Введение к работе
Актуальность темы. В работе представлен основанный на математическом моделировании метод решения задач летной эксплуатации (ЛЭ) воздушных судов (ВС) нового поколения в условиях комплексного воздействия атмосферных явлений повышенной опасности (АЯПО).
Одной из важнейших задач, стоящих перед гражданской авиацией (ГА) в настоящее время, является повышение уровня безопасности полетов (БП) и эффективности авиаперевозок. Одним из путей решения этой задачи является ввод в эксплуатацию самолетов нового поколения и подготовка экипажей к их эксплуатации.
Современные магистральные самолеты отличаются высокой степенью автоматизации процессов управления полётом. Кроме решения традиционных задач автоматического управления (стабилизация заданной высоты полёта, автоматическая посадка, уход на второй круг и т. п.), системы автоматического управления (САУ) изменяют собственные характеристики устойчивости и управляемости самолёта, влияют на характеристики штурвального управления и пилотирования ВС. Дальнейшее повышение уровня БП и расширение эксплуатационных ограничений таких самолётов зависит от надёжности САУ и умения экипажей грамотно эксплуатировать ВС в ожидаемых условиях эксплуатации и особых ситуациях полёта. В этой связи актуальной является задача исследования комплексного влияния АЯПО на динамику управляемого движения ВС нового поколения и разработка методов решения задач ЛЭ в этих условиях.
Высокая эффективность и БП неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от особенностей функционирования полиэргатической системы «экипаж - ВС — внешняя среда».
Функционирование экипажа определяется качеством его теоретической и практической подготовки, пониманием динамики движения ВС в различньж ситуациях, знанием соответствующих нормативных документов по ЛЭ ВС и умением грамотно эксплуатировать его функциональные системы, включая САУ.
Поскольку характеристики устойчивости, управляемости ВС и БП тесно связаны между собой, то для обеспечения оптимального сочетания этих, часто противоречивых требований, необходимо применение как теоретических, так и экспериментальных методов исследований, которые 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 вычислительных систем управления полётом и Д^Е^№|/№Н№АЛКЧДОгфй ситуации.
1 БИБЛИОТЕКА !
Поэтому в некоторых случаях полёта из-за ошибок в пилотировании и ошибок в эксплуатации САУ возможен выход самолёта на критические режимы полета, которые могут усугубляться сложными метеоусловиями, отказами функциональных систем самолета, недостаточной эффективностью рулевых поверхностей и т. д. Это всё приводит к дополнительным трудностям в эксплуатации самолёта, к ухудшению его летных характеристик (ЛХ) и снижению уровня БП.
Наиболее сложным и ответственным с точки зрения обеспечения БП самолетов, (в том числе оснащенных САУ), являются такие этапы полета, как взлёт, заход на посадку и посадка.
Необходимость решения указанных и многих других вопросов делает задачу исследования движения самолёта на взлёте и посадке в ожидаемых условиях эксплуатации и особых ситуациях полёта весьма актуальной.
В настоящее время многие самолёты оснащены автоматическими системами улучшения устойчивости и управляемости, работа которьж изменяет собственные характеристики самолёта. В связи с этим возникает необходимость исследования поведения таких систем (особенно на взлётно-посадочных режимах) в различных условиях эксплуатации с учётом физических закономерностей силового взаимодействия ВС с окружающей средой.
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 особьж 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 современньж методов.
Основными направлениями исследований указанных проблем в настоящее время является лётный эксперимент, исследования в аэродинамических трубах и математические средства, включающие аналитические методы и моделирование на ЭВМ и пилотажных тренажерах. Здесь важен системный подход, предполагающий комплексное решение задачи:
разработка методов и средств исследования эффективности функционирования полиэргатической системы «самолёт - САУ - экипаж - АЯПО»;
математическое моделирование динамики управляемого движения самолёта;
лётный эксперимент.
