CC BY
65
УДК 623.4.056.4
И. А. Прошин, В. М. Тимаков, В. Н. Прошкин
ТРЕНАЖЕР ПЛАВАЮЩЕГО ОБЪЕКТА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ЭКИПАЖЕЙ ДЕЙСТВИЯМ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
Введение
Развитие науки и техники расширило возможности по совершенствованию средств обучения экипажей морских объектов, пилотов военно-морской авиации и других специалистов как в обычных, так и чрезвычайных ситуациях с применением тренажных средств, обеспечивающих повышенную точность отработки силового воздействия тренирующимся экипажем при управлении объектом в условиях волнения водной поверхности. К таким объектам относятся подводные лодки, противолодочные вертолеты морской авиации, гидросамолёты (амфибии), десантные корабли на воздушной подушке и т. п.
В известных тренажёрах физические воздействия на оператора либо вообще не учитываются, либо воспроизводятся без учёта их балльности, направления и последовательности воздействия волн. Отсутствие такой имитации существенно снижает полноту имитационной модели, т. к. её акселерационные и тактильные составляющие при отработке задач управления объектом играют важную роль в восприятии реальной обстановки.
Так, в патенте Японии [1] описано устройство для имитации колебаний, обладающее ограниченными возможностями при моделировании акселерационной информации, - имитируется лишь килевая качка корабля вверх и вниз.
Целью исследований являлось создание и совершенствование системы имитации колебаний вертолёта с посадкой на взволнованную водную поверхность с учётом балльности, направления движения волн и частоты их воздействия на имитируемый объект, осуществляющий обнаружение подводных лодок и определение координат целеуказаний по наведению противолодочных кораблей и других средств поражения.
Посадка вертолёта на водную поверхность диктуется чрезвычайными обстоятельствами по спасению экипажей подводных лодок, катапультирующихся пилотов, рыбаков и других терпящих бедствие. Основное внимание в работе было уделено исследованию тренажёров для подготовки лётного состава к пилотированию вертолета с посадкой на водную поверхность в чрезвычайных ситуациях на базе технических решений, рассмотренных в [2-5].
Оценка требований к тренажёру вертолёта
Для исключения перевертывания находящийся на взволнованной водной поверхности вертолёт должен быть направлен строго под определенным углом по отношению к фронту волны, что определяет необходимость обучения как пилотов, так и операторов других плавающих объектов навыкам по управлению этими объектами.
Угловые положения плоскости задаются тремя точками, не лежащими на одной прямой. Такую плоскость зададим для вертолета линией обвода днища от воды в спокойном состоянии. Отметим, что линия обвода для днища вертолета близка к форме круга, для днища самолета-амфибии - приблизительно удлиненный эллипс и т. д.
Для задания различных угловых положений плоскости обвода днища вертолета определим три точки на этой плоскости, образованные вписанным в нее равносторонним треугольником, вершины которого касаются линии обвода плоскости фюзеляжа. Воздействуя на эти точки приложенной силой, можно управлять отклонениями этой плоскости в любом направлении, а следовательно, и отклонениями кабины тренажера.
На рис. 1, а схематически изображен вертолет, находящийся на гладкой водной поверхности, где линия обвода от касания днище вертолета - поверхность воды обведена пунктирной линией. Вершины равностороннего треугольника а, в, с, касающиеся линии обвода, определяют три точки силового воздействия следящих приводов динамического стенда на кабину тренажера при имитации угловых отклонений вертолета от воздействия волн, зависящих от скорости ветра (определяющего балльность волнения) и направления фронта волны относительно фюзеляжа.
Рис. 1. Схема расположения вертолёта на водной поверхности (а) и механизм движения вертолёта на водной поверхности (б)
При имитации движения кабины тренажера от воздействия волн на днище вертолета точки а, в, с будут совершать возвратно-поступательные перемещения по вертикали, близкие к гармоническим колебаниям, но сдвинутые по времени относительно друг друга в зависимости от направления фронта волны по отношению к фюзеляжу вертолета и скорости перемещения гребня волны.
На рис. 1, б отражен механизм движения каждой точки (а, в, с) под воздействием следящих приводов, которые управляются сигналами, вычисленными в соответствии с полученными уравнениями движения для каждой из этих точек.
Точки а, в, с являются шарнирными точками крепления исполнительных следящих приводов к кабине тренажера; ув - угол направления ветра относительно продольной оси вертолета. Из анализа треугольников Aadb и Да/с следует:
а = 60° - g в, b = 60°+g в, db = A - sin а = A - sin (60° - ув),
с/ = A - sin b = A - sin(б0° + ув), (1)
где А - длина стороны равностороннего треугольника abc.
