CC BY
50
УДК 629.7.015
A.A. Хохлов, К. Д. Бухаров
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Самолеты корабельного и морского базирования в условиях нерегулярных возмущений на взлетно-посадочных режимах
Рассматривается задача оценки динамики полета самолетов корабельного и морского базирования в условиях нерегулярных возмущений на взлетно-посадочных режимах. Описываются режимы полета, проводится анализ возмущений. Предлагается метод оценки динамики полета самолетов на взлетно-посадочных режимах. В качестве оцениваемых характеристик предлагается использовать динамический спектр параметров движения и управляющих воздействий летчика. Приводится типовой пример такой оценки.
Ключевые слова: безопасность полета, самолет корабельного базирования, самолет морского базирования, гидросамолет, взлет, посадка, мореходность, динамика полета, летные испытания, спектральный анализ.
1. Введение
Обеспечение безопасности полетов является одной из основных задач при эксплуатации летательных аппаратов любого класса. Более 60% всех аварий и катастроф самолетов приходится на взлетно-посадочные режимы, которые, как правило, занимают не более 1-2% от общего времени полета.
Для самолетов аэродромного базирования основными внешними возмущениями служат: ветер, прежде всего боковой; турбулентность атмосферы; сдвиг ветра; инверсия температуры по высоте; в аэропортах, расположенных внутри городской застройки или в горах, — вихревые потоки, образующиеся при обтекании гор или строений.
Для самолетов корабельного базирования к подобным возмущениям на режиме захода на посадку на палубу авианесущего корабля добавляется спутный вихревой след от корабля и его надстроек, имеющий сложную неоднородную и нерегулярную структуру, через которую проходит глиссада самолета. Самолеты морского базирования (гидросамолеты, самолеты-амфибии, далее ГС) при взлете с воды подвержены нерегулярным возмущениям со стороны волн и ветра.
Предлагается дополнить существующие руководства по оценке взлетно-посадочных характеристик и психофизиологического состояния летчика в условиях нерегулярных возмущений методом построения динамического спектра параметров движения и управления самолета. Это позволит получить новые сведения о характеристиках движения самолета и психофизиологическом состоянии летчика при пилотировании в сложных режимах полета. Данная методика может быть применена для оценки адекватности математических моделей пилотажных стендов и авиационных тренажеров реальным условиям полета.
2. Описание взлетно-посадочных режимов самолетов корабельного и морского базирования
Из всех взлетно-посадочных режимов самолетов корабельного и морского базирования рассмотрим наиболее сложные с точки зрения внешних возмущений. Для корабельных самолетов это режим захода на посадку, для ГС — разбег на взлете в условиях волнения.
Заход на посадку на палубу авианесущего корабля современных корабельных самолетов типа Су-33, МиГ-29К, F-18 осуществляется с высоты полета по кругу по крутой
глиссаде с углом наклона 3,5-4° (глиссада сухопутных самолетов имеет наклон 2,6°), формируемой оптической системой посадки, радиотехническими средствами и по командам
Руководителя визуальной посадки [1|. Посадочная палуба авианесущего корабля раеполо-°
заходе самолета ось глиссады все время смещается вправо. Скорость движения по глиссаде приблизительно равна 240 250 км/ч и в процессе захода уменьшается на 5 8 %. Сравнительно невысокая скорость захода на посадку снижает эффективность аэродинамических рулей, что требует от летчика более активного управления. Скорость планирования не должна отличаться от заданной более чем на ±5 км/ч. В расчетной точке касания на палубе допустимые отклонения гака по высоте составляют до ±1 м, вправо-влево не более 2-х м.
