CC BY
41
УДК 629.5:[624.074.43:539.539].001.63
ВСПЛЫВАЮЩАЯ БЕЗМОМЕНТНАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ МЯГКАЯ ЕМКОСТЬ
Друзь И. Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Теоретической механики и сопротивления материалов, ФБОУВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected], Захарина Л. В., директор, преподаватель высшей категории, Сахалинское высшее морское училище им. Т. Б. Гуженко - филиал ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected] Друзь Б. И., д.т.н., профессор, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского»
Сферическая форма обеспечивает мягкой емкости максимальный объем при минимальной затрате материала. Однако часто эти преимущества перекрываются такими ее недостатками как сложность технологии изготовления и большой напряженностью оболочки. В отличие от рассматриваемых нами меридионально напряженных мягких емкостей, у которых при работе оболочка находится в одноосно напряженном состоянии, оболочка сферической емкости находится в двухосно напряженном состоянии. Всплывающая сферическая емкость рассмотрена здесь для того, чтобы можно было сравнить ее параметры с параметрами всплывающей меридионально напряженной мягкой емкости.
Ключевые слова: мягкие пневмооболочки, сферическая форма емкости.
FLOAT UP MEMBRANE SPHERICAL BLADDER TANK
Druz I., Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the Theoretical Mechanics & Resistivity of Materials Chair, FSEIHPE «Maritime State University named after admiral G. I. Nevelskoi», e-mail: [email protected]
Zakharina L., Director, Chief Lecturer, Sakhalin Maritime College - a branch of the FSEI HPE «Maritime State University named after
admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected] Druz B., Doctor of Technical Sciences, professor, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral G. I. Nevelskoi»
The spherical shape provides the maximum amount of soft capacity with minimal material. Often, however, these benefits overlap its shortcomings such as the complexity of manufacturing technology and a lot of stress shell. Unlike under consideration meridian tense soft containers in which the shell is at work in the uniaxial stress state, the shell of the spherical tank is in biaxial stress state. Pop-up spherical container is considered here to be able to compare its parameters with the parameters of pop meridian tense soft containers.
Keywords: soft pneumoenvelopes, the spherical shape of the container.
Сферическая форма обеспечивает мягкой емкости максимальный объем при минимальной затрате материала. Однако часто эти преимущества перекрываются такими ее недостатками как сложность технологии изготовления и большой напряженностью оболочки. В отличие от рассматриваемых нами меридионально напряженных мягких емкостей, у которых при работе оболочка находится в одноосно напряженном состоянии, оболочка сферической емкости находится в двухосно напряженном состоянии. Всплывающая сферическая емкость рассмотрена здесь для того, чтобы можно было сравнить ее параметры с параметрами всплывающей меридионально напряженной мягкой емкости.
Рассмотрим расчетную схему погруженной в воду мягкой сферической емкости, заполненной воздухом, сначала в статическом состоянии, а затем при всплытии с грузом, В расчетной схеме будем считать, что тросы, удерживающие емкость в подводном положении, сплошным образом прикреплены к оболочке и представляют собой конусообразную поверхность.
При подсчете натяжений в оболочке сферической емкости воспользуемся формулами, приведенными в работе [12] для безмоментной сферической оболочки, загруженной только осесимметричной нагрузкой, перпендикулярной к оболочке.
Тф =
d |J P cos фd ф + c
n=Pd - Тф
ф ' е о Ф
фие
2- 2 ' е ~
Sin ф 2 (D
Здесь • и " угловые координаты меридиана сферы и параллели, d - диаметр сферы, Р - осесимметричная нормальная к оболочке рас-
Т , т
пределенная нагрузка, ф - меридиональные и кольцевые натяжения в оболочке, с - произвольная постоянная интегрирования.
