CC BY
4Труды МАИ. Выпуск № 92 www.mai.ru/science/trudy/_
УДК 629.7.05
Способ оптимизации регулирования давления воздуха в герметической кабине воздушного судна
Кучевский С.В.1*, Гервальд А.В.1**, Онуфриенко В.В.1, Титов Ю.П.2***
1 Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина, ул. Старых Большевиков, 54а, Воронеж, 394064, Россия Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993,
Россия *e-mail: _ [email protected] **e-mail: [email protected] ***e-mail: [email protected]
Аннотация
Предлагается способ оптимизации процесса регулирования давления воздуха в герметической кабине воздушного судна, основанный на прогнозировании изменения давления воздуха, для поддержания требуемого давления воздуха и скорости его изменения в герметической кабине воздушного судна.
Ключевые слова: давление воздуха, герметическая кабина, функциональное состояние, алгоритм регулирования, устройство регулирования давления.
На современных воздушных судах (ВС) для защиты членов экипажа от влияния неблагоприятных факторов связанных с высотным полетом
применяют комплекс технических средств, которые должны обеспечивать поддержание функционального состояния (ФС) членов экипажа в работоспособном состоянии на всех режимах полета.
Анализ летной эксплуатации современных ВС проведенный по материалам Службы безопасности полетов авиации Вооруженных Сил Российской Федерации и материалам международной организации ИКАО показывает, что значительное количество летных происшествий и авиационных инцидентов происходит по причине воздействия на экипаж ВС неблагоприятных факторов высотного полета вследствие нештатной работы технических средств обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа или развития на борту аварийной ситуации связанной с разгерметизацией кабины ВС. К наиболее опасному неблагоприятному фактору высотного полета специалисты относят резкое изменение давления воздуха в кабине ВС, возникающее вследствие интенсивного набора или потери высоты при интенсивном маневрировании ВС в вертикальной плоскости или при разгерметизации кабины ВС. Резкое изменение давления воздуха в кабине ВС может вызвать изменение ФС членов экипажа от дискомфорта, связанного с болевыми ощущениями до полной потери работоспособности при развитии взрывной декомпрессии. Воздействие на экипаж ВС перепадов давления воздуха в кабине с большой скоростью его изменения, прошедшее без видимых симптомов во время выполнения полетного задания часто
становится причиной развития хронических заболеваний, приводящих в
дальнейшем к списанию с летной работы.
Проведенный анализ современных методов и средств защиты экипажа
ВС от влияния неблагоприятных факторов высотного полета показал, что на
современных ВС предусмотрена трехуровневая система обеспечения
жизнедеятельности экипажа при высотном полете, включающая:
герметическую кабину с системой кондиционирования воздуха и системой
автоматического регулирования давления в ней; бортовое кислородное
оборудование и индивидуальное высотное снаряжение членов экипажа;
аварийные высотные средства защиты членов экипажа.
Особенности систем защиты экипажа ВС от высотных факторов лежат
в основе медико-технических требований обеспечения безопасности членов
экипажа в экстремальных условиях высотного полета, которые
регламентируются нормативными документами (ОТТ ВВС).
Так в ОТТ ВВС предъявляются жесткие требования к системам
регулирования давления воздуха в герметической кабине (ГК) ВС. [10]
Анализ тактико-технических характеристик зарубежных ВС пятого
поколения (Б-22, Б-35) и требований предъявляемых к перспективным
Российским ВС пятого поколения (ПАК ФА, ПАК ДА) показывает, что
активно внедряется принцип сверх маневренности, расширяются диапазон
высот и скоростей, обосновывается выход крейсерской скорости ВС на
сверхзвук, а в перспективе и на гиперзвуковые скорости. В этих условиях
ожидается значительное увеличение скорости изменения давления воздуха в ГК при интенсивном маневрировании ВС в вертикальной плоскости, что приведет к ужесточению требований по точности поддержания давления воздуха в ГК ВС заданной медико-техническими требованиями обеспечения безопасности членов экипажа в экстремальных условиях высотного полета.
Потенциальная опасность быстрой разгерметизации ГК на больших высотах задает условия обязательного использования кислородного оборудования во время всего полета и применения высотного снаряжения для членов экипажа, что значительно снижает работоспособность членов экипажа за счет сковывания движений высотным снаряжением.
Проведенная оценка технических возможностей систем регулирования давления воздуха в ГК современных ВС показала, что на режимах интенсивного боевого маневрирования в вертикальной плоскости, а также при разгерметизации кабины ВС на больших высотах существующие технические средства не обеспечивают регулирование давления в ГК согласно требованиям ОТТ ВВС, тем самым на этих режимах не обеспечивается надежная защита членов экипажа от неблагоприятных факторов высотного полета.
