Научная статья на тему 'Метод прогнозирования взлета самолета при наличии высотных препятствий'

Метод прогнозирования взлета самолета при наличии высотных препятствий Текст научной статьи по специальности «Кибернетика»

160
42
Поделиться
Ключевые слова
УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕТОМ / ВЗЛЕТ / ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД / ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ

Аннотация научной статьи по кибернетике, автор научной работы — Шевченко Андрей Михайлович, Павлов Борис Викторович, Начинкина Галина Николаевна

С целью снижения рисков на этапе взлета воздушных судов в работе предлагаются алгоритмические методы оценивания текущего и прогнозирования будущего движения с использованием энергетического подхода к управлению полетом летательных аппаратов. На основе полученных оценок рассчитывается положение воздушного судна на взлетно-посадочной полосе, из которого возможно достигнуть желаемого конечного состояния на этапе взлета. Приводятся результаты моделирования взлета пассажирского самолета в различных вариантах загрузки и при наличии высотных препятствий по курсу взлета на разном удалении от конца взлетно-посадочной полосы.

Похожие темы научных работ по кибернетике , автор научной работы — Шевченко Андрей Михайлович, Павлов Борис Викторович, Начинкина Галина Николаевна,

METOD OF AIRCRAFT TAKEOFF FORECASTING IN THE PRESENCE OF HIGH-ALTITUDE OBSTACLES

For the purpose of risks decrease at a stage of flying vehicles takeoff the algorithmic method of an estimation of current state and forecasting of future movement are offered in work. Method is based on the energy approach to flight control. On the basis of these estimations the aircraft position from which probably to reach a desirable final state at a takeoff stage is calculated. Results of modeling of the passenger aircraft takeoff under various loading and in the presence of highaltitude obstacles ahead on different distances from the runway are presented.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Метод прогнозирования взлета самолета при наличии высотных препятствий»

Сельвеенж Николай Иванович - Военный учебно-научный центр ВВС «Военновоздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»; e-mail: selvesyuk@yandex.ru; 125167, г. Москва, ул. Планетная, д. 3; тел.: 84992311812; кафедра «Системного анализа, приборного и оптико-электронного оборудования»; начальник кафедры; д.т.н.; доцент.

Selvesyuk Nikolay Ivanovich - Air Force military educational-scientific center «Zhukovskii and Gagarin Air Force Military Academy»; e-mail: selvesyuk@yandex.ru; 3, Planetnay street, Moscow, 125167, Russia; phone: +74992311812; the department «the system analysis, the instrument and optico-electronic equipment»; the chief of department; dr. of eng. sc.; associate professor.

УДК 629.73.02; 681.5.01

A.M. Шевченко, Б.В. Павлов, Г.Н. Начинкина

МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЗЛЕТА САМОЛЕТА ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСОТНЫХ ПРЕПЯТСТВИЙ

С целью снижения рисков на этапе взлета воздушных судов в работе предлагаются алгоритмические методы оценивания текущего и прогнозирования будущего движения с использованием энергетического подхода к управлению полетом летательных аппаратов. На основе полученных оценок рассчитывается положение воздушного судна на взлетно-

,

.

различных вариантах загрузки и при наличии высотных препятствий по курсу взлета на разном удалении от конца взлетно-посадочной полосы.

Управление полетом; взлет; энергетический подход; принятие решения.

A.M. Shevchenko, B.V. Pavlov, G.N. Nachinkina

METOD OF AIRCRAFT TAKEOFF FORECASTING IN THE PRESENCE OF HIGH-ALTITUDE OBSTACLES

For the purpose of risks decrease at a stage of flying vehicles takeoff the algorithmic method of an estimation of current state and forecasting of future movement are offered in work. Method is based on the energy approach to flight control. On the basis of these estimations the aircraft position from which probably to reach a desirable final state at a takeoff stage is calculated. Results of modeling of the passenger aircraft takeoff under various loading and in the presence of high-altitude obstacles ahead on different distances from the runway are presented.

