiển hoặc khu vực ổn định, máy tính sẽ thông báo để phi công chú ý đến các thông số liên quan và có những thao tác kịp thời. Ngoài ra, khu vực an toàn hoặc mất an toàn còn được chia làm nhiều mức khác nhau, phi công dễ dàng nhận thấy sự sai lệch và có thể dự đoán trước được tình huống sẽ xảy ra. Màn hình hiển thị tổng hợp sẽ thay thế được nhiều thiết bị đồng hồ, thiết bị dẫn đường và kiểm tra, giảm trọng lượng đáng kể cho máy bay và giảm quá tải thông tin cho phi công.

Hướng thứ hai là tự động xác định thứ tự xử lý tình huống. Mỗi hệ thống hay thiết bị đều bao gồm rất nhiều bộ phận và linh kiện. Sự hỏng hóc sai sót có thể xảy ra ngẫu nhiên ở bất kỳ bộ phận, linh kiện nào trong hệ thống, và ở bất kỳ thời điểm nào. Sự hỏng hóc của bộ phận này có thể là nguyên nhân hỏng hóc tiếp theo của bộ phận khác, chính vì thế việc tìm và khắc phục lỗi hỏng hóc trong một thời gian ngắn là rất khó khăn. Trong quá trình khai thác, bảo dưỡng các hệ thống, việc tìm ra các phần tử bị hỏng theo dây chuyền để tiến hành thay thế, sửa chữa phải dựa trên sự phân tích ma trận “0” - “1” từ cây logic (đặc trưng cho mối quan hệ của tất cả các phần tử trong hệ thống). Nghĩa là sau khi phân tích, mỗi thành phần của hệ thống sẽ nằm ở các mức hỏng hóc khác nhau và có thứ tự rõ ràng. Khi nhìn vào sơ đồ phân tích sẽ thấy được mối tương quan giữa các phần tử, cho phép nhận định ra đầu mối bị lỗi và dây chuyền lỗi kéo theo. Dựa vào nguyên lý trên, các khối trong hệ thống và các tham số bay như những phần tử logic của một hệ thống tổng hợp, vị trí của mỗi phần tử được xây dựng trên cơ sở mối quan hệ kỹ thuật và cấp độ quan trọng của phần tử đó trong hệ thống. Máy tính xác định vị trí cũng như cấp độ quan trọng của các phần tử trong bộ nhớ, khi có tín hiệu từ những bộ phận truyền cảm sẽ xuất hiện tín hiệu tương ứng của các phần tử logic trên. Máy tính tự động xác định tính chất và mức độ của các lỗi dựa trên đặc tính đã được xác lập sẵn cho mỗi bộ phận (đại diện là phần tử của mạch logic) và căn cứ vào thứ tự phân cấp độ, máy tính sẽ vạch ra hướng xử lý cụ thể. Ở một vài bộ phận có khả năng tự sửa lỗi khi có lệnh, khi xuất hiện lỗi, máy tính sẽ có tín hiệu tác động ngược trở lại để tiến hành quá trình tự khắc phục lỗi, sau đó thông báo đã sửa xong lỗi và bỏ qua lỗi này. Khi cần có sự tác động của phi công để hiệu chỉnh thì máy tính sẽ vạch ra một sơ đồ các thao tác trên màn hình hoặc báo động đến các đèn báo để hướng dẫn phi công tiến hành xử lý theo trình tự nhất định. Như vậy, máy tính có vai trò như bộ xử lý trung tâm, có thể phân tích đánh giá và đưa ra giải pháp xử lý phù hợp nhất trong thời gian ngắn nhất.

Đây là một trong những sáng kiến dựa trên thực tế trình độ KH&CN hiện đại ngày nay, có sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống trên máy bay. Sáng kiến thành công sẽ giảm sự quá tải cơ bản cho phi công trong quá trình bay, tối ưu hoá được không gian buồng lái và các chức năng điều khiển, đồng thời có thể đánh giá tổng quát về trạng thái của máy bay trong không gian, đem lại hiệu quả to lớn trong khai thác sử dụng và đánh dấu bước tiến mới trong kỹ thuật hàng không.

Hiện nay ở Việt Nam, trong lĩnh vực KH&CN hàng không, việc thiết kế, chế tạo và sản xuất các linh kiện kỹ thuật thuộc Avionics chưa phát triển. Việc nghiên cứu chỉ dựa trên những hệ thống thiết bị cũ, không đáp ứng được nhu cầu thực tế đặt ra. Quá trình cải tạo, nâng cao hoặc sửa chữa chỉ dựa trên việc dùng những linh kiện cũ có sẵn để thay thế, chưa đảm bảo được chất lượng. Do chưa làm chủ được KH&CN trong lĩnh vực này, nên chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu bảo dưỡng và sửa chữa các khối trong hệ thống kỹ thuật hàng không. Hiện nay, chúng ta đang khai thác triệt để những tính năng ưu việt của các thiết bị nhập ngoại, các trang bị kỹ thuật sẵn có trong nước, đồng thời nắm vững các bản vẽ kỹ thuật, bản vẽ chi tiết để có thể kiểm tra, phát hiện những sai sót, hỏng hóc nhằm kịp thời sửa chữa, tiến tới nghiên cứu, chế tạo thiết bị mới, hiện đại (với sự giúp đỡ của nước ngoài về mặt công nghệ) Để đáp ứng yêu cầu tương lai, hướng nghiên cứu, tiếp cận Avionics là cần thiết.

Nguồn: Tạp chí Hoạt động khoa học, 09/2006