Следовательно, время Д^ и At2 прохождения гребня волны на отрезках соответственно db и /с определяется выражениями
л db . /с
Dt1 = —; Д,2— , (2)
^в ^в
где ув - скорость перемещения гребня волны.
Соотношения (2) с учетом (1) принимают вид:
= A sin (60°-g в ) ; Д, A sin (60°-g в ) . (3)
^в ^в
Возвратно-поступательные перемещения шарнирных точек а, в, с с амплитудой L и заданной частотой ю с учётом (3) будут описываться следующей системой уравнений в матричной форме:
8ІИ Ш
(4)
Таким образом, задача по имитации движений кабины вертолёта от воздействия волн сводится к перемещениям точек а, Ь, с по вертикалям в соответствии с уравнениями (4) для каждой из них. Для выполнения такой задачи необходим динамический стенд, обеспечивающий угловые движения по крену, тангажу и вертикали.
Динамические стенды авиационных тренажёров
На рис. 2, а представлен отечественный динамический стенд авиационных тренажеров с шестью степенями свободы ДС6-1. Движение подвижной платформы шестистепенного динамического стенда задается в трех точках воздействием на каждую шарнирно соединенную пару исполнительных гидроцилиндров привода.
Шестистепенной стенд представляет собой пространственно-кинематическую схему из шести взаимосвязанных попарно исполнительных гидроцилиндров следящих приводов, работающих в телесном угле до 70° относительно вертикальной оси.
На рис. 2, б представлен трехстепенной динамический стенд (одной линейной по вертикали и двум угловым степеням свободы) типа ДС-3 с предельным угловым отклонением по крену.
На рис. 3, а изображена кинематическая схема трёхстепенного стенда ДС-3,
на рис. 3, б - модель волнения водной поверхности.
а
б
Рис. 2. Динамические стенды ДС6-1 (а) и ДС-3 (б)
а
б
Рис. 3. Кинематическая схема динамического стенда ДС-3 (а) и модель волнения водной поверхности (б)
Подвижная платформа стенда перемещается тремя исполнительными гидроцилиндрами, каждый из которых шарнирно соединен с основанием и подвижной платформой. При такой конструкции каждый привод работает автономно, не оказывая заметного влияния на другие приводы, т. к. отклонение оси каждого исполнительного гидроцилиндра от вертикали в телесном угле, при максимальных угловых перемещениях подвижной платформы, не превышает 6°, что видно из рис. 2, б. Такая кинематика стенда практически исключает взаимное влияние на изменение (перераспределение) усилий от веса подвижных частей на каждый гидропривод при их совместной работе.
В таблице приведены основные технические характеристики отечественных динамических стендов авиационных тренажеров с электрогидравлическими приводами.
Динамические стенды авиационных тренажёров
Параметр Тип динамического стенда
ДСЗ ДС6-1 ДСб-1,5
Максимальные линейные перемещения, м: продольное вертикальное поперечное +0,9З; -0,7З +1,З8; -1,07
±0,55 +0,б; -0,78 0,088; -1,01
- ±0,75 ±1,12
Максимальные угловые перемещения, град: тангаж крен рыскание ±24 ±25 ±25
±2З ±29 ±28
- ±27 ±28
Максимальная линейная скорость, м/с 0,8 0,8 0.8
Максимальное линейное ускорение, м/с2 8 8 8
Максимальная угловая скорость, град/с З0 З0 З0
Грузоподъемность, кН (тс) 40(4) 40(4) 90(9)
Энергопотребление, кВА 70 120 180
Давление в магистрали нагнетания, МПа (кг/см2) 20 (200) 20 (200) 20 (200)
Количество степеней свободы стенда З б б
Из вышеизложенного следует, что для имитации колебаний вертолета, находящегося на взволнованной водной поверхности, и обучения пилотированию вертолёта в экстремальных ситуациях достаточно использовать динамический стенд с тремя степенями свободы: две угловые - по крену и тангажу, третья - по вертикали.
Методика выбора динамических стендов тренажёров
Необходимо отметить, что посадка вертолета на водную поверхность допустима с волнением менее 3-х баллов, при котором амплитуда колебаний (высота волны) составляет менее одного метра, что в основном определяет конструктивные требования к динамическому стенду. Из анализа таблицы следует, что наиболее приемлемым является динамический стенд ДС-3, изображенный на рис. 2, б.
Для определения соответствия параметров движения стенда ДС-3 при воспроизведении ускорений параметрам движения от воздействия гармонических колебаний на реальный объект при волнении водной поверхности, представим график синусоидального движения, например, точки а (рис. 3, б), с учетом предельных значений стенда по перемещению и скорости движения штока гидроцилиндра.