Flight control; takeoff; energy approach; decision-making.

.

взглядов на управление в классе терминальных алгоритмов с фиксированной .

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В данной работе находятся условия достижимости конечного состояния и определяется резерв времени или дальности по траектории до возникновения

.

В процессе выполнения полета любого летательного аппарата имеются два этапа, характеризующиеся как интенсивным маневрированием, так и ограниченностью ресурсов управления для достижения некоторых терминальных состояний.

, -полосы и набрать достаточную высоту исходя из требований норм летной годности или при наличии препятствий по курсу полета. С другой стороны, на конечном этапе посадки требуется погасить скорость до уровня, пригодного для рулежки. При неблагоприятных условиях, таких как удаленная точка приземления, укоро-

ченная взлетно-посадочная полоса (ВПП), осадки и др., выполнение целевой функции при располагаемых средствах торможения представляет собой терминальную задачу с трудно предсказуемым или негарантированным исходом.

Вопросам улучшения качества управления на критических этапах полета и тем самым снижения риска возникновения летных происшествий посвящено множество работ [1-5].

Все они основаны на знании номинальных аэродинамических характеристик или использовании нормированных диаграмм для коррекции основных маневров на взлете в зависимости от априори известных факторов: температуры, высотности , , . -следований [1, 2], существующая методика принятия решения на взлете, основанная только на моменте достижения самолетом так называемой скорости принятия решения У1, не может предотвратить авиационных происшествий, причиной которых бывают заниженные разгонные характеристики самолета, потеря тяги, превышение допустимой массы, неисправность тормозов или отклонение погодных условий от ожидаемых.

Концептуально основная идея работы находится в русле новых взглядов на управление в классе терминальных алгоритмов с фиксированной функцией цели.

В данной работе находятся условия достижимости конечного состояния и определяется резерв времени или дальности по траектории до возникновения .

Основы алгоритмических методов оценивания текущего и прогнозирования будущего движения воздушного судна были сформулированы ранее в работе [6]. Методы базируются на энергетическом подходе к управлению полетом летательных аппаратов [7,8]. С позиций этого подхода движение ЛА рассматривается в терминах его полной энергии и её составляющих - потенциальной и кинетической. Количественные соотношения между источником и потребителями энергии выражены в форме уравнения баланса энергий:

дне =аи£ +анЕ +дне .

Найден алгоритм оценивания текущего и прогнозного энергетического состояния воздушного судна, что позволяет рассчитать его граничное положение на взлетно-посадочной полосе, после которого достигается желаемое конечное состояние в процессе взлета и набора необходимой высоты. Приводятся результаты моделирования взлета пассажирского самолета в различных вариантах загрузки и при наличии высотных препятствий по курсу взлета на разном удалении от конца взлетно-посадочной полосы.

Метод прогнозирования безопасного пролета над препятствием. В условиях высокой интенсивности воздушных операций повышается вероятность ситуаций, требующих безотлагательного принятия решений, когда самолет находится непосредственно в пределах ВПП.

На этапе разбега при пониженной тяговооруженности по причине отказа двигателей или в условиях высокогорья, или при повышенной температуре воздуха, или при предельных полезных нагрузках также требуется оценить способность самолета осуществить разбег до взлетной скорости в пределах ВПП и набрать достаточную высоту для пролета над препятствиями в виде искусственных сооружений или естественных возвышений рельефа местности по курсу взлета. Схематично траектории и ограничения на взлете показаны на рис. 1.

