Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозы развития гражданской авиации показывают, что среднегодовой прирост пассажирооборота в 90-ые годы составит 5-6% и объем перевозок в мире к 2000 г. значительно возрастет. Хотя темпы роста потребления реактивного топлива будут ниже вследствие непрерывного повышения топливной эффективности воздушных перевозок, на нужды авиации потребуется израсходовать значительное количество нефтяного топлива.
Сокращение мировых запасов нефтяного топлива на фоне устойчивой тенденции роста объема воздушных перевозок вынуждает авиакомпании заново пересматривать концепции экономики воздушного транспорта. В результате повышения цены барреля нефти с 2 долл. в 1960-1972 гг. до 30 долл. и более в 1997 г. топливная эффективность ( наряду с показателями безопасности полетов ) становится самым важным фактором в оценке качества самолетов.
Для разрешения топливной проблемы во всем мире проводятся интенсивные исследования, которые охватывают три основных направления:
-
разведка новых запасов нефти и увеличение располагаемых запасов нефтяного топлива;
-
переход на альтернативные виды топлива;
-
повсеместная экономия топлива на авиационном транспорте.
Расход реактивных топлив составляет менее 6% от общего годового объема добываемой в мире нефти, однако на производство авиатоплива идут наиболее качественные ее сорта. Анализ возможностей различных альтернативных топлив для авиации, проведенный фирмой Boeing, показал, что дальнейшего рассмотрения заслуживаюттолько три вида топлива: синтетическое топливо, получаемое из сланцев и каменного угля, метан и жидкий водород. Наиболее пригодным из них признано синтетическое топиво типа керосина, однако его ближайшее использование остается проблематичным.
Мероприятия по экономии топлива, проводимые в авиакомпаниях, можно подразделить на две группы:
-
модификация авиационной техники;
-
совершенствование эксплуатации летательных аппаратов.
Замена устаревших и шумных самолетов более эффективными требует значительных первоначальных затрат, поэтому в исследовательских центрах, фирмах и авиакомпаниях проводятся обширные работы по совершенствованию имеющейся техники.
Одним из наиболее действенных и перспективных путей снижения расхода топлива является разработка и внедрение в эксплуатацию высокоэффективных автоматических бортовых систем управления. Комплексная автоматизация
бортовых систем на основе вычислительной техники позволяет снизить расход топлива на 2-5%, уменьшить численность летного экипажа, повысить надежность оборудования и снизить расходы на техническое обслуживание самолета.
Совершенствование эксплуатации самолетов имеет существенное значение для решения топливной проблемы. Исследования в этой области охватывают три основных направления:
-
совершенствование технического обслуживания самолетов;
-
совершенствование УВД;
-
совершенствование летной эксплуатации.
Улучшение подготовки самолетов к полетам, совершенствование технического обслуживания планера, двигателей, приборного оборудования и систем самолета может дать от 1 до 2% экономии топлива. Крупнейшим резервом экономии топлива является также совершенствование системы УВД.
Совершенствование летной эксплуатации самолетов в целях энергосбережения может проводиться по нескольким направлениям, среди которых важное место занимают методы оптимального управления полетом. Задача оптимального управления полетом исследуется уже более 50 лет и за это время в данной области предложено множество интересных решений.
В настоящее время проблемы оптимального управления полетом значительно отличаются от тех, которые существовали несколько десятилетий назад. Основными факторами, определяющими эти отличия, являются:
-
существенное повышение требований, предъявляемых к уровню безопасности полетов;
-
автоматизация процесса управления самолетом в результате внедрения цифровых систем оптимального управления;
-
автоматизация процессов УВД и навигации;
-
переход к эксплуатации самолетов с экипажами из двух пилотов. Неучет этих факторов может свести на нет практическую ценность разрабатываемых предложений.
За последние десятилетия существенно изменились и методы исследования режимов оптимального управления полетом. Вместо грубых и весьма приближенных начали преобладать более точные методы математического моделирования. При этом актуальными стали вопросы построения рациональных математических моделей полета, усовершенствования численных алгоритмов идентификации и аппроксимации характеристик самолетов и двигателей.