В этих условиях задача повышения точности регулирования давления воздуха в ГК ВС согласно медико-технических требований обеспечения безопасности членов экипажа в экстремальных условиях высотного полета является актуальной.
Анализ научных исследований, проводившиеся по обоснованию технических путей совершенствования режимов работы автоматических систем регулирования давления воздуха в ГК ВС были направлены на повышение надежности функционирования и точности поддержания давления воздуха в ГК ВС заданной медико-техническими требованиями обеспечения безопасности членов экипажа в экстремальных условиях высотного полета.
Анализ существующего научно-методического аппарата показывает, что он не обеспечивает оценку точности регулирования давления воздуха в ГК при интенсивном маневрировании ВС в вертикальной плоскости с учетом ограничений накладываемых на скорость изменения давления воздуха и не позволяет оценить возможности компенсации падения давления воздуха в ГК за счет управления подачей воздуха.
Выполнение задач регулирования давления воздуха и поддержания требуемого давления в ГК, при изменении атмосферного давления, требует постановки и решения задачи оптимального управления. Это обусловлено ростом требований к быстродействию и точности указанного процесса. Увеличение быстродействия и точности возможно лишь при правильном распределении ограниченных ресурсов управления. Математически сформулированные задачи регулирования, являются задачами вариационного исчисления. В данной работе применяется математический прием, который называется принцип максимума Понтрягина[1,2].
При рассмотрении предлагаемого способа, внешнее давление изменяется в связи с разнонаправленным изменением высоты с различной скоростью.
Выбран критерий оптимизации и заданы рамки накладываемых ограничений на процесс регулирования давления воздуха в ГК, при этом скорость изменения давления воздуха в ГКЛне должна превышать
• доп ♦ ♦ доп т-ч
предельно допустимую Рк , т.е. Р, < Л . Возникающая ошибка
,-» ~. выч. прог.
регулирования, как критерий оптимизации A8 = f(APK -APK ) должна
^ выч. т—,т r ^ прог.
стремиться A 8 ^ min, где Рк - вычисленное давление в ГК, Рк - давление, согласно программного значения.
Для решения поставленной задачи, функционал оптимизации процесса регулирования давления имеет вид [1-4]:
J = JPl4 (t) - P^it)]2dt ^ min, (1
где Р1ыц. - вычисленное давление регулирования, рпрог. - давление, согласно программного значения, t0, t - интервал регулирования.
Согласно уравнения Менделеева-Клапейрона, давление воздуха в замкнутом пространстве выражается[5, 6]:
РУк =- RTK, (2)
ß
где Рк - давление, Ук - объем, Тк - температура в, Я - удельная постоянная воздуха, т - масса воздуха в, ¡л - молекулярная масса воздуха;
тогда давление в замкнутом пространстве будет равно:
КТК 1
Р = т—- = кт,
Регулирование давления осуществляется управлением сечения пропускных клапанов регулятора давления и регулятора подачи, тогда:
ёРк .¿т ... [о < оп < ог; — = к— = к (Оп + Ов), при [ п п (3)
Ж ж п р |о < о < ошах
где Оп и Ов - допустимая масса подаваемого и выпускаемого воздуха в замкнутом пространстве.
При этом скорости изменения давления воздуха в ГПрк < Р""п, где
Регулирование давления осуществляется путем изменения проходного сечения клапанов регулятора подачи и регулятора давления воздуха, при этом сечение клапанов зависит от вертикальной скорости = ^(0 •
Решение поставленной задачи сводится к регулированию проходным сечение клапанов регулятора подачи и регулятора давления и имеет вид:
|Ч {2(РкГ- -Рк0°г) + (О + аУуРкГ)(* + ъ -*о)}, {2(РкГ- - РГ ) + (О + а¥уРГ)« + Ъ - 2Ъо)}.
Для достижения выбранного критерия оптимизации, не выходя за рамки накладываемых ограничений, предложен способ регулирования давления воздуха.
Его принцип основан на контроле параметров полета. Вычислении на заданный вперед интервал времени, в зависимости от изменения ручки управления самолетом (пространственном положением), значений изменения высоты и вертикальной скорости полета. По полученным значениям вычислении необходимого давления в ГК и скорости его изменения. При ее отклонении от предельно допустимого значения - упреждающем изменении давления в ГК на интервал времени вычисления высоты полета за счет воздействия на заслонку регулятора подачи воздуха и на заслонку регулятора давления для выполнения требуемого закона изменения давления в ГК.