Математическое моделирование динамики управляемого полета самолёта является наиболее перспективным методом решения указанных задач
В настоящее время во многих организациях разработаны с теми или иными допущениями математические модели (ММ) самолета, включающие модель работы САУ, демпферов и модель управляющих воздействий экипажа В этом направлении можно отметить успешные работы научных коллективов, работавших под руководством Л Г. Тотиашвили (РКИИГА), СМ Белоцерковского (ВВИА им. Н.Е.Жуковского), ГС Бюшгенса (ЦАГИ), В Г. Смыкова и А К Иванико (ГосНИИГА), И А. Белова, С А Исаева, В Е Чепиги и АЛ Микинелова (Академия ГА), ВФ.Рощина, В Г Ципенко (МГТУГА), ВА Касьянова (ЬСНИГА), ЮА. Рыжова (МАИ), ГА. Миеровича (ЛИИ), ГГ. Муравьева и ВИ Егорова (ММЗ им. С В Ильюшина) и многих других
Особое место занимают работы Л Г. Тотиашвили, ИЕ. Бурдуна, А.В.Гре-бенкина, В А Санникова, С А Исаева, В Г. Ципенко, МС Кубланова, Г.Н. Боярского, ЕП Ударцева, П С. Лазнюка, О Ю. Страдомского, ГС. Егорова, Л. К. Фиц-нера, ВС Савина, ЕМ Моисеева, ВВ. Сушко, В В Ломовского, В М. Супруна, В В Пухова, В А Леонова, В П. Сурина, ГС. Пуминовой, ЮИ Матвеева, АС Опары, АЛ. Микинелова, Н.Ф. Юши, ЮБ Кулифеева, В И Морозова, В Ф Брагазина, ДА. Феногенова, А В. Шишмарева, Г.Е. Бина и других, отечественных и зарубежных ученых.
Характерным для большинства этих работ является трудность замыкания общих уравнений движения самолета, которые преодолеваются путем задания законов управления и дополнительных соотношений, полученных из эксперимента. Дополнительные трудности возникают в связи с использованием математических моделей для решения задач ЛЭ ВС нового поколения в условиях комплексного воздействия АЯПО Это оставляет проблему создания и практического использования адекватных математических моделей 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 условиях взлета и посадки, но мало публикаций, касающихся особых ситуаций при взлете и посадке В этой связи актуальным является разработка математических моделей АЛЛО и анализ их комплексного влияния на динамику управляемого полета, адекватное моделирование действий членов экипажа и работы САУ в различных условиях полёта, включая отказы функциональных систем управления и ошибки экипажа.
6 Недостаточное количество на сегодняшний день результатов исследований по данным вопросам во многом объясняется отсутствием комплексного подхода к решению задач динамики управляемого полёта и обусловлены:
недостаточным исследованием при математическом моделировании взаимодействия членов экипажа с САУ в ожидаемых условиях эксплуатации и особых ситуациях полёта;
отсутствием теоретических методов анализа и синтеза АЯПО и оценки их комплексного влияния на динамику управляемого полёта в решении задач ЛЭ;
постоянным совершенствованием и расширением функциональных возможностей различных САУ, которые должны быть отражены в комплексных математических моделях динамики управляемого полёта.
Подводя итоги анализа недостатков существующих методов исследования повышения эффективности ЛЭ и уровня БП самолетов, управляемых пилотом и/или автоматическими системами, в различных условиях эксплуатации, можно заключить, что они не позволяют в полной мере реализовать все преимущества математического моделирования управляемого движения самолёта в решении задач ЛЭ и требуют совершенствования, что и нашло отражение в рассматриваемой диссертационной работе.
Таким образом, в предлагаемой работе методами математического моделирования решается проблема повышения эффективности эксплуатации и уровня БП ВС нового поколения, оснащённых САУ, в условиях комплексного воздействия А-ЯТТО. Создание нового метода исследований позволяет существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств самолёта (в том числе создаваемых искусственным путём) в сложных условиях взлёта и посадки, и расширить круг решаемых задач, направленных на повышение уровня безопасности полётов и эффективности функционирования системы «экипаж - САУ».
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в Ульяновском высшем авиационном училище ГА в 2001 - 2004 годах.
Ниже приводится краткая характеристика целей, задач, основных результатов диссертационной работы и её содержание.