Для устойчивого полета самолет должен иметь скорость не ниже некоторой известной для каждого самолета. Таким образом, полная энергия движения в момент преодоления препятствия Ек должна содержать необходимый минимум кинетической составляющей и запас потенциальной, которые и определяют достижимую высоту Нкрек пролета над препятствием:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

V 2

^ + mgй„^>Я1. (1)

Eh = т-

Величина полной накопленной энергии в конце какого-либо маневра складывается из текущей кинетической и работе всех внешних сил на траектории маневра. Траектория подлета к препятствию включает наземный и воздушный участки. Считая малыми углы набора высоты, будем отождествлять пространственную траекторию и её проекцию длиной S. Тогда спрогнозированная накопленная энергия на пути подлета к препятствию будет выражаться формулой

V а )2

E (t)

forecast

= т+ S £ F, (t).

(2)

Моделирование или прямое измерение всех действующих сил является нетривиальной задачей. Наиболее значимыми из них являются тяга двигателя, аэродинамические силы при наличии ветра, реакция со стороны шасси и др. Влияние равнодействующей всех этих сил проявляется в виде ускорения. В предлагаемой методике сумма действующих сил естественным образом вычисляется через продольное ускорение

£ ^ (г) = mu(^), (3)

которое на борту обычно определяется по измеряемой перегрузке

и(г) = gnx (г).

Приравнивая выражения для необходимой (1) и прогнозной (2) энергий с

(3), -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

лежащего участка траектории, необходимого для накопления недостающей полной .

g

D =^h + (y‘evel )2 - V (t )2 _ l . a (t) "ре"

2и а)

В точке траектории, где прогнозируемая длина этого участка обнуляется, прогнозная величина энергии будет достаточной для пролета над препятствием с .

взлете: xdecision = x(£)| D . В отличие от методики взлета, предписываемой руководствами по летной эксплуатации, методика прогнозирования полной энергии гарантирует возможность взлета не в момент достижения скорости принятия реше-

ния, а намного раньше и в координатах дальности, привязанных к взлетной полосе. Предполагается, что интенсивный маневр подъема носового колеса будет начат после достижения скорости отрыва, а набор высоты будет выполнен в соответствии с НЛГ с допустимым углом наклона траектории, известным априори для каждого типа самолетов и метеоусловий в зоне аэродрома.

Апробация методики прогнозирования параметров полета в некоторой критической точке пролета над препятствием была проведена на компьютерном стенде с полной моделью самолета ТУ-204 в варианте с двигателями ПС-90. Пульт оператора позволял устанавливать массу и центровку самолета, климатические ,

действующим руководством по летной эксплуатации.

Целью моделирования было получение множества расчетных точек принятия решения и сопоставление их с рекомендациями стандартных методик пилотирования.

Были выполнены серии взлетов самолета с разной массой - от минимальной до максимальной и расположением препятствий высотой от 50 до 150 метров на удалении от конца ВПП от 500 до 3000 метров. В процессе взлета фиксировалось положение самолета на ВПП, в котором текущее энергетическое состояние с учетом прогноза движения было достаточным для разгона до минимальной скорости полета и подъема на высоту препятствия в точке его расположения.

На рис. 2, 3, 4 показаны зависимости координаты точки принятия решения ( ) -той 50, 100 и 150 м соответственно. Следует подчеркнуть, что эти данные иллюстрируют не типовые условия на взлете, а относятся к аэродромам с близко распо-

.

накопленной энергии в процессе разбега, на основании которых сделан вывод о принципиальной возможности прогнозирования решения о взлете.

Для повышения ситуативной осведомленности весьма полезным считается знание запаса или резерва дальности до обреза взлетной полосы в точке принятия решения. Величина резерва также прогнозируется в процессе разбега:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