Ось глиссады проходит на высоте 5 метров над кормой корабля. Посадка на палубу осуществляется без выравнивания, в момент касания нормальная перегрузка достигает 4 5 единиц, при зацеплении за трос аэрофинишера продольная перегрузка 4. Авианесущий корабль во время посадки движется навстречу ветру со скоростью приблизительно 30 узлов (15 м/с). Предельный ветер над морем во время полетов корабельных самолетов, как правило, составляет 15 17 м/с, при этом морские волны достигают высоты 3 5 м, и корабль подвержен качке. Среднеквадратичные значения колебаний: килевые ±1... 2°, бортовые ±2 . . . 4° ±1, 5 . . . 2, 5
Для самолета морского базирования наиболее сложным является режим разбега на взлете в условиях волнения моря. В зависимости от характера волнения меняется методика взлета, в соответствии с которой [2| на ветровой волне, а также в условиях волнения зыби, при длине волны зыби менее длины лодки ГС, взлет выполняется навстречу фронту волн. Если длина волны зыби существенно более длины лодки, взлет или посадка выполняются вдоль фронта волн с некоторым упреждением, и при этом теоретически предельная высота волны не ограничена. Наиболее сложным с точки зрения обеспечения безопасности на взлете и посадке является наличие смешанного волнения (рис. 1), когда одновременно присутствует несколько систем волн с различными амплитудами, частотами и направлениями бега. В этом случае летчик должен принять решение о методике выполнения взлета, учитывая все факторы.
Рис. 1. Частотный спектр смешанного волнения, а — первая система зыби (период Т = 10 с), б — вторая система зыби (Т = 6 с), в - ветровое вол пение (Т = 4 с)
На разбеге ГС по воде в условиях волнения наиболее критичным является режим глиссирования, когда нагрузки на лодку ГС максимальны. Необходимо, чтобы волнение при эксплуатации ГС не превышало его мореходность, которая для самолета Бе-200 равна 1,2 м высоты волны 3% обеспеченности, А-40 2 м, Shin Meiwa US-2 3,5 м [3]. ГС должен
м2с
2,0 -
0,5
1,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2.5 3,0
со, рад / с
иметь возможность выполнять взлет с воды при боковом ветре не мене 10 м/с [4|, величина встречного ветра ограничена параметрами вызванного им волнения.
Для сокращения времени разбега и, соответственно, количества пересекаемых волн необходимо, чтобы ГС на разбеге имел достаточно большое ускорение и малую скорость отрыва. Для современных ГС ускорение на разбеге приблизительно равно 1-2 м/с2, скорость отрыва для самолета Бе-200 равна 180 км/ч и длина разбега 1000 м, для ГС Бе-10 300 км/ч и 5000 м соответственно, для Shin Meiwa US-2 90 км/ч и 280 м. На глиссировании необходимо выдерживать угол дифферента, соответствующий зоне устойчивого глиссирования. Также необходимо выдерживать направление разбега ГС с допустимым рысканьем 5-10°. Недостаточная эффективность аэродинамических рулей на малых скоростях в условиях волнения может привести к прекращению взлета.
3. Описание возмущений
Для самолетов корабельного базирования на режиме захода на посадку основным возмущающим фактором наряду с другими, описанными выше, является спутный след от корабля и его надстроек. Влияние воздушных вихрей от палубной надстройки и дымовой трубы на самолет, выполняющий заход на посадку на британский крейсер HMS «Furious», оборудованный посадочной палубой, описано еще в 1917 году. Воздушный поток над палубой современного авианесущего корабля может достигать более 30 м/с. Обтекая корабль и его надстройки, течение образует нерегулярную вихревую структуру, через которую проходит глиссада. Картина течений в окрестности корабля с носовым трамплином представлена на рис. 2. Результаты исследований течений на математических моделях [5] представлены на рис. 3.
