Введение к работе
Актуальность темы. Приоритетными направлениями в деятельности гражданской авиации (ГА) в настоящее время остаются безопасность полётов (БП), регулярность выполнения рейсов и экономическая эффективность перевозок. Высокая эффективность эксплуатации и БП неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от качества воздушного судна (ВС), его функциональных систем (ФС) и экипажа, управляющего им. Повышение требований к БП, непрерывное усложнение решаемых системами автоматического управления (САУ) функциональных задач с одновременным ограничением роста затрат на их разработку обуславливает необходимость дальнейшего развития общей системы математического моделирования путём создания и внедрения в практику адекватной математической модели (ММ) эргатической системы "ВС - САУ - Экипаж —Окружающая среда". В этой связи актуальным является разработка новых методов исследования функциональных возможностей такой системы (особенно на взлётно-посадочных режимах) в ожидаемых условиях эксплуатации (ОУЭ) и особых ситуациях (ОС), включая разработку новых методов идентификации параметров и на этой основе синтеза законов управления, физических закономерностей силового взаимодействия управляемого объекта со средой и всеми её проявлениями.
Ввод в эксплуатацию самолётов нового поколения требует пересмотра общей системы математического моделирования динамики управляемого полёта ВС. Достаточно сказать, что широкое использование различных САУ, постоянное расширение их функциональных возможностей, оказывает существенное влияние на собственные характеристики самолёта, характеристики его устойчивости и управляемости, а также оказывает влияние на характер лётной работы. Адекватное моделирование, игнорируя эти особенности, становится невозможным. В решении задач ЛЭ ВС с САУ следует провести оценку влияния техники активного управления на характер лётной работы и возможности ВС. Техника активного управления определяется совокупностью средств, методов и целей управления, влияющих на БП и эффективность ЛЭ ВС. Актуальным является задача дальнейшего повышения уровня безопасности полетов (УБП) самолетов, использующих технику активного управления, расширение диапазона их ЛЭ.
Качество самолёта характеризуется тремя основными свойствами: 1.' Устойчивость,
-
Управляемость и манёвренность,
-
Надёжность планера, двигателей и безотказная работа ФС, включая САУ.
В адекватной оценке первых двух свойств решающее значение приобретает учёт функциональных возможностей САУ и экипажа, как основного звена контура управления полётом.
Качество экипажа определяется его теоретической и практической подготовкой, по-ниманием динамики движения самолёта в различных ситуациях, знанием соответствующих инструкций по лётной эксплуатации (ЛЭ) и умением грамотно эксплуатировать САУ на основе оптим&тьного использования ресурсов кабины.
Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и БП летательных аппаратов тесно связаны между собой, то для обеспечения хороших показателей этих качеств необходимы методы как теоретических, так и экспериментальных исследований взаимно дополняют друг друга. Все трудности в изучении и понимании этих проблем вытекают из большого числа параметров и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полёта, режимы работы САУ и действий экипажа в конкретной ситуации. Поэтому в некоторых случаях полёта из-за ошибок в пилотировании и ошибок в эксплуатации САУ возможно попадание самолёта на критические режимы полёта, которые могут усугубляться сложными метеоусловиями, отказами ФС самолёта, недостатками эффективности рулевых поверхностей и т.д. Это всё приводит к дополнительным трудностям в эксплуатации самолёта, к снижению его лётно-технических характеристик (ЛТХ) и УБП.
Современные методы исследования движения самолёта, оснащённого САУ, на всех этапах полёта базируются на системном подходе к проблеме обеспечения БП, который позволяет рассматривать и прослеживать большое число условий, связей и факторов, влияющих на возникновение, ход и исход особых ситуаций полёта. Системное представление достигается построением единой модели изучаемых явлений и системной организацией исследований. Системная организация означает непрерывное планирование и управление разработкой проблемы БП на всех этапах полёта с применением современных методов.
Основными направлениями исследований указанных проблем в настоящее время является лётный эксперимент, исследования в аэродинамических трубах и математические средства, включающие аналитические методы, моделирование на ЭВМ и пилотажных стендах. Здесь важен системный подход, предполагающий комплексное решение задачи:
определение стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик (АХ) самолёта и его органов аэродинамического управления;
разработка методов комплексного исследования систем автоматического управления в различных условиях эксплуатации;
математическое моделирование динамики движения самолёта, управляемого экипажем и/или автоматическими системами;
лётный эксперимент.