500 1 000 1 50 0 200 0 2500 3000 3500

Расстояние до препятствия (высота 50 м), м

Рис. 2. Высота препятствия 50 м

3500

3000

г

о: 2500

с

о 2000

=1

£ 1500

0

1 1000

■Д

Д 500

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ч 70т 90т 105т

———

=*

500 1000 1500 2000 2500 3000

Расстояние до препятствия (высота 100м), м

Рис. 3. Высота препятствия 100м

3500

Рис. 4. Высота препятствия 150м

Выводы. Результаты могут представлять и нтерес для эксплуатантов воздушных судов ввиду того, что, следуя нашей методике, возможность взлета с гарантированным пролетом над препятствием обосновывается раньше, чем достигается так называемая скорость принятия решения в соответствии с расчетом по номограммам руководства по летной эксплуатации. Информационное сообщение об , , ситуацию с положением самолета на полосе, что улучшит ситуативную осведомленность и снизит стрессовые нагрузки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Глубокая М.Г. Бортовая система поддержки принятия решений на этапе взлёта пассажирского самолёта // Техника воздушного флота. - 2008 - Т. ЬХХХП. - №1 (690).

- С. 21-30.

2. . . -

// . - 2002.

- № 3-4. - С. 47-54.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. . .

ВПП при посадке // Научный вестник МГТУ Гражданской Авиации. - 2007. - № 122.

4. . .

пределы взлетно посадочной полосы. Патент Ки2373115.

5. Pinder S.D. Aircraft Takeoff Performance Monitoring in Far-Northern Regions: An Application of the Global Positioning System. Ph.D. thesis. - University of Saskatchewan. - 2002.

6. . ., . . -та и посадки // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. - № 3 (116). - С. 206-214.

7. Kurdjukov A.P., Nachinkina G.N., Shevtchenko A.M. Energy approach to flight control // AIAA Conf. Navigation, Guidance & Control. AAIA. - Boston, 1998. - P. 98-4211.

8. Павлов Б.В., Шевченко A.M., Начинкина ЛЯ. Энергетический подход и его использова-

// - -ный журнал «Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем». - 2003. - Вып." 2 (16). - Т. 8. - С. 24-43.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.Н. Афанасьев.

Шевченко Андрей Михайлович - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В А. Трапезникова Российской академии наук; e-mail: anshev@ipu.ru; 117997, г. Москва, Профсоюзная, 65; тел.: +74953349039; лаборатория

- ; . . .; . . .

Павлов Борис Викторович - e-mail: pavlov@ipu.ru; тел.: 84953349351; лаборатория дина-

- ; . . .; . . .

Начинкина Галина Николаевна - e-mail: vicabo@ipu.ru; тел.: +74953349039; лаборатория

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- ; .

Shevchenko Andrei Mihailovich - Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences; e-mail: anshev@ipu.ru; 65, Profsoyuznaya street, Moscow, 117997, Russia; phone: +74953349039; laboratory of dynamic information\control systems; cand. of eng. sc.; senior scientist.

Pavlov Boris Viktorovich - e-mail: pavlov@ipu.ru; phone: +74953349351; laboratory of dynamic information/control Systems; chief researcher; dr. of eng. sc.

Nachinkina Galina Nikolaevna - e-mail: vicabo@ipu.ru; phone: +74953349039; laboratory of dynamic information\control systems; scientist.

УДК 681.51.013; 516.32

. . , . .

О ПРОБЛЕМАТИКЕ СИНТЕЗА КООРДИНИРУЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ*

Обсуждается проблематика координирующего управления. Излагается метод синтеза координирующих автоматических систем, г/ель управления которых формулируется в виде задания управляющих соотношений между переменными состояния многоканального объекта или группы объектов. Исследуется задача координации в иной постановке по сравнению с работами основоположника данного направления Л.М. Бойчука. Процессы управления формируются посредством двух многомерных контуров: контура агрегатного управления динамикой объекта в целом и контура регулирования межкоординатных соотношений. В предлагаемых решениях ключевую роль играет автономизация данного контура; процедуры расчета контуров управления базируются на аппарате передаточных матриц.

Системы координирующего управления; принцип разделения движений; сепаратные каналы регулирования; контур регулирования соотношений; компенсация возмущений; ав.

* Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 10-08-01139. 172