Рис. 2. Модель течений в окрестности корабля с носовым трамплином (поверхности Л2 = const)
Рис. 3. Расчетное поле продольной скорости за кораблем при угле набегающего потока @ = 6°
Сиутное течение за кораблем имеет ярко выраженный неоднородный характер. Наиболее опасной является зона торможения потока на удалении 50 60 м за кормой, попадая в которую летчик вынужден выполнять интенсивные действия, чтобы остаться на глиссаде. Ветер, обтекающий корабль справа, является наихудшим, поскольку возмущенный поток воздуха после обтекания надстройки корабля попадает в область посадочной
глиссады. Необходимо также отметить, что аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет, изменяются в процессе захода на посадку из-за торможения самолета на глиссаде. Возмущения, действующие на корабельный самолет, носят нерегулярный характер и являются нестационарными и неоднородными.
Посадка на корабль существенно усложняется в условиях волнения и качки корабля. В этом случае наряду с тем, что увеличивается турбулентность набегающего потока, течение за кораблем становится существенно нестационарным и неоднородным, из-за чего задача пилота становится еще более сложной.
Для самолетов морского базирования на режиме взлета основным возмущающим фактором является морское волнение. В общем случае морское волнение можно представить как случайный процесс в виде суперпозиции синусоидальных волн различной амплитуды и периода, распространяющихся в различных направлениях. Наиболее полной характеристикой волнения моря является его двумерный частотно-направленный спектр [6], описывающий распределение суммарной энергии волн по частотам, соответствующим каждой системе волн и направлениям распространения (рис. 4).
Рис. 4. Двумерный частотно-направленный спектр волнения, а — одна система волн, б — две системы волн
Поскольку получить двумерный частотно-направленный спектр волнения на практике не всегда возможно, определяют частотный спектр волнения по записи волновой ординаты в одной точке (рис. 1), а на его основе характеристики волнения: высоту волны 3% обеспеченности (^вэ%), длину волны 25% обеспеченности (Л25%), средний период волн и другие характеристики. При этом волновой процесс полагают квазистационарным и квазиэргоди-ческим случайным процессом.
Параметры ветровых волн для случая полностью развитого волнения при большой глубине и размерах водоема являются функцией только скорости ветра [б]. В интересующем нас диапазоне высот ветровых волн для развитого волнения соответствующая скорость ветра составит: для волн высотой 1,5 2 м (волнение 4 баяла) от 8,0 до 10,7 м/с, для волн высотой 2 3 м (5 баллов) от 10,8 до 13,8 м/с. Как было описано выше, взлет на ветровой волне выполняется навстречу фронту волн и, соответственно, навстречу ветру. В условиях «мертвой» зыби ветер отсутствует. Боковой ветер при выполнении взлета ГС возможен только в случае смешанного волнения либо при эксплуатации на ограниченной акватории. Поэтому ветер рассматривается только как дополнительный возмущающий фактор.
На движущийся по водной поверхности ГС волнение действует с кажущейся частотой зависящей от частоты волнения в фиксированной точке w, скорости движения У, утла между направлением движения самолета и направлением распространения волн р. Частоту щ можно определить:
ШI = ш — V — cos р.
9
Частотный спектр при этом преобразуется по формуле
s И
s Ы
1 — 2V- cos р 9
Действующие возмущения носят нестационарный характер из-за ускоренного движения ГС на разбеге. Развивающееся, затухающее, смешанное волнение носит неоднородный характер.
Под действием волн возможны выбросы ГС из воды, при этом скорость полета, как правило, не превышает минимально допустимую скорость полета, и самолет попадает в режим сваливания.
Описанные выше нерегулярные возмущения и, как следствие, движение самолета и управляющие действия летчика не позволяют использовать в качестве их оценки спектр сигнала на всем режиме. Предлагается рассматривать динамический спектр сигнала, рассчитывая его на основе данных, попадающих в некоторое «окно», перемещающееся по времени, допуская, что внутри «окна» сигнал носит регулярный характер.
4. Испытательные режимы и измеряемые параметры
Режимы, на которых оцениваются параметры движения и управления самолетом, соответствуют описанным в руководстве по летной эксплуатации самолетов. Для корабельного самолета это режим захода на посадку, для ГС — взлет в условиях волнения.