Математическое моделирование управляемого полёта самолёта является венцом всех аэродинамических и конструкторских решении и позволяет до начала лётных испытаний (ЛИ), в процессе их проведения и по окончании в ходе эксплуатации самолёта проводить исследования поведения самолёта в различных условиях эксплуатации, работоспособности его ФС на всех возможных режимах. Хотя теоретические основы построения и применения математического моделирования движения ВС различного типа всё ещё находятся в стадии разработки и становления, тем не менее, как уже показывает практика, математическое моделирование полёта самолёта является наиболее перспективным методом определения его характеристик.
Успешное создание ММ управляемого движения самолётов различного типа невозможно без хорошо организованного системного анализа методов, развиваемых в базовых науках (аэродинамике, динамике полёта, теоретической механике, теории автоматического управления, теории упругости) и позволяющих последовательно, в зависимости от заданного аргумента определять все кинематические параметры движения и величину управляющих сигналов от экипажа и/или автоматических систем. Однако такой общий подход к проблеме математического моделирования делает задачу довольно сложной и трудно обозримой, т.к. поставленная задача имеет большую размерность по количеству параметром объекта (самолёта, систем автоматического управления, окружающей среды и т.д.), режимов полёта и исходных данных. Тем не менее, решение именно такой большой и сложной задачи позволяет иметь достаточную гарантию её адекватности, которая может быть проверена и уточнена по результатам ЛИ.
В настоящее время во многих организациях ГА и МАП разработаны с теми или иными допущениями полные математические модели самолёта, включающие модель работы САУ, демпферов и модель управляющих воздействий лётчика. Характерным для большинства этих работ является трудность замыкания общих уравнений движения самолёта, которые преодолеваются путём задания законов управления и дополнительных соотношений, полученных из эксперимента. Дополнительные трудности возникают в связи с разработкой и внедрением на современных самолётах различных многофункциональных систем автоматического управления. Это оставляет проблему создания адекватных ММ управляемого движения самолётов по-прежнему открытой и одной из основных.
К настоящему времени уже опубликовано достаточно много материалов, посвященных решению частных задач движения ВС в нормальных и сложных условиях взлёта и
посадки, управляемых человеком или САУ. В этом направлении успешно работают многие научные коллективы, как в России, так и за рубежом, среди которых следует отметить школу профессора Белоцерковского СМ. (ВВИА им. Н.Е. Жуковского), школу профессора Тотиашвили Л.Г. (РАУ, РО ГОСНИИ ГА), школу профессора Ципенко В.Г. (МГТУ ГА), школу профессора Колесникова Г.А. (МАИ). Серьёзные работы ведутся научными коллективами, возглавляемыми: Страдомским О.Ю. (ГОСНИИ ГА), Бюшгенсем Г.С. (ЦАГИ), Егоровым В.И. и Муравьёвым Г.Г. (АК им. СВ. Ильюшина), Кащеевым А.Б. (АК им. А.Н. Туполева), Кербер О.Б. (МИЭА), Мееровичем Г.А. (ЛИИ), Касьяновым В.А. и Ударцевым Е.П. (КГТУ ГА).
В тоже время, ввод в эксплуатацию самолётов нового поколения, использующих технику активного управления, требует комплексного решения задач математического моделирования функционирования сложных человеко-машинных систем в нормальных и особых условиях полёта. В этой связи актуальным является разработкой новых методов идентификации параметров и синтеза законов управления, математическое моделирование аномальных атмосферных явлений и анализ их влияния на динамику управляемого полёта, адекватное моделирование действий экипажа и работы автоматических систем управления в различных условиях полёта, включая отказы функциональных систем управления и ошибки экипажа.
Недостаточное количество на сегодняшний день надёжных и адекватных результатов по данным вопросам во многом объясняется следующим:
отсутствием надёжных методов идентификации параметров и на этой основе синтеза законов управления;
отсутствием адекватной математической модели эффективного функционирования системы "Экипаж - САУ" в различных условиях эксплуатации и особых ситуациях;
отсутствием достаточного количества теоретических методов анализа и синтеза аномальных атмосферных условий и их влияния на АХ и динамику управляемого полёта самолёта, использующего технику активного управления.