Блок-схема способа регулирования давления воздуха по прогнозным значениям представлена на рисунке 1.
ММ ЛА Н=й(Хв) Pн=f(H)
Рис. 1 Блок-схема способа регулирования давления воздуха по
прогнозным значениям
На вход блока управления (который представляет собой бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), выполняющую вычислительные и управляющие функции) от системы воздушных сигналов (СВС) и датчика положения ручки (ДПР) подается информация о параметрах полета: Н (текущая высота полета), ^ (приборная скорость), Хв (приращение продольного отклонения РУС относительно балансировочного положения), Рн. (атмосферное давление на текущей высоте полета), РТ6' (избыточное давление в ГК), Ра6с (абсолютное давление в ГК), информация о положении заслонок регулятора подачи (РП) и регулятора давления (РД). В блоке управления через заданные интервалы времени вычисляется изменение высоты и вертикальной скорости полета, которое произойдет через определенное время после отклонения ручки управления самолетом. С использованием вычисленных значений реализуется алгоритм (рисунок 2) оценки допустимых пределов изменения давления в ГК на заданный вперед интервал времени (рисунок 3) в зависимости от параметров полета.
Информация о параметрах полета и ГК поступает в блок управления с интервалом 0,25 с, величина которого определяется реакцией человека при восприятии информации.
Отклонение стабилизатора Д32 ) и скорость отклонения стабилизатора Д^ДО для моментов времени определяются в блоке управления по
приращению отклонения РУС (Д^в ) путем численного решения уравнения, описывающего зависимость отклонения Д32 (^) от отклонения РУС для продольного канала системы дистанционного управления (СДУ).
Рис.2 Алгоритм регулирования давления воздуха
Рис.3 Выбор интервала прогнозирования
При отклонении РУС, с использованием данных о параметрах полета и параметрах ГК, в блоке управления в соответствии с уравнениями пространственного положения летательного аппарата, при допущении линеаризованного продольного длиннопериодического движения летательного аппарата, вычисляются значения изменения высоты Нвъ™- и вертикальной скорости полета через ТНзм - время максимальной
вертикальной скорости изменения высоты. В соответствии с математической моделью изменения давления атмосферы от изменения высоты:
¿Рн = ~Р£тdH, (5)
вычисляется р по полученным значениям высоты за установленный интервал Тинш-, основываясь на зависимости р = / (Н).
Дополним систему продольного длиннопериодического движения летательного аппарата, уравнением (9) и уравнением описывающим закон
управления продольным каналом системы дистанционного управления (СДУ) применительно к самолету Су-27 в режиме «Полет» без учета нелинейности и автоматической балансировки самолета при изменении режима полета:
Д8В = к^в , (6)
Получим систему уравнений продольного длиннопериодического движения ВС с уравнениями вычисления изменения давления атмосферного давления. Так же, эта система уравнений дополнена уравнением скорости изменения давления воздуха в ГК:
V + аУ + ог®0 + а" а + а"Н = а3хр8Р; 0 + аууУ + а®0 + а" а + а"уН = 0;
= Д$в;
+ + а® 0 + + а" а + а" Я = а^8в;
г тг тг тг г тг тг тг И'
а-ауГ-а®0 - юг --ануН = 0; # + а^ + ан00 = О; "Р»ЧТН = Рн; -рпцлН Л/\ =
По вычисленным значениям высоты и вертикальной скорости полета на основании физиолого-гигиенических требований, предъявляемых к ГК, с использованием математической модели изменения давления рквыч- и скорости изменения давления Р/"4 воздуха в кабине:
рвыч■ = Ар + В
с/Рвыч■ э (8)
р выч. _ игк у
к с1Н у
где A и В - постоянные коэффициенты;
вычисляется необходимое значение Р/ыч- для вычисленной высоты за время тиш. и ¡у;,,,',. для ег0 С03дания в течение всего полета, в блоке управления,
каждые 250 мс осуществляется контроль параметров полета, с целью принятия решения по варианту регулирования (воздействию на те или иные исполнительные устройства) давления воздуха в ГК.
Такое решение принимается следующим образом. Сравнивается вычисленная скорость изменения давления в кабине и допустимая в зависимости от выполняемого маневра. При условии Р'""г > Р"ыч-регулирование подачи воздуха через впускной клапан не требуется, так как количество воздуха, подаваемое в ГК, полностью удовлетворяет условию создания требуемого давления. Регулирование давления согласно заданному закону полностью осуществляет регулятор давления.
