Методологические основы решения задач летной эксплуатации воздушных судов с системами автоматического управления

В работе представлено одно из направлений решения комплекса задач аэродинамики и динамики управляемого движения летательных аппаратов (ЛА) различного типа с использованием методов математического моделирования.

Высокая эффективность и безопасность полёта неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от качества самолёта, его функциональных систем и пилота, управляющего им.

Качество самолёта характеризуется тремя основными свойствами [79, 80, 81]: устойчивость, управляемость и манёвренность, надёжность планера, двигателей и безотказная работа функциональных систем, включая системы автоматического управления.

Качество пилота определяется его теоретической и практической подготовкой, пониманием динамики движения самолёта в различных ситуациях, знанием соответствующих инструкций по лётной эксплуатации и умением грамотно эксплуатировать системы автоматического управления [82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89].

Совокупность средств, методов и целей управления называется техникой активного управления. Одной из важнейших задач, стоящих перед гражданской авиацией в настоящее время, является дальнейшее повышение уровня безопасности полетов самолетов, использующих технику активного управления, расширение диапазона их летной эксплуатации. Решение этой и ряда других задач может быть осуществлено путем разработки новых методов исследования и использования в эксплуатации различных многофункциональных систем активного управления, систем, улучшающих характеристики устойчивости и управляемости, вычислительных систем автоматического управления полетом. С ростом функциональных возможностей таких систем возрастают требования к их надежности в различных условиях эксплуатации.

В связи с этим необходим комплексный подход в решении многоплановых задач аэродинамики и динамики управляемого полета ЛА, оснащенных такими системами, важное место в решении которых отводится математическому моделированию.

Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и безопасности полётов летательных аппаратов тесно связаны между собой, то для обеспечения хороших показателей этих качеств необходимы методы как теоретических, так и экспериментальных исследований взаимно дополняют друг друга [90, 91, 92]. Все трудности в изучении и понимании этих проблем вытекают из большого числа параметров и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полёта, режимы работы вычислительных систем управления полётом и действия лётчика в конкретной ситуации. Поэтому в некоторых случаях полёта из-за ошибок в пилотировании и ошибок в эксплуатации автоматических систем управления возможно попадание самолёта на критические режимы полёта, которые могут усугубляться сложными метеоусловиями, отказами функциональных систем самолёта, недостатками эффективности рулевых поверхностей и т. д. Это всё приводит к дополнительным трудностям в эксплуатации самолёта, к снижению его лётно-технических характеристик (ЛТХ) и уровня безопасности полёта [93, 94, 95, 96, 97].

Наиболее сложным и ответственным с точки зрения обеспечения безопасности полётов любых самолётов, в том числе оснащённых системами активного управления, являются режимы взлёта, захода на посадку и посадки самолёта [98, 99, 100,101, 102, 103], специфика которых обусловлена:

— существенно нелинейным характером аэродинамических характеристик самолёта на больших взлётно-посадочных углах атаки;

— перестроением структуры обтекания при перемещении органов аэродинамического управления;

— 8- явным проявлением перекрёстных связей продольного и бокового движений самолёта;

— значительным влиянием близости земли, как на аэродинамические характеристики, так и непосредственно на условия пилотирования самолёта;

— наличием принципиально особых этапов движения самолёта: отрыв, касание и движение по ВПП;

— большим повышением психофизической нагрузки на экипаж в связи с резким возрастанием объёма и сложности задач, которые необходимо решить в течение коротких периодов времени;

— необходимостью применения особых, отличных от используемых в течение всего остального полёта методов пилотирования, требующих большой точности, чёткости и своевременности действий экипажа;

— значительным влиянием внешних атмосферных условий;

— существенным эксплуатационным разбросом параметров в рассматриваемых режимах полёта.

Необходимость решения указанных и многих других вопросов делает задачу исследования движения самолёта на режимах взлёта и посадки в нормальных и особых случаях полёта весьма актуальной.

В настоящее время многие самолёты оснащены автоматическими системами улучшения устойчивости и управляемости, работа которых изменяет собственные характеристики самолёта. В связи с этим возникает необходимость в исследовании поведения таких систем (особенно на взлётно-посадочных режимах) в различных условиях эксплуатации с учётом физических закономерностей силового взаимодействия обтекаемого тела со средой.

Современные методы исследования движения самолёта, оснащённого системой активного управления, на всех этапах полёта базируются на системном подходе к проблеме обеспечения безопасности полёта, который позволяет рассматривать и прослеживать большое число условий связей и факторов, влияющих на возникновение, ход и исход особых ситуаций полёта.