Перечень параметров, измеряемых в ходе испытаний по оценке режима захода на посадку корабельного самолета, включает в себя следующие блоки. Блок параметров движения самолета: положение самолета в системе координат, связанной с кораблем; высоты: барометрическая, по радиовысотомеру; скорости: воздушная, вертикальная, скорость относительно корабля; перегрузки, угловые ускорения по трем осям; углы атаки, скольжения, тангажа, крена, рысканья. Блок параметров: летательного аппарата: вес и центровка самолета; отклонения и нагрузки на рычагах системы управления, отклонение аэродинамических рулей, положение механизации, тормозного щитка, режим работы двигателей. Блок параметров движения корабля: скорость и направление хода корабля; амплитуды и периоды качки. Блок параметров гидрометеоусловий: скорость и направление ветра над морем; параметры атмосферы; параметры волнения моря.
Перечень параметров, измеряемых в ходе испытаний по оценке характеристик взлета ГС с воды в условиях волнения, включает в себя следующие блоки. Блок параметров движения самолета: координаты в процессе разбега; скорости: воздушная, водяная, вертикальная; перегрузки, угловые ускорения по трем осям; углы атаки, скольжения, дифферента, крена, рысканья. Блок параметров: летательного аппарата — вес и центровка; отклонения и нагрузки на рычагах системы управления, отклонение аэродинамических рулей, положение механизации, тормозного щитка водоруля, режим работы двигателей. Блок параметров гидрометеоусловий: скорость и направление ветра над морем; параметры атмосферы; параметры волнения моря.
5. Метод обработки данных
Обработка данных режимов взлета гидросамолета в условиях волнения и захода на посадку корабельного самолета в целом остается прежней и соответствует ранее разработанным методикам. Предлагается дополнить существующие методы оценки взлетно-посадочных характеристик методом построения динамического спектра параметров движения и управления самолета по времени. Данный метод позволит провести более детальный анализ динамики самолета в сложных режимах полета, описать психофизиологическое состояние летчика в сложных режимах полета, выполнить оценку адекватности математических моделей пилотажных стендов и авиационных тренажеров реальным полетам.
Предлагается следующий порядок обработки сигнала х(Ь). На первом шаге выполняется сглаживание сигнала х(Ь) с помощью кубического сплайна специального типа. Параметры
сплайна определяются в ходе минимизации функции ошибки:
В =р - 8(и))2 + (1 - р) I ¿1,
г
где х(и) — запись анализируемого сигнала, в(и) — значение сплайна в момент времени
Wi — вес каждой точки х^, равный 1, р — параметр сглаживания, равный 0,5. Результатом
( )
х( )
( )
№=х(Ь) - 8(1).
( )
управления.
( )
Дискретное фурье-преобразование с оконной функцией Ханна молено записать следующим образом:
то
Ф(т,ш) = ¡(п) ^(п -т)е-гшп,
п=—<х
где ¡(п) — шум управления, w(п) — оконная функция. Оконная функция Ханна предста-вима формулой
( (2 тт\\
w (п) = 0,5 1 — cos ——-( ; , V — l))
-1
Таким образом, для каждого положения окна w вычисляется амплитудно-частотная
( )
А(ш, ¿*), где А — амплитуда, соответствующая положению окна ¿* и гармонике сигнала с частотой ш.
6. Результаты обработки сигналов
Рассмотрим результаты обработки по предложенному методу на примере сигнала перемещения ручки управления самолетом по тангажу при заходе на посадку (рис. 5). Программа написана на языке Mat Lab. По вертикальной оси отложен расход ручки управления в условных единицах, по горизонтальной время в секундах таким образом, что момент времени t = 0 с совпадает с моментом посадки.