В статическом равновесном состоянии под водой на оболочку емкости действуют внутреннее избыточное давление воздуха и внешнее давление воды (рис. 1, а). В сумме эти две нагрузки действуют на оболочку емкости как вода, залитая в подвешенную за те же тросы емкость, находящуюся в воздухе (рис. 1, б). Эту схему и будем в дальнейшем использовать для определения нагрузки на оболочку и натяжений. Если внутреннее давление в емкости в сумме с внешним гидростатическим давлением изменяется по гидростатическому закону
0 й Yd й
от 0 в нижней точке до ' в верхней, то
yd (1 - соб ф)
P =
2 (2)
где ' - удельный вес воды, ' - плотность воды, g - ускорение свободного падения.
Подставив нагрузку (2) в уравнение (1), получим
Y = pg и р
• 1 ° — удельный вес воды, 1 — уравнение (1), по
Тф = (yd2 /4sin2 ф)||(1 - cosф)^фsinфdф + c = (yd2 / 24 sin2 ф)Ц|(2о^ф- 3)cos2 ф + 6c .
При j = 0 знаменатель полученного выражения обращается в ноль. Чтобы в этой точке оболочки натяжения имели конечное значение, выражение в квадратных скобках должно быть равно нулю. Из этого условия получаем c = 1/6. После некоторых преобразований находим
0,1 0,2 0,3 0,4 ( 0 0,1 0,2 0,3 ? 0,4
Рис. 1. Статическое равновесное состояние под водой
Тфн = (уЛ2 / 24 )[ 1 - 2соб2ф / (1 + С0Бф)], Тен = (уЛ2 / 24 )[5 - бсоБф + 2соб2ф / (1 + С0Бф)].
(4)
Здесь индекс н говорит о том, что полученные формулы пригодны для определения натяжений в нижней части оболочки при изменении
ф от 0 до Ф0 . Для верхней части оболочки при изменении ф от до необходимо в уравнении (3) определить постоянную с из условия, чтобы при натяжения в оболочке имели конечное значение. Это дает с = 5/6 и следующие формулы
тфв _ (уЛ2 / 24 )[5 + 2соб2ф / (1 - С0Бф)], Тев = (уЛ2 / 24 )[ 1 - бсоБф - 2соб2ф / (1 + соБф)].
(5)
Если же в нижней точке емкости избыточное давление отличается от нуля и равно Р0, то оно вызывает дополнительное равномерное натяжение в сферической оболочке (рис. 1, а)
Р0 Л _ уИ0 Л
_ (б) где Н0 - длина патрубка, присоединенного к нижней точке емкости.
Натяжение Т0 суммируется с натяжениями, подсчитанными по формулам (4) и (5). Натяжение в тросах, приходящееся на единицу длины линии крепления их к оболочке,
угс^3 у^2
Т _
тр
2,„ •
бБтф0п^Б1пф0 бБт ф
Ф_Ф0 ТФ н + Ттр _ Т в.
Для натяжений в оболочке по этой линии 0 соблюдается равенство т0 у т0
Далее будем оперировать безразмерными параметрами емкости. Для этого примем за характерный линейный размер диаметр сферы
у
Л, за характерный силовой параметр удельный вес воды ' . Формулы подобия
Здесь V, Q - объем и подъемная сила емкости, Ог - вес поднимаемого груза в воде. В формулах малыми буквами обозначены безразмерные значения соответствующих параметров. Формулы для безразмерных параметров
Как показывает анализ у неподвижной погруженной сферической емкости, надутой воздухом, наибольшие натяжения возникают в
Ф_ 180°
п
верхней точке оболочки при
(т ) _(т ) _ ртах л _ ^
V Фв /тах ^ ев /тах 4 4
или в безразмерной форме
(фв )тах =('е■ )тах _ ^
Наибольшие натяжения в оболочке возникают также и по линии закрепления троса. Их величина зависит от расположения линии по
Ф0
высоте емкости, то есть от угла 0 . На рис 2 показаны кривые безразмерных значений натяжений в оболочке по линии закрепления троса, ^ 0н ' ^н ' ге
ниже линии
, фов еов - выше линии, в функции от угла Ф° . Как видно из кривых наибольшие величины натяжений
Т
1 с
возникают в верхней части оболочки, причем кольцевые натяжения °в на некотором участке верхней части оболочки принимают отрицательные значения. Это значит, что в оболочке возникают сжимающие усилия. Мягкая оболочка сжимающих усилий воспринимать не может, поэтому в таких местах должны образовываться складки. Из-за этого форма и объем сферической емкости должны измениться, изменится и все ее напряженное состояние.