Системное представление достигается построением единой модели изучаемых явлений и системной организацией исследований. Системная организация означает непрерывное планирование и управление разработкой проблемы безопасности полётов на всех этапах полёта с применением современных методов.

Основными направлениями исследований указанных проблем в настоящее время является лётный эксперимент, исследования в аэродинамических трубах и математические средства, включающие аналитические методы и моделирование на ЭВМ и пилотажных стендах. Здесь важен системный подход, предполагающий комплексное решение задачи:

— определение стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик самолёта и его органов аэродинамического управления;

— разработка методов исследования систем активного управления в различных условиях эксплуатации;

— математическое моделирование динамики управляемого движения самолёта;

— лётный эксперимент.

Математическое моделирование управляемого полёта самолёта является венцом всех аэродинамических исследований и позволяет до начала лётных испытаний, в процессе их проведения и по окончании в ходе эксплуатации самолёта проводить исследования поведения самолёта в различных условиях эксплуатации, работоспособности его функциональных систем на всех возможных режимах. Хотя теоретические основы построения и применения математического моделирования движения летательных аппаратов различного типа всё ещё находятся в стадии разработки и становления, тем не менее, как уже показывает практика, математическое моделирование полёта самолёта является наиболее перспективным методом определения его характеристик [104−118].

Успешное создание математических моделей управляемого движения самолётов различного типа невозможно без хорошо организованного системного анализа методов, развиваемых в базовых науках (аэродинамике, динамике полёта, теоретической механике, теории автоматического управления, теории упругости) и позволяющих последовательно, в зависимости от заданного аргумента определять все кинематические параметры движения и величину управляющих сигналов от лётчика и автоматических систем. Однако такой общий подход к проблеме математического моделирования делает задачу довольно сложной и трудно обозримой: поставленная задача имеет большую размерность по количеству параметром объекта (самолёта, систем активного управления, окружающей среды и т. д.), режимов полёта и исходных данных. Тем не менее, решение именно такой большой и сложной задачи позволяет иметь достаточную гарантию её адекватности, которая может быть проверена и уточнена по результатам лётных испытаний.

В настоящее время во многих организациях ФСВТ и МАП разработаны с теми или иными допущениями полные математические модели жёсткого самолёта, включающие модель работы САУ, демпферов и модель управляющих воздействий лётчика. В этом направлении можно отметить успешные работы научных коллективов, работавших под руководством Тотиашвили Л. Г. (РКИИГА), Чистякова В. А. (РО ГосНИИГА), школу Белоцерковского С. М. (ВВИА им. Н.Е. Жуковского), Кербер О. Б. (МИЭА), Бюшгенса Г. С. (ЦАГИ), Смыкова В. Г. и Иванико А. К. (ГосНИИГА), Ципенко В. Г. (МГТУ-ГА), Касьянова В. А. (КИИГА), Белова И. А. (ОЛАГА), Рыжова Ю. А. (МАИ), Миеровича Г. А. (ЛИИ), Муравьёва Г. Г. и Егорова В. И. (ММЗ им. С.В. Ильюшина) и многих других.

Особое место занимают работы Тотиашвили Л. Г., Бурдуна И. Е., Мазура В. Н., Баранова A.A., Санникова В. А., Липатова А. И., Боярского Г. Н., Кубла-нова М.С., Ударцева Е. П., Лазнюка П. С., Страдомского О. Ю., Егорова Г. С., Фицнера Л. К., Савина B.C., Моисеева Е. М., Сушко В. В., Ломовского В. В., Ермакова В. В., Супруна В. М., Пухова В. В., Леонова В. А., Сурина В. П., Пу-миновой Г. С., Матвеева Ю. И., Опара A.C., Юша Н. Ф., Кулифеева Ю. Б., Морозова В. И., Брагазина В. Ф., Феногенова Д. А., Шишмарёва A.B., Бина Г. Е. и других отечественных и зарубежных учёных.

Характерным для большинства этих работ [119 — 129] является трудность замыкания общих уравнений движения самолёта, которые преодолеваются путём задания законов управления и дополнительных соотношений, полученных из эксперимента. Дополнительные трудности возникают в связи с разработкой и внедрением на современных самолётах различных систем активного управления. Это оставляет проблему создания адекватных математических моделей управляемого движения самолётов по-прежнему открытой и одной из основных [130, 131].