Несмотря на достигнутый прогресс, постоянный рост цен на энергоносители и увеличение объемов их потребления делают проблему оптимального управления полетом актуальной, заставляя искать новые энергосберегающие методы и средства в летной эксплуатации самолетов. До настоящего времени исследо-
вателями основное внимание уделялось экономии топлива на маршруте. Впервые поставлены и решены задачи комплексной экономии ресурсов на этапах взлета и посадки.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка энергосберегающих методов и средств управления самолетом на этапах взлета и посадки. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Построение достаточно простых математических моделей полета самолета для анализа процесса управления полетом на этапах взлета и посадки;
-
Разработка метода аппроксимации летных характеристик самолета;
-
Синтез оптимального управления транспортным самолетом на этапах взлета и посадки;
-
Разработка средств обеспечения взлета и посадки самолета;
-
Оптимизация процедур управления самолетом при взлете и заходе на посадку, в том числе по критериям экономичности.
На защиту выносится комплекс энергосберегающих методов пилотирования и технических средств управления полетом самолета на этапах взлета и посадки, обеспечивающих существенную экономию ресурсов и высокий уровень безопасности и регулярности полетов:
метод аппроксимации летных характеристик самолета;
оптимальные процедуры управления самолетом на различных этапах взлета и посадки;
оригинальные технические устройства для автоматизированного управления полетом и новые средства обеспечения взлета и посадки самолета.
Методы исследования. Для решения указанных задач применяются аналитические методы, математическое моделирование с использованием персональных компьютеров и натурный эксперимент.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан метод аппроксимации летных характеристик самолетов и эксплуатационных характеристик силовых установок эмпирическими функциями y = F(x, А, В, С);
-
Разработан ряд технических предложений и решений по автоматизации процесса управления и обеспечения взлета и посадки самолета, в том числе:
устройство для управления системой ОВИ из кабины самолета при заходе на посадку;
устройство для сигнализации о занятости ВПП;
электронная карта контрольной проверки;
тележка и измерительная аппаратура для оперативного и точного определения сцепных качеств ВПП;
-
Разработан новый метод управления механизацией крыла на взлете;
-
Разработан способ захода самолета на посадку, предусматривающий выпуск шасси после входа самолета в глиссаду при посадочной конфигурации механизации крыла;
-
Разработаны принципы построения системы, обеспечивающей автоматическую уборку механизации крыла на разбеге (после достижения скорости принятия решения Vi) и в наборе высоты ( с момента начала уборки шасси ).
Практическая ценность научных результатов заключается в рекомендациях по оптимизации процедур управления самолетом на этапах взлета и посадки и разработке ряда технических решений по автоматизации процессов управления и обеспечения полета, которые позволяют снизить расход топлива и обеспечивают экономию других энергоресурсов. Основные результаты и их практическая ценность иллюстрируются данными таблицы No 1.
Практическая ценность. Основные результаты настоящей работы - способ захода самолета на посадку и технические решения для обеспечения взлета и посадки самолета признаны пригодными и приняты к практическому использованию, что подтверждается авторскими свидетельствами и патентами, а также актами опытных проверок ( испытаний ).
Апробация работы. Положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
на V Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов ( Ленинград, ноябрь 1988 г.);
на VI Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов и человеческому фактору в авиации (Ленинград, октябрь 1991 г.);
на I Всероссийской научно-практической конференции по безопасности полетов и государственному регулированию деятельности в гражданской авиации ( Санкт-Петербург, ноябрь 1995 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 16 печатных работ ( из них две на правах рукописи ). Десять работ признаны изобретениями и на них получены 6 авторских свидетельств и 4 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, списка литературы и приложений. Основная часть материала изложена на 124 страницах. Текст содержит 25 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает211 наименований. Приложения содержатся на 43 страницах.
Таблица No 1. Комплекс энергосберегающих методов и средств управления