Ф0
Рис. 2. Кривые безразмерных значений натяжений в оболочке по линии закрепления троса в функции от угла 0
Расчет сферической емкости с одноосными меридионально напряженными участками оболочки требует применения довольно громоздких численных методов. Здесь мы эти методы рассматривать не будем. Рассмотрим только бесскладчатую работу мягкой сферической емкости.
Для того, чтобы в оболочке не образовывались складки, необходимо внутри емкости создать такое избыточное давление, которое, вызвав по всей оболочке дополнительные растягивающие усилия Т0, нейтрализовало бы сжимающие кольцевые усилия. На линии при-
мыкания тросов к оболочке в этом случае должно соблюдаться условие и приведя к безразмерному виду, получим
Та в + То = 0.
Подставив сюда значения усилий из (5), (6)
\ =-[1-6СО8<Р0 -2СО82<Р0 / 1-СО8<Р0 ]/б=4/в
ф0-
На рис. 2 приведена кривая значений Н0 в функции от 0
При нулевом избыточном давлении в нижней точке емкости (Н0 = 0) сжимающие усилия в оболочке в месте крепления тросов по-
лучаются равными нулю при
ф0 = 80,97°.
ф0 > 80,97°,
Можно делать линию крепления тросов к емкости при 1 0 тогда в оболочке не будут образовываться складки. При
этом тросы не должны соединяться в пучок близко от сферы, чтобы не сдавливать емкость. Это требует большой длины тросов.
ф0 = 60°,
В качестве примера рассмотрена емкость с углом закрепления тросов 0 , при котором натяжения в оболочке еще не
ф0 = 60°,
столь велики, а величина Ь равна половине диаметра емкости. Этот случай изображен на рис. 1, а. Чтобы при 0 не было
кольцевых натяжений в оболочке, необходимо в нижней точке емкости создать избыточное давление с напором Н0 равным половине диаметра емкости (см. рис. 2). Дополнительный напор создает дополнительные натяжения в оболочке равные в безразмерном виде *0 = 0,125.
ф0 = 60°.
На рис. 1, в изображены для этого случая кривые безразмерных меридиональных и кольцевых натяжений для емкости с 0 Сплошные линии показывают распределение по высоте оболочки суммарных натяжений, учитывающих избыточное давление с к0 = 0,5, а пунктирные линии - натяжения при к0 = 0. Как видно из графиков в районе крепления тросов кольцевые натяжения при к0 = 0 принимают
=-0,125).
отрицательные значения
Приведенные на рис. 1, в и 2 кривые параметров сферической емкости дают возможность проанализировать состояние емкости в статическом подводном положении, выявить наиболее напряженные участки.
При всплытии емкости возникают дополнительные силы гидродинамического характера, которые изменяют нагрузку на оболочку емкости. Емкость всплывает с постоянной скоростью и при соблюдении равенства
б - = Кг+Ке
е'
К + К
где
силы сопротивления груза и емкости,
К = с 8 /2,
Ке = СеРи 2 ^е/2>
(7)
(8)
с с S 8
г' е' г' е - коэффициенты сопротивления и площади поперечных сечений груза и емкости. Подставив (8) в (7) и решив относительно и, получим такую же расчетную формулу как и для меридионально напряженной мягкой емкости. Так как сферическая емкость имеет постоянную форму, то в расчетной формуле безразмерный объем будет постоянным и равным
V = п/6.
и
2 б -
р се 8е + Сг 8г
2 gd
(П / 6) - g г
cеsе + сг ^г
= ^¡2gdк[
0и
Коэффициент сопротивления груза сг зависит от формы поднимаемого груза. Коэффициент сопротивления емкости се примем равным коэффициенту сопротивления шара, обтекаемого потоком при достаточно больших числах Рейнольдса.
Будем считать, что распределение внешнего давления, возникающего от взаимодействия емкости с потоком, формируется по оболочке так, как на сфере при закритическом режиме обтекания.