К настоящему времени уже опубликовано достаточно много материалов, посвящённых решению частных задач движения воздушного судна в нормальных условиях взлёта и посадки [106, 110, 112, 113,114], но совсем мало материалов, касающихся особых случаев при взлёте и посадке. В этой связи актуальным является разработкой математических моделей аномальных атмосферных явлений и анализ их влияния на динамику управляемого полёта, адекватное моделирование действий экипажа и работы автоматических систем управления в различных условиях полёта, включая отказы функциональных систем управления и ошибки экипажа.

Отсутствие на сегодняшний день надёжных результатов по данным вопросам во многом объясняется отсутствием комплексного подхода к решению задач динамики управляемого полёта и обусловлены:

— недостаточным исследованием при математическом моделировании движения самолёта, оснащённого системой активного управления,.

— отсутствие теоретических методов анализа и синтеза аномальных атмосферных условий и их влияния на динамику управляемого полёта;

— отсутствие адекватной модели пилота, функционирующего в комплексе с системой активного управления. Кроме этого, следует учитывать постоянное совершенствование и расширение функциональных возможностей различных систем автоматического управления, которые должны быть отражены в комплексных математических моделях динамики управляемого полёта.

Подводя итоги анализа недостатков существующих методов исследования повышения эффективности лётного эксперимента и уровня безопасности полёта самолётов, управляемых лётчиком и/или автоматическими системами, в различных условиях эксплуатации, можно заключить, что они не позволяют в полной мере реализовать все преимущества математического моделирования управляемого движения самолёта и требуют совершенствования, что и нашло отражение в рассматриваемой диссертационной работе.

Таким образом, в предлагаемой работе решается имеющая важное в гражданской авиации значение проблема повышения эффективности лётной эксплуатации и уровня безопасности полётов самолётов, оснащённых различными системами автоматического управления, в нормальных и особых случаях полёта, путём использования методов математического моделирования. Созданные новые методы исследований позволяют разработать рекомендации по совершенствованию и повышению эффективности систем автоматического управления и техники пилотирования в нормальных и особых случаях полёта.

Решение указанной проблемы позволяет существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств самолёта (в том числе создаваемых искусственным путём) в сложных условиях взлёта и посадки при сохранении или уменьшении объёма лётных испытаний, до проведения лётных испытаний давать рекомендации по обеспечению безопасности и регулярности полётов, расширению лётных ограничений и делать заключения по соответствию самолёта нормам лётной годности.

Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в Рижском авиационном университете (РАУ) и Егорьевском авиационном техническом колледже ГА (ЕАТК ГА) в период 1987 — 2000 гг.

Ниже приводится краткая характеристика целей, задач, основных результатов диссертационной работы и её содержание.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка универсальной математической модели (комплекса) «летательный аппаратбортовые вычислительные системы — пилот — бортинженер (оператор) — окружающая среда — силовое взаимодействие», позволяющей проводить опережающие и дополняющие исследования по разработке перспективных и находящихся в эксплуатации летательных аппаратов и их систем автоматического управления, получить более широкую и достоверную информацию о полёте самолёта в условиях воздействия атмосферных возмущений различного типа (в том числе аномальных).

Эффективное использование техники активного управления не возможно без знаний нестационарных характеристик органов аэродинамического управления. В этой связи необходимо разработать теоретические и экспериментальные методы определения и учёта в математической модели нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта и оценить их влияние на динамику управляемого полёта.

Математическая модель — это нелинейная модель динамики управляемого полета ЛА, охватывающая в полном объеме математическое описание пространственного движения самолета, модель пилота и бортинженера (оператора), модель окружающей среды, модель стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик, модель автоматической системы штурвального управления, включая систему улучшения устойчивости и управляемости, модель вычислительной системы управления полётом. В разработанной модели реализован комплексный подход при решении ряда задач динамики полета, имеющих важное отраслевое значение, направленных на повышение уровня безопасности полета и экономичности эксплуатации летательных аппаратов различного типа, а также на уменьшение объёма лётных испытаний, финансовых и людских ресурсов.

— 14.

