CC BY
86
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 519.688
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ ПОГРЕШНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ МАЯТНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ КУРСА И ГЛИССАДЫ
И.И. ИКРЯНОВ, Ю.А. ТЯПЧЕНКО Статья представлена доктором технических наук Вышинским В.В.
В работе исследуется зависимость степени искажения информации, проецируемой в пространство индикаторами курса и глиссады, от величины погрешности стабилизации индикаторов с маятниковой системой стабилизации оптических осей. Предложена методика экспортной оценки максимально допустимой погрешности стабилизации индикаторов, приводятся результаты исследований применительно к одному из зарубежных вертолетов и индикаторам с маятниковыми системами стабилизации, созданных ЗАО НТЦ "Альфа-М" для кораблей ВМФ России.
Ключевые слова: глиссада для кораблей, индикатор курса и глиссады, маятниковая стабилизация, колебания, допустимая погрешность.
Введение и постановка задачи
Известно, что для расширения эксплуатационных возможностей кораблей различного назначения широко используются вертолеты, базирующиеся непосредственно на кораблях. Посадка вертолетов на качающиеся платформы в плохих условиях днем и ночью, особенно, ночью - чрезвычайно сложный для летчиков этап полета.
В последние годы в отечественном судостроении для снижения напряженности работы летчика и соответственно для повышения безопасности захода на посадку и посадки вертолетов на корабельные взлетно-посадочные площадки (ВППл) начали использоваться оптические средства обеспечения посадки вертолетов (ОСПВ), с помощью которых летчик может определять положение летательного аппарата относительно посадочных курса и глиссады, истинного горизонта, величину и направление бортовой и килевой качки и вертикального перемещения ВППл и др.
ОСПВ размещается непосредственно на кораблях. В их состав, как правило, входят указатель истинного горизонта (УИГ), специальные огни, с помощью которых и УИГ летчик может определять величину и направление бортовой качки корабля, индикаторы курса и глиссады (ИК/ИГ), индикаторы пилотажно-посадочные (ИПП) корабельные палубные или ангарные.
На этапе захода на посадку основными оптическими средствами являются индикаторы курса (ИК) и глиссады (ИГ).
Известны два типа ИК и ИГ: индикаторы с маятниковой и индикаторы с активной (двигательной) системами стабилизации оптических осей. В отечественной практике первыми были созданы и на корабле проекта 20380 применены ИК и ИГ с маятниковой системой стабилизации.
Конструктивно ИК/ИГ представляют собой блоки огней, которые объединены в две сборки, одна из которых используется для индикации курса/глиссады вдоль продольной оси корабля, а вторая под углом в сторону кормы. В работе [1] представлены угловые и цветовые характеристики информационных секторов блоков огней, вид и цвет наблюдаемых летчиком огней при нахождении вертолета в различных секторах блоков огней.
При отклонении от заданной глиссады вверх летчик наблюдает желтые огни ИГ, а вниз -красные. Зона, в которой летчик наблюдает красные огни ИГ, считается опасной для полета. При движении вертолета в этой зоне существует риск столкновения с надводными препятствиями. Зона, в которой летчик наблюдает желтые огни ИГ, считается нежелательной для поле-
та. При полете в этой зоне, летчик подойдет к ВППл по слишком крутой глиссаде, с большими значениями вертикальной составляющей скорости. Такой заход на посадку может привести к жесткому припалубливанию. При отклонении от заданного курса влево летчик наблюдает синие огни, мигающие с одной частотой, а вправо - с другой. На расстоянии примерно до 100 м летчик видит огни раздельно в виде точек. При меньшем расстоянии он видит все огни одновременно, поэтому полет с использованием ИК и ИГ возможен до расстояния 100 м - 150 м до корабля.
Качка корабля вызывает погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали, которая выражается в колебаниях оптической оси индикаторов курса и глиссады. Колебания оптической оси индикаторов, в свою очередь, приводят к изменению областей видимости секторов огней, воспринимаемых летчиком.
Погрешность стабилизации индикаторов курса и глиссады относительно истинной вертикали зависит от размещения ИК/ИГ на ВППл (расстояния точки подвеса ИК/ИГ от кормы и борта корабля), от конструктивных особенностей ИК/ИГ, от амплитуды и частоты качки корабля по крену и дифференту.
Цель данной работы состоит в том, чтобы оценить максимально допустимую величину погрешности стабилизации ИК/ИГ.