(9)
Здесь Ри - давление, распределенное по меридиану оболочки емкости, возникающее при действии набегающего потока со скоростью
Р0и = ри2/2 ,
и, (рис. 3, а); у"л ' - давление в верхней точке емкости; к - коэффициент, зависящий от коэффициента сопротивления
емкости се.
Так как мы рассматриваем установившееся движение емкости, то вполне можем использовать для расчетов результаты испытаний сферы в набегающем потоке.
Давление Ри обусловлено взаимодействием емкости с потоком жидкости. Из-за наличия вязкости жидкости равнодействующая этого давления направлена против движения емкости и представляет собой так называемое сопротивление формы. Полное сопротивление емкости состоит из сопротивления формы и сопротивления трения, которое также обусловлено вязкостью жидкости. Для тел с малым от-
Рис. 3. Давление, распределенное по меридиану оболочки емкости и кривые безразмерных натяжений
носительным удлинением, к которым относится и сфера, сопротивление формы составляет основную долю полного сопротивления. Мы не будем иметь больших погрешностей в расчетах, если примем, что полное сопротивление емкости состоит только из сопротивления формы. В этом случае, зная коэффициент сопротивления емкости с , сможем определить коэффициент к в формуле (9).
Чтобы определить равнодействующую сопротивления Е, возникающую от взаимодействия емкости с потоком, нужно просуммировать эпюру давления (рис. 3, а), определяемую формулой. Равнодействующая направлена против движения емкости. Часть эпюры в
Ф _ 45° -135°
пределах изменения т симметрична относительно экваториального сечения и уравновешивается. Эпюры в преде-
Ф_0 -45° ф _ 135°-180°
лах и также симметричны и направлены в противоположные стороны, но отличаются по
величине, поэтому интегрирование произведем следующим образом
г0
Fe = (1 - к)J 2nrdlPucosq,
где
0
r = d sin9, dl = dd ф, Pu =-ydhou соБ2ф.
(10)
(ii)
Подставив (11) в (10), получим
П Г 1
Fe =-(1 -к >2 Yd 3hou J sin ф^ ф 2 фd ф = - ^ (1 - к) ydhot
o
В гидромеханике сила сопротивления движению емкости со скоростью u определяется по формуле
nd 2
ри2 „ пd2
Ке = -се "V 8 = се1(^к0и ~Г
(13)
где
8 /4, ри2 /2 = р0и =уН0и =ydкоu•
1 -к /4 = се, 1 -к /4 =се
Приравняв (12) н (13), получим откуда
Теперь определим дополнительное натяжение в оболочке емкости при действии на нее дополнительной нагрузки. Для этого воспользуемся уравнениями (1), в которые подставим нагрузку, определяемую формулами (9). Здесь при интегрировании мы не будем использовать произвольную постоянную интегрирования. Сведем задачу к вычислению интегралов с верхним переменным пределом.
ф 0 ^ 45°
При изменении угла откуда в пределах
ДТ =
фн
d
2БШ2ф
ф к(1Р ф
I pucosфsinфdф =--0^ I sin4фdф =
Л 8sin2ф
0
кЩи 2
32sin ф
СОБ4ф|ф=^2 кки ^^ .
32 БШ2ф
ф Ри = -Р0и соб2ф
При изменении угла в пределах
ДТфн = -yd2
4кк
0и
dPr
0и
32
8sin2ф
ф
| sin4фdф = yd'
2 к0и
32
45°
соб4ф + 1
- 4к
2
БШ ф
V т У
Ри = -Р0и соб2ф
Симметричность нагрузки
Ри = -Р0и соб2ф
относительно экватора сферической емкости позволяет записать формулу для
определения натяжения
dP ф
ДТ
0 и
ф ф0 180°
БТ/в при изменении угла ~ в пределах и следующим образом
к,
| sin4фdф = Yd2 сов4ф| Ф = ^2 ^ СОБ4ф 1.