Главными задачами работы являлись:

— проведение анализа проблем и путей решения вопроса эффективного функционирования системы «лётчик — автоматические системы управления;

— разработка и анализ общей системы математического моделирования управляемого движения самолёта;

— разработка модели стационарных аэродинамических характеристик летательного аппарата, высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя;

— разработка методов представления и экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта;

— разработка метода учёта нестационарных аэродинамических характеристик органов аэродинамического управления в математическом моделировании динамики управляемого полёта;

— дополнение математической модели динамики управляемого полёта алгоритмами управляющих воздействий автоматических систем управления в операторной форме, включая модель привода рулевых поверхностей;

— исследование поведения вычислительной системы управления полётом на различных режимах работы и в различных условия эксплуатации с целью оценки её эффективности и определения путей совершенствования;

— разработка математической модели действий человека (лётчика), как звена контура управления самолётом;

— разработка математической модели атмосферных явлений повышенной опасности и оценка их воздействия на аэродинамические и динамические характеристики самолёта и его систем автоматического управления (прямая задача) и разработка метода восстановления картины атмосферных возмущений по параметрам движения (обратная задача).

Основная идея диссертационной работы состоит в разработке полного, универсального математического комплекса как наиболее дешёвого и доступного средства, позволяющего проводить исследования действий экипажа, самолёта, и его систем управления в широком диапазоне эксплуатационных факторов, а также решать обратные задачи динамики полёта по восстановлению атмосферных возмущений различного типа. Дорогостоящие лётные эксперименты в этом случае используются только для контроля расчётных результатов, подтверждения их достоверности и точности.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий методы численных решений интегральных и дифференциальных уравнений, теории функций и функционального анализа, матричной алгебры и методы экспериментального определения и исследования нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Реализован комплексный подход в решении прямых и обратных задач динамики управляемого полёта с разработкой моделей совместной работы человека и автоматических систем управления в нормальных и сложных условиях эксплуатации.

2. Предложен метод экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта и алгоритм учёта нестационарности в аэродинамических силах и моментах, вызванной перемещениями органов аэродинамического управления в математической модели динамики управляемого человеком и автоматическими средствами полёта самолёта.

3. На основании разработанной методики аэродинамических исследований с использованием специальной модели самолёта с управляемыми закрылками и рулём высоты, проведены комплексные исследования по определению стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей.

— 164. На основании экспериментальных данных определено запаздывание в формировании аэродинамических сил и моментов от отклонения закрылков и руля высоты модели самолёта и определены разностные ступенчатые переходные функции, позволяющие представить нестационарные аэродинамические характеристики рулевых поверхностей в интегральной форме.

5. Разработана модель летательного аппарата (JIA), представленная системой интегро-дифференциальных уравнений движения, дополненных уравнениями связи Эйлера и моделью аэродинамических характеристик, позволяющих учесть нестационарность формирования аэродинамических сил и моментов от отклонений рулевых поверхностей, включая влияние эредитарности. Модель ЛА включает в себя характеристики двигателя (высотно-скоростные и дроссельные характеристики) и модель движения ЛА на границе раздела двух сред (атмосфера-поверхность) с моделированием состояния поверхности и видимости для экипажа.

6. Разработана математическая модель пилота и бортинженера, позволяющая реализовать дискретно-непрерывное (форсированное) управление всеми органами управления (включая управление взлетно-посадочной механизацией и управление двигателями) на всех этапах полета от взлета до посадки, с учетом физиологических возможностей человека и особенностей автоматических систем управления. В контур модели управляющих воздействий включены модели реальных автоматических систем и решена задача их функционирования в теле модели, настроенной на конкретный объект моделирования, совместно с управляющими воздействиями человека. Для решения ряда прикладных задач моделируются сигналы курсоглиссадной системы.

7. Реализована модель окружающей среды, включающая в себя различные атмосферные условия и состояние ВПП. Модель атмосферных условий основана на данных МСА и позволяет осуществлять расчеты как.

— 17 В стандартных, так и не стандартных атмосферных условиях. Моделирование полетов в неспокойной атмосфере выполнено путем описания ветровых воздействий в виде одиночных порывов и сдвигов ветра. Скорость ветра и его направление можно задавать путем описания профиля ветра в зависимости от выбранного аргумента. Кроме этого, модель атмосферных условий включает в себя математическое описание воздействий на летательный аппарат атмосферных осадков в виде ливневого дождя различной интенсивности и профиля, а также аномальных атмосферных явлений типа подвижных кольцевых вихрей различной конфигурации и интенсивности. В модели окружающей среды заложена возможность описания состояния ВПП путем введения в расчеты величины коэффициента сцепления, определённого по дессе-лерометру и высоты аэродрома над уровнем моря.