Методика расчета и полученные результаты
Колебание индикаторов в плоскости дифферента вызывает смещение области видимости вверх и вниз относительно штатного положения. Колебания индикаторов в плоскости крена вызывают разворот области видимости относительно точки подвеса. В результате образуются зоны, находясь в которых летчик будет видеть различные сигналы ИК и ИГ (зоны искаженного сигнала) и зоны, в которых наблюдаемый сигнал не изменяется и соответствует штатному положению индикаторов. На рис. 1 заштрихованы зоны, в которых сигнал остается неизменным при отклонении ИК/ИГ от истинной вертикали. Для того чтобы оценить влияние погрешности стабилизации на степень искажения сигналов ИК/ИГ, необходимо определить, насколько уменьшается зона видимости неискаженного сигнала при отклонении индикатора от истинной вертикали.
Для оценки и сравнения степени искажения сигнала, обусловленного погрешностью стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали, предлагается соотношение: I = 1 - 8не/80, где 8не - площадь зоны видимости неискаженного сигнала, Б0 - площадь зоны видимости сигнала в штатном положении.
Величина I характеризует степень искажения области видимости сигналов ИК/ИГ и определена на отрезке [0, 1]. При I = 0 зоны искаженного сигнала отсутствуют, при I = 1 отсутствуют зоны неискаженного сигнала. Таким образом, величина I является важным параметром для оценки качества работы индикаторов.
На рис. 2 построены зависимости величины I от угла отклонения индикатора от истинной вертикали б для ИК и ИГ при отклонении в плоскости крена и дифферента.
Если принять степень искажения сигнала, обусловленную колебаниями ИГ в плоскости дифферента за 1, то степени искажения сигнала, обусловленные колебаниями ИК в плоскости крена/дифферента и ИГ в плоскости крена, будут находиться в следующей пропорции
!Д @ 101Д @ 11!К @ 17 !К 1иг — 1 и хик —11 1иг — 1' ик •
Из рис. 2 видно, что искажение в передаваемый сигнал, вносимое колебаниями индикаторов в плоскости дифферента, больше, чем искажение передачи сигнала, вносимое колебаниями индикаторов в плоскости крена. Также видно, что искажения, вносимые ИГ больше, чем искажения, вносимые ИК при одинаковом отклонении индикаторов от истинной вертикали. Наибольшее искажение в передаваемый сигнал вносит погрешность стабилизации ИГ в плоскости дифферента, а наименьшее - погрешность стабилизации ИК в плоскости крена.
Рис. 1. Искажение сигналов индикаторов глиссады (сверху) и курса (внизу), обусловленное погрешностью стабилизации (заштрихованы области, сигнал в которых не претерпевает изменения)
—•— ИГ, крен ИК, крен
ИГ,
диф ф ерент -ИК,
диф ф ерент
й.°
Рис. 2. Зависимость степени искажения передаваемой индикаторами информации от величины погрешности стабилизации
Для оценки максимально допустимой величины погрешности стабилизации авторами была разработана программа FSDX, моделирующая посадку вертолета на палубу корабля с использованием ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей.
Для моделирования качки корабля и движения ИК/ИГ под воздействием качки корабля использовалась методика, описанная в [1]. Численное решение уравнений движения проводилось с помощью метода Рунге-Кутта 4-го порядка с фиксированным шагом [2]. Шаг интегрирования равнялся: Dt = 0,016 с. Для моделирования использовался компьютер на базе Intel Pentium 4 Core Duo 3HGz RAM 2Gb с двумя графическими акселераторами, работающими в режиме SLI на базе графического процессора NVidia 7800 GTX. Объем оперативной памяти каждого графического акселератора составлял 256МЬ. При этом была получена частота обновления сцены ~50 fps. Программа реализована на языке C++ с использованием HLSL и библиотеки DirectX 9.0с.
Моделирование движения вертолета осуществлялось с помощью свободно-распространяе-мой библиотеки для моделирования динамики летательных аппаратов JSBSim. По умолчанию в данной библиотеке использовалась динамика вертолета EUROCOPTER Bo-105. Оценка величины максимально допустимой погрешности стабилизации производилась с помощью экспертизы.
При проведении экспертизы использовался опросный лист (рис. 3), разработанный на базе шкалы Купера-Харпера [3]. При адаптации шкалы Купера-Харпера предполагалось, что ИК/ИГ должны в первую очередь обеспечивать летчика информацией о зоне опасной и безопасной для полетов. Во вторую очередь, используя информацию, предоставляемую ИК/ИГ, летчик должен своевременно идентифицировать переход из зоны безопасной в зону опасную для полета. Запоздалая идентификация такого перехода, особенно на завершающем участке глиссады, не оставит летчику времени для парирования такой ситуации и может привести к катастрофе. Ситуация, когда летчик, используя сигналы ИК/ИГ, не может идентифицировать возврат из зоны опасной для полетов в зону безопасную, приводит к тому, что не предпринимая никаких действий, продолжая двигаться прежним курсом, летчик приводит вертолет в зону нежелательную для пилотирования (желтая зона). Идентифицировав переход в зону нежелательную для пилотирования, летчик предпринимает действия для возврата в зону безопасную для пилотирования, однако идентифицировать возврат вертолета в безопасную зону пилот не может и снова попадает в опасную для пилотирования зону. Как результат такого неточного управления, возникает длиннопериодическое движение вертолета относительно линии глиссады. В различных ситуациях на последнем участке глиссады вертолет может оказаться как в зоне опасной, так и безопасной для полетов.