Кроме этого, следует учитывать постоянное совершенствование и расширение функциональных возможностей САУ, направленных на реализацию принципа адаптивного управления, развивающегося на стыке методов идентификации параметров и синтезе законов управления, которые должны быть отражены в комплексных ММ динамики управляемого полёта.
Подводя итоги анализа недостатков существующих методов исследования повышения эффективности лётного эксперимента и уровня БП самолётов, управляемых лётчиком
-7-и/или автоматическими системами, в различных условиях эксплуатации, можно заключить, что они не позволяют в полной мере реализовать все преимущества математического моделирования управляемого движения самолета и требуют совершенствования, что и нашло отражение в рассматриваемой диссертационной работе.
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в Рижском авиационном университете (РАУ), Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) и Егорьевском авиационном техническом колледже гражданской авиации (ЕАТК ГА) в период 1987 -2000 гг.
Ниже приводится краткая характеристика целей, задач, основных результатов диссертационной работы и её содержание.
Цель работы и задачи исследования. Работа посвящена решению имеющей важное в гражданской авиации значение проблемы повышения эффективности лётной эксплуатации и уровня БП самолётов, оснащённых различными САУ, в ОУЭ и ОС полёта, путём разработки новых методов идентификации параметров и комплексного математического моделирования управляемого полёта.
Эффективное использование техники активного управления и решение задач идентификации не возможно без знаний нестационарных характеристик органов аэродинамического управления. В этой связи диссертационная работа направлена на разработку теоретических и экспериментальных методов определения и учёта в ММ нестационарных АХ рулевых поверхностей самолёта и оценку их влияния на динамику управляемого полёта.
Работа посвящена дальнейшему развитию общей системы математического моделирования и направлена на повышение адекватности и качества функционирования эргати-ческой системы "Летательный аппарат - Бортовые вычислительные системы - Экипаж (оператор)- Окружающая среда - Силовое взаимодействие".
Решение указанных проблем позволяет существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств самолёта (в том числе создаваемых искусственным путём) в сложных условиях взлёта и посадки при сохранении или уменьшении объёма ЛИ, до проведения ЛИ давать рекомендации по обеспечению безопасности и регулярности полётов, расширению лётных ограничений и делать заключения по соответствіпо типа или конкретного экземпляра самолёта нормам лётной годности.
Главными задачами работы являлись:
- анализ проблем и путей решения вопроса эффективного функционирования системы "Экипаж - САУ";
разработка и анализ общей системы математического моделирования управляемого движения самолета, использующего технику активного управления;
разработка совокупности методов экспериментального определения и учёта в системе математического моделирования нестационарных АХ рулевых поверхностей самолета, включая эрсдитарность;
исследование особенностей в формировании нестационарных аэродинамических сил и моментов при квазиступенчатых отклонениях рулевых поверхностей;
исследование влияния нестационарных АХ рулевых поверхностей на динамику управляемого полёта ВС с САУ;
расширение ММ управляющих воздействий, путём включения в контур управления моделей автоматической системы штурвального управления (АСШУ) и вычислительной системы управления полётом (ВСУП), включая модель привода рулевых поверхностей;
исследование поведения АСШУ и ВСУП на различных режимах работы и в различных условия эксплуатации с целью оценки их эффективности и определения путей совершенствования;
разработка ММ действий экипажа, как основного звена эргатической системы "Экипаж - САУ";
разработка ММ атмосферных явлений повышенной опасности и оценка их влияния на аэродинамические и динамические характеристики самолёта и его системы автоматического управления (прямая задача) и разработка метода восстановления картины атмосферных возмущений по известным параметрам движения (обратная задача).
Основная идея диссертационной работы состоит в разработке полного, универсального математического комплекса как наиболее дешёвого и доступного средства, позволяющего проводить исследования действий экипажа, самолёта и его систем автоматического управления в широком диапазоне эксплуатационных факторов, а также решать обратные задачи динамики полёта по восстановлению атмосферных возмущений различного типа. Дорогостоящие лётные эксперименты в этом случае используются только для контроля расчётных результатов, подтверждения их достоверности и точности.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий методы численных решений интегральных и дифференциальных уравнений, теории функций и функционального анализа, матричной алгебры и методы экспериментального определения и исследования нестационарных АХ рулевых поверхностей самолёта.