Максимальное ускорение при движении точки а определим по значению второй производной от перемещения (4). Скорость перемещения va точки а определяется первой производной от перемещения:
va = La = Lwcos wt. (5)
Вторая производная от перемещения - ускорение sa точки а:
ea = La = -Lw sin wt. (6)
Значение угловой частоты ю в уравнениях (5), (6) определим, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными ю и T.
La = Lw cos wt;
2p w = —.
T
Откуда
Следовательно,
va La max L * 1 — 1cos wt .
2p
T
T = L * 2p* cos wt
= L
a max
Максимальная скорость va max = La max шарнирного узла а соответствует точке траектории движения a0 (рис. 3) и определяется максимальной скоростью движения штока гидроцилиндра,
равной va = Lamax = 0,8 м/с .
Учитывая, что при волнении до 3 баллов высота волны от гребня до впадины составляет
менее 1 м, а располагаемый ход штока гидроцилиндра равен 1 м, можно принять значение
L = ±0,5 м . Тогда, в соответствии с (7),
^ 0,5 * 2 * 3,14 *1 м „ ^ 2 * 3,14 , , ,
T = —------ ------- = 3,925 с; w =------— = 1,6 м/с .
0,8 м/с 3,925
Подставляя в уравнение (6) значение w = 1,6 1/с, определим максимальное ускорение, воспринимаемое реальным объектом:
eamax = Lamax =-Lw2sin wt = -0,5 м(1,6 1/ с)2 *1 = 1,28 м/с2 .
Расчеты подтверждают возможность использования стенда ДС-3 для подготовки пилотов вертолётов, т. к., согласно таблице, стенд ДС-3 способен воспроизводить ускорения до 8 м/с2, превышающие требуемые ускорения величиной 1,28 м/с2.
Заключение
Отработка навыков пилотирования в экстремальных и аварийных ситуациях может быть обеспечена только с использованием тренажёров. Исходя из требований по имитации колебаний плавающих объектов, находящихся на взволнованной водной поверхности (гидросамолеты, самолеты амфибии, катера на воздушных подушках, противолодочные вертолеты для обнаружения подводных лодок с определением их скорости, направления движения и глубины погружения) для подготовки лётного состава могут быть использованы динамические стенды ДС-3. Разработанный гидропривод с компенсацией веса подвижной платформы позволяет повысить точность отработки задающих воздействий и приблизить нагрузки, создаваемые на стенде, к реальным, уменьшить величину создаваемых гидроприводом усилий при сохранении быстродействия. Практическое использование разработанной системы при создании динамических стендов авиационных тренажёров для подготовки лётного состава противолодочного вертолёта В-14 с посадкой на воду показало её высокую эффективность, выразившуюся в более точном воспроизведении акселерационных воздействий, повышении управляемости и надёжности тренажёров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Заявка № 54-21132 Япония. МКИ: G09 B9/08. НКИ: 119 М0. Устройство для имитации колебаний / Хитати дэнси К. К. - 1979. - № 7. - С. 529.
2. А. с. № 900308 СССР. МКИ: G09 B9/00. Тренажер водителя транспортного средства / Клюев Б. В., Тимаков В. М., Швецов П. Е., Биченов В. В. - 1982. - Бюл. № 3.
3. Прошин И. А., Прошкин В. Н., Тимаков В. М. Математическое моделирование гидропривода динамического стенда авиационного тренажера // Журнал науч. публикаций аспирантов и докторантов. -2008. - № 11. - 2008. - С. 113-119.
4. Математическое моделирование гидроприводов авиационных тренажеров / И. А. Прошин, В. Н. Прошкин, В. М. Тимаков и др. // Надежность и качество. I т.: тр. Междунар. симпоз. - Пенза, ПГУ, 2008. - С. 469-472.
5. Прошин И. А., Прошкин В. Н., Тимаков В. М. Совершенствование динамических стендов авиационных тренажеров на базе гидроприводов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - № 12. - С. 18-22.
Статья поступила в редакцию 25.01.2009
FLOATING SIMULATOR FOR FLIGHT CREW EMERGENCY TRAINING
I. A. Proshin, V. M. Timakov, V. N. Proshkin
The emergency flight trainer-simulators are discussed in the paper. Primary consideration is given to the improvement of dynamic test systems and the controlled hydraulic servo of the ditching helicopter trainer. The requirements for the trainer are established, and the trainer selection procedure is suggested. The possibility to increase accuracy in servoing and optimization of the reference-input signals by means of weight compensation of the dynamic test system platform is investigated.
Key words: helicopter trainer, dynamic test system, extreme case, trainer selection procedure.