Таким образом, предложена следующая шкала оценок работы ИК/ИГ при наличии погрешности стабилизации. Если при заданной погрешности стабилизации ИГ/ИК не обеспечивают летчика информацией совсем, то работа ИК/ИГ оценивается, как 0. Если ИГ/ИК не обеспечивают пилота информацией о зоне опасной для полета - выставляется оценка 1. Оценка 2 выставляется в случае, если при заданной величине погрешности стабилизации ИК/ИГ не обеспечивают информацией о зоне безопасной для полета. Оценка 3 выставляется в случае, если используя ИК/ИГ, пилот не может своевременно определить переход из зоны безопасной для полетов в зону опасную. Оценка 4 выставляется в случае, если, используя ИК/ИГ, пилот не может определить переход из зоны опасной для полетов, в безопасную зону. В случае, если при заданной погрешности стабилизации пилот получает от ИГ/ИК всю перечисленную информацию, выставляется оценка 5.
В результате проведения экспертизы получены следующие результаты: оценка 5 при 8=0,1° - 0,2°; оценка 4 при 8 = 0,3° - 0,5°; оценка 3 при 8 = 0,6° - 0,8°; оценка 2 при 8 = 0,9° - 1,0°; оценки 1 и 0 при 8 > 1,1°. Таким образом, установлено, что для вертолета EUROCOPTER Bo-105 качественное обеспечение пилота курсо-глиссадной информацией с помощью индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей возможно в случае, если погрешность стабилизации индикаторов 8 < 0,5°.
Обеспечиваютли ИК/ИГ информацией о курсе/глиссаде? нет 0
Да нет
Обеспечиваютли ИК/ИГ информацией о зоне, опасной для пилотирования? 1
ф да нет
Да
Обеспечиваютли ИК/ИГ информацией о переходе из безопасной зоны в опасную?
Да
Обеспечиваютли ИК/ИГ информацией о переходе из опасной зоны в безопасную?
I
Да
нет
нет
Обеспечиваютли ИК/ИГ информацией о 2
зоне, безопасной для пилотирования?
Рис. 3. Опросный лист, использовавшийся для экспертной оценки максимально допустимой величины погрешности стабилизации ИК/ИГ
ЛИТЕРАТУРА
1. Икрянов И.И., Тяпченко Ю.А. Исследование особенностей отображения информации корабельными индикаторами курса и глиссады с маятниковой стабилизацией оптических осей. // Авиакосмическое приборостроение. 2009. - №3.
2. Бахвалов Н.С. Жидков Н.П. Кобельков Г.М. Численные методы. - М: Наука, 1997.
3. Купер Д.Е., Харпер Р.П. Использование оценок летчика в исследованиях пилотажных характеристик летательных аппаратов. - М: ЦНТИ Волна, 1984.
THE METHOD OF MAXIMUM PERMISSIBLE ERROR OF COURSE DISPLAYS AND GLIDEPATH INDICATORS WITH PENDULUM OPTICAL AXES STABILIZATION SYSTEM DEFINING
Ikryanov I.I., Tyapchenko Y.A.
The area of this article is the investigation of information translated to the space by course displays and glidepath indicators distortion degree dependence of stabilization of course displays and glidepath indicators with pendulum optical axes system error. The method of subjective testing is proposed and the results of investigation concerning one of foreign helicopter and indicators created by ZAO "Alpha-M" are shown.
Сведения об авторах
Икрянов Игнат Иванович, 1976 г.р., окончил МФТИ (2000), аспирант кафедры компьютерного моделирования ФАЛТ МФТИ, автор 6 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование, численные методы.
Тяпченко Юрий Александрович, 1938 г.р, окончил МЭИ (1961), кандидат технических наук, заслуженный машиностроитель России, действительный член российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, главный конструктор ЗАО НТЦ "Альфа-М", автор более 100 научных работ, область научных интересов - разработка методов проектирования и исследование систем и средств отображения информации сложных объектов.