-9-Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Поставлена и решена задача оценки эффективного функционирования эргатиче-ской системы "Экипаж - САУ";
-
Поставлена и решена задача экспериментального определения и учёта в ММ динамики управляемого полёта нестационарных АХ рулевых поверхностей, включая эреднтарность (влияние предыстории);
-
На основании разработанной методики аэродинамических исследований с использованием специальной модели самолёта с управляемыми закрылками и рулём высоты, проведены комплексные исследования по определению стационарных и нестационарных АХ рулевых поверхностей;
-
На основании экспериментальных данных определены основные закономерности в формировании нестационарных АХ рулевых поверхностей и определено запаздывание в формировании аэродинамических сил и моментов от отклонения закрылков и руля высоты модели самолёта;
-
Определены разностные ступенчатые переходные функции, позволяющие представить в ММ нестационарные АХ рулевых поверхностей в интегральной форме и учесть эреднтарность;
-
Поставлена и решена задача реализации ММ комплексных управляющих воздействий системы "Экипаж - САУ";
-
Разработан тренажёрный вариант ММ путём расширения функциональных возможностей ММ системы "экипажа - САУ" за счёт добавления в контур управляющих воздействий сигналов от реального лётчика (оператора) в диалоговом режиме;
-
Разработаны ММ атмосферных явлений повышенной опасности и проведена оценка их влияния на АХ и динамические характеристики самолёта, использующего технику активного управления, с выработкой рекомендаций по технике пилотирования.
Достоверность результатов исследований. С использованием ММ автором проводились исследования по оценке влияния эксплуагациопньгх факторов на характеристики взлета, посадки и ухода на второй круг самолетов Ту-134, Ту-154, Ту-204, Ил-62, Ил-86, Ил-96-300, Ил-114 и Як-42. На основании моделирования результатов ЛИ перечисленных типов самолетов проводилась также оценка адекватности ММ применительно к конкретному экземпляру самолета. Сравнительный анализ ЛИ и математического моделирования показал, что модель полно и с высокой степенью достоверности позволяет моделировать конкретные задачи динамики управляемого полета в различных условиях эксплуатации. Исследования в этом направлении показали, что степень адекватности модели, в основ-
-10-пом, определяется полнотой и способом представления используемых характеристик кон кретного моделируемого объекта (включая нестационарные АХ), полнотой и точности воспроизведения условий полета и действий экипажа. Положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование и рекомендации по применению комплексного подхо
да в решении прямых и обратных задач динамики управляемого полёта с разработ
кой моделей совместной работы человека и автоматических систем управления і
нормальных и сложных условиях эксплуатации для оценки эффективности ЛЭ \
уровня БП;
методика и результаты экспериментального определения нестационарных АХ рулевых поверхностей самолёта; методика определения разностных ступенчатых переходных функций;
алгоритм учёта нестационарности в формировании аэродинамических сил и моментов от перемещений рулевых поверхностей самолёта в ММ управляемого полёта самолёта, использующего технику активного управления, и оценка её влияния на параметры движения;
анализ эффективности работы алгоритмов АСШУ и ВСУП на различных режимах и в различных условиях эксплуатации;
модель управляющих воздействий экипажа, сценарий вычислительного эксперимента;
алгоритм учёта и оценка влияния ливневых осадков на АХ и динамику управляемого полета самолёта с САУ;
алгоритм учёта и оценка влияния кольцевого вихря на АХ и динамику управляемого полёта самолёта, использующего технику активного управления;
алгоритм решения обратной задачи динамики полёта по восстановлению атмосферных воздействий в виде дождя и ветра;
оценка адекватности ММ по результатам специальных ЛИ.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные теоретические и экспериментальные методы применительно к системе комплексного математического моделирования управляемого движения ЛА позволяют обеспечить дальнейшее развитие и совершенствование общей системы математического моделирование динамики управляемого полёта за счёт:
1. Разработки комплексной методики экспериментального определения и учёта в ММ нестационарных АХ рулевых поверхностей самолёта, включая эредитар-ность;
-
Разработки полной универсальной ММ комплексных управляющих воздействий системы "Экипаж - СЛУ" с учётом выявленных особенностей её эффективного функционирования;
-
Исследовать особенности ЛЭ ЛА и их САУ в ОУЭ и ОС полёта, с учётом нестационарных АХ рулевых поверхностей и управляющих воздействий экипажа;
-
Выполнять работы по анализу эффективности и совершенствованию САУ;