Целью работы является разработка метода решения задач ЛЭ ВС нового поколения в ожидаемых условиях эксплуатации и особых ситуациях полёта с использованием математической модели динамики пространственного движения магистрального самолёта, оснащённого автоматическими системами штурвального управления (АСШУ) и вычислительными системами управления полётом (ВСУП).
В работе рассматриваются особые ситуации полета, связанные с попаданием ВС в условия комплексного воздействия АЯПО В качестве АЯПО предлагается математическая модель (ММ) комплексного влияния атмосферньж возмущений в виде поля скоростей, индуцируемого подвижным кольцевым вихрем, и ливневых осадков переменной интенсивности с учетом соответствующего их влияния на дальность видимости и состояние ВПП
Предлагаемый метод включает разработку модели полетной ситуации, ее анализа, принятия решений и действий экипажа Синтез полетной ситуации и действий экипажа включает описание характерных событий полета, критерии их распознавания с учетом психофизиологических возможностей человека и формирование задач пилотирования на различных этапах полета с учетом особенностей восприятия наблюдаемых параметров движения
Характерные особенности предлагаемого метода исследования заключаются в реализации модели многоканальности управления по принципам форсированного управления всеми органами управления и тягой двигателей с возможными переходами от автоматического к штурвальному управлению Метод позволяет проводить исследования в ожидаемых условиях эксплуатации, включающих комплексное воздействие поля скоростей ветра, индуцируемого подвижным кольцевым вихрем, и ливневых осадков переменной интенсивности, а также с учетом возможного влияния отказов функциональных систем ВС на различных этапах полета. Все управляющие воздействия моделируются с учетом работы соответствующих звеньев бортовых вычислителей параметров полета и рулевых приводов Метод позволяет проводить исследования работоспособности и эффективности САУ, осуществлять анализ и синтез различных законов автоматического управления и способов пилотирования ВС непрерывно на всех этапах полета, включая пилотирование с учетом различного психофизиологического состояния экипажа в условиях ограниченной видимости и пилотирования по сигналам курсоглиссаднои системы с перс-ходом от автоматического к штурвальному режиму управления Метод основан на формировании блока полетных ситуаций и действий экипажа
Самостоятельный интерес представляет математическое моделирование АЯПО и оценка их комплексного воздействия на динамику управляемого движения ВС с выработкой рекомендаций по технике пилотирования в этих условиях, с учетом возможных отказов в работе функциональных систем и переходов от режимов автоматического управления к ручному (штурвальному) В качестве АЯПО рассматриваются взаимодействия ливневых осадков и различных вихревых явлений в нижних слоях атмосферы
Главные задачи работы: .
1. Разработка метода решения задач ЛЭ ВС нового поколения, включающего:
математическую модель ливневых осадков в поле скоростей подвижного кольцевого вихря;
оценку влияния комплексного воздействия ливневых осадков и поля скоростей подвижного кольцевого вихря на характеристики самолёта;
формирование блоков полётной ситуации и действий экипажа в условиях комплексного проявления АЯПО;
решение задач идентификации параметров движения и действий экипажа по данным М СРП.
-
Разработка алгоритмов автоматического управления средствами аэродинамического торможения на пробеге применительно к самолёту Ту-204.
-
Математическое моделирование посадки самолёта типа Ту-204 в условиях ограниченной видимости на ВПП, покрытой слоем осадков, вызванных комплексным воздействием дождя и подвижного кольцевого вихря.
Основная идея диссертационной работы состоит в том, что в решении задач динамики управляемого движения ВС, оценке их ЛХ, а также в решении задач эффективного функционирования системы «экипаж - САУ» необходимы адекватное представление различных атмосферных явлений с учётом их взаимного влияния, разработка блоков формирования полётной ситуации и действий экипажа на основе комплексного математического моделирования как наиболее дешёвого и доступного средства.