) ^ 39««2 ф 32 sin2 ф
-фв .1 """ "1 г п„:„2
Запишем расчетные формулы для натяжений в оболочке в безразмерной форме
при <Р = 0° -45°,
д, =кКи со84^-1
"(Он
32 ьт'<Р
/1
Аг =12« № 32
С084^ + 1
-4 к
А/
к{)и со84<р-1 32 вш V
при <Р = 45° при <Р = <Р0 -180°.
ф0
На параллели емкости, соответствующей углу 0 , в месте крепления тросов происходит скачкообразное изменение натяжений в
ДТт
оболочке. Разность меридиональных натяжений, которую обозначим тр, воспринимается тросами емкости. В рассматриваемой схеме действия сил тросы разгружаются. В безразмерном виде разность натяжений
\
Д/тр = Д/%в -Д^юн
к
0и
32
БШ ф0
4к
V ■ " /
Кольцевые натяжения мы сможем определить, воспользовавшись для каждого участка оболочки емкости формулой (1),
ДTe = (d/2)Ри - ДТф б Дte = (d/2)ри -Д/ф.
или в безразмерном виде
По участкам
ч =-—
32 h
Ah
32 /
16cos2<£>
cos4</?-l sin2<?
^ „ cos4<P -1 16cos2<P +---- 4k
32
16cos2<? +
sinV
cos4<p-l sinV
при <P = 0° -45°, при <P = 45° +<p0, при <P = <P0 -180°
На рис. 3, б сплошными линиями показаны кривые безразмерных натяжений в оболочке емкости, отнесенные к И0ы. Действие понижен-
Фо = 0 + 45°,
ного давления в нижнеи части емкости, охватываемой углом
отображено пунктирной линией. В расчетных формулах
k = 1 - 4се = 0,5.
для этого участка принято, что коэффициенты сопротивления емкости се = 0,125 и е Суммарные натяжения в
Аф и А'е h0u = 1.
оболочке емкости показаны на рис. 3, в. При подсчете т было принято 0и Например, если диаметр емкости d
= 1 м, то скорость ее всплытия, соответствующая величине Это достаточно большая скорость. Однако при таком режиме работы четче проявляется действие обтекающего потока на емкость и напряженное состояние ее оболочки.
Из сравнения кривых рис. 1, в и 3, в, видно, что при всплытии емкости значительно увеличиваются кольцевые натяжения в оболочке и особенно в экваториальной ее части. Меридиональные натяжения несколько уменьшаются. Значительно уменьшаются натяжения в оболочке в районе полюсов. В нижней точке натяжения достигают нуля. Это значит, что при малом избыточном давлении H0 в нижней точке емкости, во время подъема в ее оболочке могут образоваться складки. Образование складок ведет к уменьшению объема емкости и изменению режима всплытия.
В процессе разработки расчетных формул был рассмотрен вариант всплытия емкости в идеальной жидкости, когда емкость обтекается потенциальным потоком. Для этого случая имеется точное решение задачи. Дело в том, что при движении сферы в реальной жидкости с большими числами Рейнольдса распределение давления по ее меридиану приближается к закону распределения давления при движении сферы в идеальной жидкости, который описывается следующей формулой
P = P*u (1 - sin2).
На рис. 3, а штрих пунктирной линией нанесена кривая распределения этого давления по меридиану сферы. На рис. 3, б также штрих пунктирными линиями для емкости, всплывающей в идеальной жидкости, нанесены кривые безразмерных величин натяжений в оболочке, отнесенные к к0ы, подсчитанные по формулам
Аф = (V / 32)(8 - 9sinJ), Ate = (V / 32)(8 - 27si<)
2
ф;
Как видно из рисунка отклонения в натяжениях для принятой нами аппроксимации не столь значительны.
В заключение запишем формулу для определения веса груза в воде Ог, который может поднять сферическая емкость. Для этого воспользуемся зависимостями (7) и (7).
Gr = y(nd / 6 - dh0ucend / 4 - dh0ucFSr)
или в безразмерной форме
gг =nd/ 6 - h0uCП / 4 - h0исгSv)'
Вес поднимаемого груза меньше подъемной силы емкости в статическом состоянии на величину силы сопротивления емкости и груза. Если подъем груза производится с больших глубин, то необходимо еще учитывать вес сжатого в емкости воздуха.
