Введение к работе
Актуальность. Развитие экономики страны требует постоянного увеличения объема пассажирских и грузовых перевозок и их скорости. Большая роль в структуре транспорта нашей и других стран должна принадлежать авиации, как наиболее скоростному виду транспорта. Однако авиация является и наиболее дорогостоящим видом транспорта, причем существенная часть расходов связана с построением и обслуживанием необходимой инфраструктуры, прежде всего аэродромов. Стремление избежать таких расходов в условиях возрастающей стоимости земли и строительных материалов делает построение аэродромов все более сложной задачей. Гидроавиация (гидросамолеты и экранопланы) использует в качестве аэродромов водную поверхность, чаще всего морскую акваторию, поэтому роль гидроавиации в транспортных перевозках России и других стран будет постоянно возрастать.
Ключевой проблемой для гидросамолетов и экранопланов является взлет и посадка при интенсивном морском волнении. В идеале транспортное средство должно быть всепогодным, однако и экранопланы, и гидросамолеты не могут эксплуатироваться при штормовой погоде, когда ветровое морское волнение имеет большую балльность. Чем больше размеры, прочность и энерговооруженность летательного аппарата (ЛА), тем выше граница разрешенных режимов полета (балльности морского волнения) для взлета и посадки в штормовом море. Однако слишком большие размеры аппарата не только увеличивают его стоимость, но и часто не соответствуют имеющимся грузопотокам на большинстве реальных грузопассажирских линий. Поэтому очень важно максимизировать возможность взлета и посадки малых и средних аппаратов на взволнованную водную поверхность.
Эффективным способом решения этой задачи является оптимизация направления захода на посадку, которое определяется по отношению к генеральному направлению распространения морских волн и, в отличие от посадки на аэродром, не совпадает с направлением «против ветра». При этом генеральное направление распространения морских волн, а также само оптимальное направления захода на посадку должно определяться автоматически в режиме реального времени путем обработки показаний бортовых датчиков. Настоящая диссертационная работа и посвящена решению этой важной актуальной задачи.
Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода автоматического выбора направления захода на посадку морских летательных аппаратов, обеспечивающего минимизацию гидродинамических нагрузок на корпус летательных аппаратов при интенсивном морском волнении.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка математической модели морского волнения применительно к анализу гидродинамических возмущений, приложенных к корпусу морского ЛА при посадке.
-
Выбор и обоснование критерия оптимизации направления захода на посадку в условиях штормового моря, обеспечивающего минимизацию гидродинамических нагрузок.
-
Разработка и алгоритмическая реализация метода автоматической оценки генерального направления распространения морских волн по цифровым фотографиям возмущенной морской поверхности.
-
Разработка алгоритма и программного обеспечения определения оптимального направления захода на посадку относительно генерального направления распространения морских волн.
-
Разработка методики имитационного моделирования и программное обеспечение исследования эффективности алгоритма оптимального направления захода на посадку морского ЛА.
Методы исследования.
Использование теории случайных процессов и полей, теории корреляционного и спектрального анализа, статистической теория морского волнения (применительно к задаче посадки морского ЛА), использование элементов гидродинамической теории и методов расчета гидродинамических возмущений при движении тела в жидкости, использование численных методов поиска экстремума, теории математического моделирования, теории имитационного моделирования, математической статистики, теории принятия решений.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- формализованный критерий оптимальности направления захода на
посадку, минимизирующий гидродинамические возмущения от морского
волнения;
- метод определения генерального направления распространения
морских волн по цифровым фотоизображениям возмущенной морской
поверхности;
таблица оптимальных направлений захода на посадку относительно генерального направления распространения морского волнения, минимизирующих гидродинамические нагрузки на ЛА;
результаты математического моделирования процесса определения оптимального направления захода на посадку по цифровым фотоизображениям возмущенной морской поверхности.
Новизна.
Новизну научных результатов диссертационной работы определяют следующие факторы:
- впервые предложен формализованный критерий выбора оптимального
направления захода на посадку в зависимости от текущих характеристик
морского волнения (ранее пилотам давались лишь общие рекомендации, не
основанные на каком либо исследовании);
- разработан и программно реализован алгоритм определения
генерального направления распространения морских волн по цифровым
фотоизображения морской поверхности, а также показана возможность его
практической реализации;
В совокупности эти факторы обеспечивают принципиально новые возможности повышения характеристик мореходности и безаварийности морских ЛА при посадке в штормовом море.
Практическая ценность.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов при разработке специальных бортовых средств для морского ЛА и инструкций по пилотированию, позволяющих обоснованно выбирать траекторию посадки в условиях интенсивного морского волнения.
Работа выполнена на кафедре моделирования вычислительных и электронных систем.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
VIII, IX, X Научных сессиях ГУАП, 2005, 2006, 2007 гг.;
Научной сессии ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики, ГУАП, Санкт-Петербург, 2009, 2010 и 2011;
XXXIII Всероссийская конференции «Управление движением морских судов и специальных аппаратов»;
3-й и 4-й Международных научных конференциях "Физика и Управление" (International IEEE Scientific Conference on Physics and Control), (PhysCon2007 и (PhysCon2011), Потсдам, Германия, 2007 и Лион, Испания, 2011;
XXXIV и XXXV Всероссийских конференциях «Управление движением морских судов и спецаппаратов», Москва, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, 2007 и 2008;
17-м Симпозиуме ИФАК по автоматическому управлению в аэрокосмических системах (17 IF AC Symposium on Automatic Control in Aerospace), 2007, ONERA, Тулуза, Франция, 2007;
XV Санкт-Петербургской Международной конференция по интегрированным навигационным системам, ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2008;
10-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2008г.;
XXVII конференция памяти Н.Н.Острякова, ГНЦ РФ - ОАО "Концерн "ЦНИИ «Электроприбор», 2010 г.;
17-м и 18-м Всемирных Конгрессах ИФАК (IFАС), Сеул, Корея, 2008 и Милан, Италия, 2011.
Публикации.
Результаты работы опубликованы в 26-ти печатных научных трудах, в том числе, 8 статей опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, 9 докладов опубликованы в сборниках докладов международных конференций.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и четырех приложений.