Методы исследования. В качестве методов исследования в работе использовался широкий спектр методов математического моделирования динамики полета: идентификации и оценки адекватности ММ, оптимизации и интерполяции, разностные методы решения дифференциальных уравнений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель подвижного кольцевого вихря и установлена связь интенсивности ливневых осадков с полем скоростей, обусловленным данным вихревым явлением;
разработана методика формирования блоков полётной ситуации и действий экипажа в условиях комплексного воздействия АЯПО;
с использованием предложенной методики формирования блоков полётной ситуации и действий экипажа решена задача идентификации параметров движения ВС по данным МСРП;
разработаны алгоритмы автоматического управления средствами аэродинамического торможения на пробеге в условиях комплексного воздействия АЯПО,
установлена связь ветрового режима, интенсивности дождя, дальности видимости и состояния ВПП;
выполнено математическое моделирование посадки самолёта типа ТУ-204 в условиях комплексного воздействия дождя и подвижного кольцевого вихря на ВПП, покрытой слоем осадков.
Достоверность результатов исследований. С использованием предложенного автором метода формирования блоков полётной ситуации и действий экипажа проведена оценка достоверности результатов математического моделирования применительно к самолету Ту-204.
На основании оцифрованных данных МСРП был выполнен анализ параметров движения ВС и действий экипажа на посадке и уходе на второй круг с имитацией отказа двигателя. Результаты анализа параметров движения легли в основу блоков формирования полётных ситуаций и действий экипажа на этапах посадки и ухода на второй круг, включающих выявленные характерные события, процедуры и задачи пилотирования. Оценка адекватности математической модели выполнена методом сравнения данных МСРП с данными расчёта.
Положения, выносимые на защиту:
метод решения задач ЛЭ ВС нового поколения в условиях комплексного воздействия АЯПО, включающий формирование блоков полётной ситуации и действий экипажа;
идентификация параметров движения ВС и действий экипажа по данным МСРП;
алгоритмы автоматического управления средствами аэродинамического торможения;
математическая модель подвижного кольцевого вихря в условиях ливневых осадков;
результаты математического моделирования посадки самолёта типа ТУ-204 в условиях комплексного воздействия дождя и подвижного кольцевого вихря на ВПП, покрытую слоем осадков.
Практическая ценность работы состоит в следующем: 1. Разработан метод решения задач ЛЭ ВС нового поколения в условиях комплексного воздействия АЯПО с использованием разработанных автором блоков полётной ситуации и действий экипажа.
-
Разработана математическая модель ливневых осадков в поле скоростей подвижного кольцевого вихря и сдвига ветра, заданного профиля но заданному аргументу.
-
С использованием разработанных блоков полетной ситуации и действий экипажа решена задача идентификации параметров движения ВС в сложных метеоусловиях с оценкой действий экипажа по данным МСРП.
-
Разработаны и исследованы три новых алгоритма автоматического управления средствами аэродинамического торможения на пробеге.
5 Выполнено математическое моделирование посадки самолёта типа Ту-204 в условиях комплексного воздействия дождя и подвижного кольцевого вихря на ВГ01, покрытую слоем осадков.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы систематизированы и обобщены в виде графиков, алгоритмов функционирования автоматических систем управления и управляющих действий экипажа, алгоритмов атмосферных явлений повышенной опасности и методики учета их влияния на динамику управляемого полета самолёта в решении задач ЛЭ. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, имеют научное и учебно-методическое значение, что подтверждается их использованием и внедрением в НИР и учебный процесс в высших учебных заведениях ГА.
Апробация работы. Диссертационная работа одобрена на расширенном заседании кафедры безопасности полетов Ульяновского высшего авиационного училища ГА и на расширенном заседании кафедры летной эксплуатации и профессиональной подготовки авиационного персонала Академии ГА (г. Санкт-Петербург).
Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на IV Международной научно-технической конференции «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (Егорьевск, ЕАТК ГА им. В П. Чкалова, 2002 г), II Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения», посвященной 100-летию со дня рождения В.П. Чкалова (Егорьевск, ЕАТК ГА им. В.П. Чкалова, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.
Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 159 страницах машинописного текста, всего работа
II содержит 47 рисунков, 4 таблицы и 138 библиографических названий (из них 9 на английском языке), общий объем работы 218 страниц.