Литература:
1. Алексеев В. И., Друзь Б. И., Огай С.А. Определение формы оконечности пневмоцилиндра, подкрепленного тросами// Сообщения ДВВИМУ по судовым мягким оболочкам, вып. 35. - Владивосток: ДВВИМУ, 1977, - С. 91-106.
2. Алексеев В. И., Друзь Б. И. Осесимметричные пневмопластыри, подкрепленные тросами // Там же, - С. 106-118.
3. Антоненко О. В., Друзь Б. И., Потутаровский А. И. Погруженная мягкая цилиндрическая емкость, заполненная воздухом // Сообщения ДВВИМУ по судовым мягким оболочкам, вып. 31. - Владивосток: ДВВИМУ, 1975, - С. 15-41.
4. Друзь Б.И. Статика мягких емкостей // Дис.... канд. техн. наук. - Одесса, 1962. - 289 с.
5. Друзь Б. И., Магула В. Э. Вспомогательные таблицы для расчета цилиндрических безмоментных оболочек // Сборник материалов 1Х краевого конкурса НТО СП. - Владивосток: Дальиздат, 1964, - С. 49-56.
6. Друзь Б. И. Построение графиков параметров мягких цилиндрических оболочек // Строительная механика и расчет сооружений. 1966, № 4.
7. Друзь Б. И., Друзь И. Б. Основы теории аэро- и гидроупругих колебаний мягких оболочек. с Владивосток: Изд-во Дальневосточного университета. 1992, 120 с.
8. Кухлинг Х. Справочник по физике. с М.: Мир, 1982. - С. 519 с.
9. Магула В. Э. Судовые эластичные конструкции. - Л.: Судостроение, 1978. - 263 с.
10. Магула В. Э., Коробанов Ю. Н., Шпаков В. П. Расчеты судовых осесимметричный мягких оболочек. - Николаев: НКИ, 1978. - 97 с.
11. Новожилов В. В. Теория тонких оболочек. - Л.: Судпромгиз, 1951.
12. Флюгге Ф. Статика и динамика оболочек. - М.: Госстройиздат, 1961. - 306 с.
13. Фролов М. Д. Численный расчет геометрии и напряженного состояния мягкой одноосной составной оболочки вращения// Сообщения ДВВИМУ по судовым мягким оболочкам, вып. 29. - Владивосток: ДВВИМУ, 1974, - С. 24-31.
14. Хуберян К. М. Рациональные формы трубопроводов, резервуаров и напорных перекрытий. - М.: Стройиздат, 1956. - 206 с.
15. Чичко Г. М. Расчет каплевидных резервуаров и выбор системы опирания корпуса. - М.: Гостоптехиздат, 1951.
16. Шаповалов Л. А. Об одном простейшем варианте уравнений геометрически нелинейной теории тонких оболочек / Изв. АН СССР. МТТ, 1968, № 1, - С. 56-63.
17. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 711 с.
18. Янке Э., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. - М.: Наука, 1968. - 366 с.
19. Bashforth Francis, Adams J.C. An attempt to Test the Theories of Capillary Action by Comparing the Theoretical and Measured Forms of Drops of Fluid with an Explanation of the Method of Integration Employed in Constructing the Tables Which Give the Theoretical Forms of Such Drops. Cambridge: at the University Press, 1883.
УДК: 621.865.8 + 519.7
ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УПРАВЛЕНИИ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ
Бурый А.С., д.т.н., Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия, заместитель директора департамента общероссийских классификаторов технико-экономической и социальной информации (ФГУП
«СТАНДАРТИНФОРМ»)
Шевкунов М.А., аспирант, Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия
(ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ»)
В статье рассматривается эргатическая система управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) в условиях парирования нештатных ситуаций. Предлагается подход к классификации нештатных ситуаций на основе формализма мультимножеств.
Ключевые слова: эргатическая система, слабоструктурированная задача, мультимножество, техническое состояние, нештатная ситуация.