При возникновении во время полета (допустим, в момент времени ^) условия, когда вычисленная скорость изменения давления в кабине на заданный вперед интервал времени превышает допустимую Р"ыч- > 1УГ""Г, например, при выполнении маневров высшего пилотажа с резким набором высоты с большой вертикальной скоростью, блок управления принимает
решение на упреждающее регулирование давления воздуха в ГК путем
13
управления заслонкой регулятора давления и управлением заслонкой регулятора подачи. Для обеспечения процесса регулирования давления в блоке управления в соответствии с реализуемым им алгоритмом вычисляется необходимое давление др в ГК, которое требуется создать к моменту времени тизм, как разность текущего давления в ГК и вычисленного, согласно реализуемой математической модели.
Далее блоком управления вычисляется необходимое количество воздуха Ок, для обеспечения создания дрк:
где G - утечка за счет не герметичности ГК (Gy = const).
Количество подаваемого в кабину воздуха является функцией нескольких параметров:
где р - давление воздуха перед регулятором подачи, Т - температура перед регулятором подачи, Т - температура воздуха в ГК.
Температура Т для ГК является параметром, относительное изменение величины которого для данного устройства является незначительным и принята усредненной константе. Исходя из этого количество подаваемого воздуха вычисляется:
G = Gn - Ge - Gy,
(9)
G„ = f (P,РГ,Т1,Тк) ,
(10)
(11)
Количество выпускаемого:
О = /(Р, РГ), (12)
О = ° АР + до^ ДР. (13)
в дР, к дР" v у
По вычисленному значению Оп и Ое блоком управления определяется необходимое количество воздуха Ок, для создания требуемого давления с наложенными ограничениями по скорости изменения давления воздуха. Для создания вычисленного количества воздуха, требуется вычислить площадь проходного сечения регулирующих органов. Площадь проходного сечения органа подачи р и проходного сечения органа выпуска р вычисляются как функции:
К = Ж, РГ, оя) (14)
К = /(Рн, РГ, о) (15)
Р (1 + —Н)
Кёгу л тс }
ДКя = --(16)
I*8 Р
к° У
ДК„ =
'здт 1
рп+£ну® У^Уу Л тг }
ЯТк ятн
Р
зятк к
(17)
В соответствии с полученным результатом блок управления подает команду на электроприводы, для установки в требуемых положениях рабочих органов впускного и выпускного клапанов.
Так же в блок управления поступают сигналы о значениях Р76' (избыточное давление в ГК) и Рабс (абсолютное давление в ГК). Сравнивая давление, полученное от чувствительных элементов, с рассчитываемым, определяется значение рассогласования заданного давления с текущим. При вычислении др , учитывается значение рассогласования, для уменьшения появляющейся ошибки при создании требуемого давления в ГК.
Таким образом, разработанныйспособ регулирования давления воздуха
в замкнутом пространстве позволяет, за счет периодического контроля
параметров полета, определения на заданный вперед интервал времени
значений изменения высоты и вертикальной скорости полета, и в
соответствии с полученными значениям - необходимого давления в ГК и
скорости его изменения, упреждающе произвести изменение давления в ГК
на указанный интервал времени за счет воздействия на заслонку регулятора
подачи воздуха и на заслонку регулятора давления. Воздействием на
заслонку регулятора подачи и регулятора давления выполнять требуемый
закон изменения давления и скорость изменения давления воздуха в
замкнутом пространстве. Повысить точность регулирования давления
воздуха и поддержания его в заданных пределах в замкнутом пространстве,
16
тем самым увеличить безопасность полетов, что способствует снижению потерь как летного состава, так и авиационной техники.
Библиографический список
1. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. - М.: Наука, 1961. - 392 с.
2. Александров А.А. Оптимальные и адаптивные системы. - М.: Высшая школа, 1989. - 264 с.
3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986. - 544 с.
4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984. - 832 с.
5. Илюшин Ю.С., Олизаров В.В. Системы обеспечения жизнедеятельности и спасения экипажей летательных аппаратов. - М: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1972. - 492 с.
6. Быков Л.Т., Егоров М.С., Тарасов П.В. Высотное оборудование самолетов. М.: Изд-во оборонной промышленности, 1958. - 392 с.
7. Красовский А.А. Вавилов Ю.А., Сучков А.И. Системы автоматического управления летательных аппаратов. - М.: ВВИА имени Н.Е. Жуковского, 1986. - 477 с.
8. Лысенко Н.М. Системы управления и бортовые цифровые вычислительные комплексы летательных аппаратов. - М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1990. - 368 с.
9. Бабича О.А. Авиационные приборы и навигационные системы. - М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1981. - 648 с.
10. Волков А.А. Расчет интенсивности вентиляции гермоотсеков самолёта // Труды МАИ, 2011, № 42: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=24263
