نسل جدید سیستم‌های کنترل پرواز شرکت کالینز Perigon

مقدمه ای بر نسل جدید سیستم‌های کنترل پرواز شرکت کالینز Perigon

سازندگان پلتفرم‌های هوایی، از بالگردهای نظامی گرفته تا هواپیماهای مسافری، به دنبال تولید محصولاتی هستند که تنها توسط یک خلبان کنترل و هدایت شوند. به همین دلیل شرکت‌های بزرگ تولیدکننده تجهیزات اویونیک تحت فشار هستند تا با ساخت سیستم‌های کنترل پرواز پیشرفته، به این نیاز صنعت هوایی پاسخ دهند. اوایل بهار سال جاری شرکت بزرگ ‌کالینز با معرفی نسل جدید سیستم کنترل پرواز خود به نام Perigon گامی بلند در جهت رسیدن به پلتفرم‌هایی با تنها یک خلبان برداشت. این سیستم مبتنی بر جدیدترین پردازنده‌های چندهسته‌ای اینتل به نام Atom x6400E خواهد بود.

آقای استیو آوریچ، مدیر ارشد توسعه سیستم کنترل پرواز Perigon در رابطه با این نیاز صنعت و اهداف کالینز در رسیدن به آن می‌گوید: «سازندگان هواپیما و شرکت‌های هواپیمایی در حال حرکت به سمت عملیات‌های تک خلبانی هستند. کالینز به عنوان یکی از پیشتازان صنعت اویونیک دنیا به دنبال ارائه راهکارهایی برای این درخواست است. با این حال نباید فراموش کرد که هواپیماهای امروزی شامل مجموعه گسترده‌ای از سیستم‌های اویونیک به هم پیوسته و حساس بوده که مبتنی بر الکترونیک دیجیتال هستند. سیستم‌های کنترل پرواز امروزی نسبت به نسل‌های گذشته تغییرات زیادی داشته و از لحاظ تعداد ورودی و خروجی‌ها و البته توابع اجرایی بسیار پیشرفت کرده‌اند. پیاده‌سازی اینگونه سیستم‌ها نیازمند قدرت پردازش بالایی است که با نسل قبلی پردازنده‌های تک هسته‌ای امکان‌پذیر نمی‌باشد. امروز ما به کمک پردازنده‌های چندهسته‌ای می‌توانیم توان پردازشی مورد نیاز برای سیستم‌های کنترل پرواز هواپیماهایی با امکان پرواز کاملا خودکار را فراهم کنیم.»

آقای تونی فرانکلین مدیر بخش هوافضای اینتل در رابطه با پردازنده‌های سری Atom X6400E می‌گوید: «این نسل از پردازنده‌های اینتل بیشترین توان پردازشی در هر وات را بین تمام تراشه‌های امروز بازار را دارند. اما این تمام قابلیت‌ تراشه‌های سری Atom X6400E نیست، بلکه ما مجموعه‌ای از ویژگی‌های مرتبط با برنامه‌های اویونیک صنعتی را در آن‌ها در نظر گرفته‌ایم. با توجه به ارتباطی که ما با سازندگان سیستم‌های اویونیک در سرتاسر جهان داریم، نیازمندی‌های صنعت برای آینده پلتفرم‌های هوایی را جمع‌آوری کرده و معماری تراشه را به گونه‌ای طراحی کرده‌ایم که پاسخگوی سرعت پردازشی و قابلیت‌های مورد نیاز در پلتفرم‌های فعلی و آینده باشند.»

حرکت از سیستم‌های مبتنی بر پردازنده‌های تک هسته‌ای به پردازنده‌های چندهسته‌ای (بطور خاص تراشه‌های چهار هسته‌ای) به کالینز امکان ساخت کامپیوترهای کنترل پرواز با قدرت پردازشی تا 20 برابر نسبت به محصولات فعلی شرکت را می‌دهد. با این حال بزرگترین چالش کالینز در ساخت چنین سیستم‌هایی، فرایند‌های صدور گواهینامه برای تایید اجرای چندین تابع  ایمنی‌-بحرانی هواپیما روی یک تراشه است. به عبارتی متخصصان این شرکت باید مقامات صدور گواهینامه را قانع کنند که تمامی توابع و عملکردهای اجرا شده روی تراشه طبق برنامه‌ریزی و بدون تداخل با یکدیگر عمل می‌کنند.