APPROACH TO BUILDING SUPPORT SYSTEMS DECISION-MAKING IN UAV
CONTROL
Buryy А., doctor of technical sciences, Deputy Director of the Department of all-Russian classifiers of technical, economic and social
information, FSUE «STANDARTINFORM» Shevkunov М., the post-graduate student, FSUE «STANDARTINFORM»
The article discusses ergatic control system of unmanned aerial vehicles (UAVs) in a parry contingencies. The approach to the classification of emergency situations on the basis of the formalism of multisets.
Keywords: ergatic system illstructured problem multiset; technical condition; an emergency situation.
В современной практике эксплуатации летательных объектов вопросам надежности, контролю технического состояния постоянно уделяется неослабленное внимание на протяжении всего жизненного цикла авиационной техники [1]. Однако на фоне совершенствования технического оснащения летательных объектов, систем управления полетом, систем навигации и других вспомогательных подсистем актуальной остается безопасная эксплуатация, осуществляемая эргатическими системами и комплексами управления.
Эргатической системой (ЭргС) будем называть сложную систему управления объектами технических, технологических или организационных комплексов, в которой главным компонентом управляющей системы является человек-оператор, характеризующийся функциональной активностью и функциональным гомеостазисом на множестве функциональных возможностей в условиях динамически изменяющейся внешней среды [2, 3]. К данному классу систем относятся автоматизированные системы управления в производственной сфере, управляемый человеком транспорт (автомобильный, железнодорожный, аэрокосмический, водный), системы дистанционного управления мобильными робототехническими комплексами, радиолокационными станциями и другие. Функционирование современных ЭргС протекает в динамичной и потенциально опасной внешней среде, в условиях жестких требований к правильности и качеству принимаемых оперативных решений, что закономерно порождает негативные факторы для человека-оператора, за счет сенсорных, эмоциональных и интеллектуальных перегрузок [4].
В таком подходе оператор является главным и наиболее критичным компонентом системы, благодаря так называемому «человеческому фактору». По существующей статистике на долю человеческого фактора приходится от 70% до 80% всех авиационных происшествий [5]. Их них около 65% - это ошибки и неправильные действия летного состава. Как правило, ошибки появляются при возникновении нештатных ситуаций (НШС), когда требуется в ограниченное время и в условиях стресса оценить ситуацию и принять единственно правильное решение. Практика показывает, что уменьшение числа ручных операций не приводит к снижению ментальной нагрузки на оператора. Автоматика требует постоянного внимания,
акцент перемещается с исполнительных действий на программирование, планирование, принятие решений [6]. В таких случаях на первое место в обеспечении безопасности полета выходит система поддержки принятия решений (СППР), которая, по сути, является автоматизированным экспертом-помощником в выборе решений оператором (руководителем) на этапах анализа условий полета, формирования возможных вариантов сценариев действий, выбора лучшего из них и оценки результатов принятого решения.
Исходя из вышесказанного, необходимо рассмотреть - какие ситуации являются нештатными для летательных аппаратов и классифицировать их, проанализировать современные системы предотвращения НШС и выделить проблемные моменты в вопросах построения СППР применительно к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА), основываясь на богатом опыте пилотируемой авиации и космонавтики.
Под нештатной ситуацией будем понимать состояние технического комплекса, его составных частей и привлекаемых средств, а также условий полета, не предусмотренные программой штатного функционирования [7].
По аналогии с авиационными правилами можно классифицировать нештатные ситуации БПЛА с использованием следующих критериев [8]:
- ухудшение летных характеристик, устойчивости и управляемости, прочности и работы систем;
- увеличение рабочей (психофизиологической) нагрузки на оператора сверхнормативно требуемого уровня.
По степени опасности выделяют следующие нештатные ситуации [9]:
- усложнение условий полета (УУП);
- сложная ситуация (СС);
- аварийная ситуация (АС);
- катастрофическая ситуация (КС).
КС - нештатная ситуация, при возникновении которой, предотвращение гибели БПЛА практически невозможно.
АС - нештатная ситуация, характеризующаяся значительным ухудшением характеристик и/или достижением (превышением)