-
Проводить исследования по разработке новых способов пилотирования (включая использование техники активного управления) при моделировании полёта в нормальных и аномальных атмосферных условиях;
-
Обеспечить высокую экономическую эффективность за счет сокращения объёма ЛИ;
-
Проводить анализ особых условий эксплуатации ЛА, оснащённых АСШУ и ВСУП, на взлёте и посадке, которые выходят за рамки разрешённых, с целью разработки атласа предельных эксплуатационных возможностей самолёта;
-
Решать задачи эффективности и оптимизации режимов полёта летательных аппаратов для получения дополнительной информации к существующим Руководствам по лётной эксплуатации (РЛЭ) и выработки первой редакции новых РЛЭ перспективных летательных аппаратов, с последующим уточнением результатами ЛИ;'
-
Давать рекомендации при разработке и совершенствованию Норм лётной годности самолётов (НЛГС) как вновь создаваемых ЛА, так и находящихся в эксплуатации;
-
Проводить предупреждения и расследования авиационных происшествий (АП) и предпосылок (ПАП) к ним с помощью решения обратных задач динамики полёта и на этой основе обосновать рекомендации по обеспечению БП ЛА различного типа;
-
Разрабатывать рекомендации и предложения по пилотированию ЛА в сложных метеоусловиях, включая атмосферные явления повышенной опасности.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы систематизированы и обобщены в виде графиков, методик аэродинамических исследований и учёта нестационарности в аэродинамических силах и моментах в ММ динамики управляемого полета самолёта, оснащённого САУ, алгоритмов функционирования автоматических систем управления и управляющих действий экипажа, алгоритмов аномальных атмосферных явлений и методик учёта их влияния на динамику управляемого полёта самолёта. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, имеют научное и учебно-
-12-методическое значение, что подтверждается их использованием и внедрением в НИР учебный процесс на кафедре "Аэродинамика, конструкция и прочность летательных апп ратов" (АКПЛА) Московского государственного технического университета гражданскс авиации (МГТУ ГА), на кафедре №15 ВВИА им. Н.Е. Жуковского, в Ульяновском вые шем авиационном училище гражданской авиации (УВАУГА) для подготовки лётного а става и эксплуатации самолёта Ту-204 (по результатам НИР с Глав. НТУ ФАС) в виде ра; работки ММ самолёта, оснащённого АСШУ и ВСУП, включающей алгоритм учёта нестг ционарных АХ рулевых поверхностей, и компьютерной программы переподготовки лёт ного состава на самолёт Ту-204. Результаты диссертационной работы приняты к внедре нию в производственную деятельность ОАО "Аэрофлот - Российские Международны! Авиалинии" в виде предложений по повышению эффективности функционирования сие темы "Экипаж - САУ" и предложении по совершенствованию РЛЭ ВС на этапах взлёта і посадки.
Апробация работы. Диссертационная работа одобрена на расширенном научно-техническом семинаре на кафедре АКПЛА МГТУГА.
Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полётов (Рига, 1985 г.), IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полётов (Ленинград, 1985 г.). Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов (Рига, 1986 г.). Международной научно-технической конференции "Наука и техника гражданской авиации на современном этапе" (Москва, 1994 г, 1996 г.), 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по безопасности полетов и государственному регулированию деятельности в гражданской авиации (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международной научно-технической конференции "Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники" (Егорьевск, 1995, 1997 г.), 5-ой международной конференции "Aircraft and helicopter's diagnostics AIRDIAG'97" (Польша, Варшава, 1997 г.), Пятом Международном совещании - семинаре "Инженерно - физические проблемы новой техники" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г.), Международной конференции "AVIATION RELIABILITY (AviaRel'99)" (Латвия, Рига, 1999 г.), Третьей Международной научно-технический конференции "Чкаловские чтения. Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники". (Егорьевск, ЕАТК ГА, 1999 г.), IX Международном симпозиуме "Методы дискретных особенностей в задачах математической физики МДОЗМФ-2000" (Орёл, 2000 г.).
Публикация. По материалам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работ, включая авторские свидетельства на изобретения и отчёты по научно-исследовательской работе, в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Структура и обьём диссертационной работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 403 страницах машинописного текста, всего работа содержит 120 рисунков, 19 таблиц и 132 библиографических названий (из них 14 на английском языке), общий объём работы 420 страницы.