پیچیدگی بالای طراحی و عملکرد سیستم کنترل پرواز Perigon به حدی زیاد است که باعث شده مسئولین کالینز به دنبال دریافت گواهینامه‌های صلاحیت مستقل برای آن نباشند. به عبارت دیگر این سیستم بصورت یک محصول مجزا در دسترس نخواهد بود و مشتری‌ها آن را به عنوان بخشی از هواپیمای خود به مقامات ارائه‌دهنده گواهینامه‌های پروازی معرفی خواهند کرد. بنابراین فرایند تایید این سیستم روی هر پلتفرم بطور مجزا و در جریان دریافت گواهینامه‌های پروازی همان پلتفرم انجام خواهد شد. با این حال کالینز تضمین کرده‌ است که کلیه مستندات طراحی سیستم را در اختیار سازنده قرار خواهد داد تا از آن‌ها برای دریافت گواهینامه هواپیما استفاده شود.

آقای آوریچ در رابطه با انتخاب پردازنده‌های سری Atom X6400E می‌گوید: «اینتل پیشتاز دنیای تراشه‌های نیمه‌هادی است و ما از سالیان گذشته از محصولات این شرکت در سیستم‌های مختلف اویونیک خود استفاده کرده‌ایم. اما با انتخاب پردازنده‌های سری Atom X6400E ارتباط ما با اینتل وارد مرحله جدیدی شده است. در سی سال گذشته ما برای ساخت سیستم‌های کنترل پرواز، نیازی به ورود به جزئیات داخلی تراشه‌های پردازشی نداشتیم و اطلاعات درج شده در دیتاشیت برای استفاده از آن‌ها، نیاز ما را مرتفع می‌کرد. اما امروز ما برای اطمینان از عملکرد محصولاتمان، بحث‌های عمیقی با نمایندگان اینتل داریم. کارشناسان ما نیاز دارند از جزئیات طراحی تراشه مطلع باشند و جنبه‌های مختلف آن را در برنامه‌های نرم‌افزاری خود لحاظ کنند.»

طبق اعلام شرکت کالینز، قرار است نسل جدید سیستم کنترل پرواز Perigon برای اولین بار روی بالگرد DEFIANT X نصب و آزمایش شود. این بالگرد محصول مشترک بوئینگ و سیکورسکی است که بطور ویژه برای پروژه هواگرد تهاجمی برد- بلند آینده (FLRAA^[1]) ارتش ایالات متحده طراحی شده و انتظار می‌رود تا سال 2028 عملیاتی شود. جزئیات طراحی این بالگرد و پروژه FLRAA را می‌توانید در مقاله‌ای با عنوان «بررسی برنامه پلتفرم‌های عمودپرواز آینده وزارت دفاع ایالات متحده» در نسخه …. مجله مطالعه کنید.

شکل 1- بالگرد DEFIANT X، محصول مشترک بوئینگ و سیکورسکی که به عنوان اولین پلتفرم استفاده کننده از سیستم کنترل پرواز Perigon انتخاب شده است.

هر چند پروژه بالگرد DEFIANT X در حال حاضر تنها پلتفرمی است که بطور رسمی استفاده از سیستم Perigon را تایید کرده است، اما مدیران کالینز اعلام کرده‌اند توافق‌های اولیه برای بکارگیری از این کامپیوتر کنترل پرواز در سایر پلتفرم‌های هوایی از جمله یک هواپیمای بال ثابت انجام شده و جزئیات بیشتر تا اواخر امسال ارائه خواهد شد.

هر چند کالینز کاربرد اولیه سیستم Perigon را بالگردهای نظامی در نظر گرفته است، اما مدیران این شرکت تمام هواگردها، از بالگردهای تجاری و هواپیماهای مسافری گرفته تا هواپیماهای جت تجاری و پهپادهای هوشمند را هدف این محصول قرار داده‌اند. در مرحله اول سیستم کنترل پرواز Perigon به عنوان یک خلبان سوم در پلتفرم‌های هوایی عمل خواهد کرد، اما کالینز معتقد است با توجه به قابلیت‌های در نظر گرفته شده برای آن، در نهایت جایگزین شایسته‌ای برای کمک خلبان‌ها خواهد بود.