Рис. 5. Сигнал перемещения ручки управления самолетом по тангажу
Выполняем сглаживание сигнала х(Ь) с помощью кубического сплайна, па выходе получаем аппроксимацию сигнала управления Вычисляем разницу /(¿) между исходным сигналом х(Ь) и сглаженной кривой К сигналу /(¿) применяем оконный анализ Фурье с окном Ханна. Ширина окна составляет 25 с. Окно движется по реализации сигнала «шума». В каждом положении окна вычисляется спектр части сигнала, заключенной внутри окна. Результат преобразования приведен на рис. 6.
^ Гц
V
[
[ ................1 и
Рис. 6. Динамический спектр сигнала /(Ъ)
По горизонтальной оси графика отложено время в секундах, по вертикальной частота в герцах. Цветом обозначена амплитуда гармоник. На рис. 6 видно, что в спектре управления присутствуют частоты от 0,5 до 2 Гц. По мере приближения к точке касания вклад этих частот увеличивается. Наиболее напряженными для летчика являются последние 18 с, с удалением в 1 км.
7. Заключение
В работе проведен анализ взлетно-посадочных режимов самолетов корабельного и морского базирования, возмущений, действующих на самолеты на этих режимах. Показано, что самолеты данных классов наиболее подвержены на взлетно-посадочных режимах нерегулярным возмущениям различной природы. Описана природа нерегулярности возмущений, действующих на самолет. Предлагается дополнить существующие методы оценки взлетно-посадочных характеристик методом построения динамичеекого спектра параметров движения и управления самолета по времени. Данные спектрального анализа позволяют получить новые сведения о характеристиках движения самолета и психофизиологическом состоянии летчика. На примере хода ручки управления самолетом по тангажу показана методика рас чета динами чеекого спектра.
Данная работа выполнена в рамках и за счет финансовой поддержки проекта «Разработка моделирующего комплекса реалистичного восприятия оператором (летчиком) сложных режимов полета и оценки его психофизиологического состояния» (договор № 02.С425.31.0017/100003471 между ОАО РСК «МиГ» и Министерством образования и науки РФ об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием ФГАОУ ВПО МФТИ (ГУ)).
Литература
1. Павленко В.Ф. Корабельные самолеты. — М.: Военное издательство, 1990.
2. Андриевский Н.П. Гидросамолеты. Особенности взлета и посадки в море. — М.: Военное издательство, 1986.
3. Хохлов А.А. О тяжелых летающих лодках и их мореходности // Легенды и мифы авиации. Из истории отечественной и мировой авиации: сб. ст. — М.: Фонд содействия авиации «Русские витязи». — 2013. - Вып. 5. — С. 102-128.
4. Авиационные правила. Часть 25. — М.: Авиаиздат, 2004.
5. Босняков И. С., Корняков А.А., Судаков Г.Г. Расчет ветровой обстановки в окрестности корабля // Научный вестник МГТУ ГА. — 2015. — № 212. — С. 55-59.
6. Давидам И.Н., Лопатухин Л.П. Навстречу со штормами. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. References
1. Pavlenko, V.F. Naval aircraft. M.: Voennoe izdatelstvo, 1990. (in Russian).
2. Andrievsky, N. Seaplanes. Features takeoff and landing in the sea. M.: Voennoe izdatelstvo, 1986. (in Russian).
3. Khokhlov, A.A. About heavy flying boats and their seaworthiness. Legends and myths of aviation. From the history of Russian and world aviation. A collection of articles. M.: Fund of assistance to aircraft «Russian Knights». 2013. Vol. 5. P. 102-128. — (in Russian).
4. Aviation regulations. Part 25. M.: Aviaizdat. 2004. (in Russian).
5. Bosniaks, I.S., Korsakov, A.A., Sudakov G.G. Calculation of the wind conditions in the vicinity of the ship. Nauchnihvj Vestnik MGTU GA. 2015. N 212. P. 55-59. (in Russian).
6. Davidan, I.N., Lopatuchin, L.I. Meet with storms. L.: Gidrometeoizdat. 1982. (in Russian).
Поступим в редакцию 12.04-2015.