آقای آوریچ در رابطه با امکان جایگزینی یک سیستم کنترل پرواز با کمک خلبان می‌گوید: «اگر بخواهیم Perigon را جایگزین کمک خلبان کنیم، باید سیستم بصورت کاملا مستقل مانند یک خلبان واقعی تصمیم‌گیری کند. ممکن است خلبان اصلی هواپیما در هنگام فرود هواپیما به هر دلیلی در دسترس نباشد. بنابراین سیستم Perigon باید بلافاصله فعال شده و شرایط باند فرود را بررسی و مانند یک خلبان فکر کرده و تصمیمات صحیح را با سرعت اتخاذ کند. بنابراین سیستم مذکور با کامپیوترهای کنترل پرواز امروزی تفاوت‌های اساسی خواهد داشت. سیستم باید بتواند تشخیص دهد خلبان اصلی در دسترس نیست و بطور خودکار فعال شود. سپس در کنار انجام وظایف ناوبری و هدایت هواپیما، با پرسنل کنترل ترافیک هوایی در ارتباط بوده و حتی تصمیمات هوشمندانه‌ای در رابطه با وضعیت آب‌وهوا و مصرف سوخت اتخاذ کند. بنابراین Perigon با یک سیستم خلبان خودکار تفاوت دارد، چراکه خلبان خودکار فقط در بخش‌هایی از فرایند پرواز که از قبل برنامه‌ریزی شده مورد استفاده قرار می‌گیرد و توجهی به وضعیت آب‌وهوایی و موانع پیش‌رو ندارد. اما سیستم Perigon کلیه اطلاعاتی که خلبان واقعی نیاز دارد را از منابع مختلف دریافت کرده و می‌تواند با الگوریتم‌های پیشرفته، اقدامات مشابهی را در انجام دهد.»

یکی از مهم‌ترین اهداف کالینز در طراحی Perigon، استقلال سخت‌افزار از نوع پلتفرم است. این بدان معناست که سیستم کنترل پرواز می‌تواند بدون تغییرات سخت‌افزاری روی انواع پلتفرم‌های هوایی، از بالگردهای تجاری و نظامی گرفته تا هواپیماهای مسافری و پهپادها نصب و راه‌اندازی شود. همچنین معماری باز سخت‌افزار و نرم‌افزار سیستم به مشتری‌ها این امکان را می‌دهد که بدون مراجعه به تولیدکننده و کمترین دردسر بتوانند سیستم را ارتقاء دهند.

شکل 2- سیستم کنترل پرواز Perigon مجهز به سه کارت پردازنده غیریکسان است که هر کدام دارای سرعت پردازش 1 گیگا هرتز هستند.

یکی دیگر از ویژگی‌های قابل توجه Perigon امکان ایجاد آسان افزونگی (Redundancy) در سیستم کنترل پرواز است. سازنده هواپیما یا بالگرد می‌تواند با فرایندی بسیار آسان و سریع افزونگی دو یا سه را بصورت سخت‌افزاری ایجاد و با پیکره‌بندی‌های ساده، نرم‌افزار را نیز برای این قابلیت آماده کند.

استفاده از پلتفرم نرم‌افزاری LYNX MOSA.ic در سیستم کنترل پرواز Perigon به کالینز و توسعه‌دهندگان هواپیما این امکان را می‌دهد که بتوانند به راحتی نرم‌افزار خود را در کنار نرم‌افزارهای توسعه‌یافته از سوی شرکت‌های ثالث اجرا کنند. بنابراین انحصاری روی نرم‌افزارهای تولید شده برای سیستم وجود نداشته و مشتری‌ها می‌توانند به اختیار خود از محصولات نرم‌افزاری مختلف استفاده کنند. این پلتفرم قابلیت‌های ویژه‌ای برای اجرای مطمئن اپلیکیشن‌های اویونیک ایمنی-بحرانی روی تراشه‌های چندهسته‌ای دارد. ویژگی هایپروایزر در LYNX MOSA.ic به مشتری این امکان را می‌دهد که روی هسته‌های مختلف تراشه، سیستم‌عامل‌های مختلف را اجرا کند. همچنین مشتری می‌تواند با پارتیشن‌بندی‌های کاملا مستقل زمان و منابع روی هسته‌ها، از عدم امکان گسترش خطای یک برنامه به کل سیستم مطمئن شود.

شکل3- معماری LYNX MOSA.ic

در حال حاضر متخصصان کالینز در حال آزمایش شرایط محیطی دستگاه هستند. یک آزمایشگاه پیشرفته شبیه‌سازی‌های کاملی از عملیات دستگاه روی هواپیما را انجام می‌دهد تا مشخص شود آیا سیستم مقاومت لازم در برابر ارتعاش، شوک، ضربه و تغییرات دمایی را دارد یا خیر؟ همچنین در این آزمایش‌ها سیستم زیر بار کامل محاسباتی قرار داده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که حرارت ناشی از پردازش بالای تراشه‌ها، تاثیری در عملکرد آن ندارد. با اتمام این آزمایش‌ها در پایان پاییز سال جاری، سیستم آماده نصب روی هواپیمای واقعی و انجام آزمایش‌های پروازی خواهد شذ.

منابع:

https://www.collinsaerospace.com/what-we-do/Industries/military-and-defense/power-controls-actuation/perigon/

aviationtoday.com

https://verticalmag.com/features/collins-perigon-computer-rotorcraft-brain-power/

https://www.lynx.com/products/lynx-mosaic-modular-development-framework

[1] Future Long-Range Assault Aircraft