8. Задание на моделирование конкретной полетной ситуации формируется в виде сценария, в котором специальным образом описываются характерные события полета и критерии их распознавания, формируются решаемые задачи пилотирования на различных подэтапах, включающих непрерывное управление, направленное на стабилизацию заданных параметров движения и выполнение разовых процедур (выпуск-уборка взлетно-посадочной механизации, перекладка рулей и т. п.), моделируются состояние ВПП (поверхности) и атмосферы.

9. Разработан тренажёрный вариант математической модели путём расширения функциональных возможностей сценария за счёт добавления в контур управляющих воздействий сигналов от реального лётчика (оператора) в диалоговом режиме.

10. Модель позволяет:

— проводить исследования с целью оценки динамики управляемого полета существующих и находящихся в стадии проектирования летательных аппаратов в сложных и ожидаемых условиях эксплуатации, включая моделирование отказов функциональных систем;

— 18- сопровождать и дополнять летные испытания вводимых в эксплуатацию новых типов ЛА- - принимать участие в расследовании авиационных происшествий путем полного моделирования конкретной полетной ситуации, включая определение и учёт фактического состояние атмосферы и действия экипажа. Модель может быть также использована в качестве математического обеспечения комплексных авиационных тренажеров и в учебном процессе для обучения экипажей технике пилотирования конкретным типам самолета в ожидаемых и сложных условиях эксплуатации, включая полеты с отказом функциональных систем.

11. Характерные отличительные особенности предлагаемой математической модели заключаются в реализации модели многоканальности управления по принципам форсированного управления органами управления и тягой двигателей как в режиме штурвального управления, так и в автоматическом режиме. Все управляющие воздействия проходят через соответствующие звенья модели бортовых вычислителей параметров и рулевых приводов. В модели заложены возможности исследования работоспособности и эффективности систем автоматического управления, отработки различных манер пилотирования и маневров непрерывно на всех этапах полета, включая пилотирование по принципу погони за целью, движущейся перед самолетом на заданном (или вычисляемом) удалении, что позволяет моделировать дальность видимости и пилотирование по сигналам курсоглиссадной системы.

12. Самостоятельный интерес представляет моделирование аномальных атмосферных явлений повышенной опасности и оценка их воздействия на динамику управляемого движения самолета (включая движение на границе раздела двух сред), оснащенного автоматическими системами штурвального управления, улучшение характеристик устойчивости и управляемости с вычислительными системами автоматического управления полетом с выработкой рекомендаций по технике пилотирования.

— 19 В этих условиях, с учетом возможных отказов в работе функциональных систем, ошибок пилотирования и переходе на ручное (штурвальное) управление.

Достоверность результатов исследований. С использованием математической модели автором проводились исследования по оценке влияния эксплуатационных факторов на характеристики взлета, посадки и ухода на второй круг самолетов Ту-134, Ту-154, Ту-204, Ил-62, Ил-86, Ил-96−300, Ил-114 и Як-42. На основании моделирования результатов летных испытаний перечисленных типов самолетов проводилась также оценка адекватности математической модели применительно к конкретному типу самолета. Сравнительный анализ летных испытаний и математического моделирования показал, что модель полно и с высокой степенью достоверности позволяет моделировать конкретные задачи динамики управляемого полета в различных условиях эксплуатации. Исследования в этом направлении показали, что степень адекватности модели, в основном, определяется полнотой и способом представления используемых характеристик конкретного моделируемого объекта (включая нестационарные аэродинамические характеристики), полнотой и точностью воспроизведения условий полета и действий экипажа.

Положения, выносимые на защиту:

— теоретическое обоснование и рекомендации по применению комплексного подхода в решении прямых и обратных задач динамики управляемого полёта с разработкой моделей совместной работы человека и автоматических систем управления в нормальных и сложных условиях эксплуатации для оценки эффективности лётной эксплуатации и уровня безопасности полётов;

— методика экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта;

— методика определения разностных ступенчатых переходных функций;

— 20- алгоритм учёта нестационарности в формировании аэродинамических сил и моментов от перемещений рулевых поверхностей самолёта в математической модели управляемого полёта самолёта;

— оценка влияния нестационарности в формировании аэродинамических сил и моментов от перемещений рулевых поверхностей самолёта на динамику его управляемого полёта;

— анализ эффективности работы алгоритмов АСШУ и ВСУП на различных режимах и в различных условиях эксплуатации;

— модель управляющих воздействий лётчика, сценарий вычислительного эксперимента;

— алгоритм учёта и оценка влияния ливневых осадков на аэродинамические характеристики и динамику управляемого полёта самолёта;

— алгоритм учёта и оценка влияния атмосферного явления типа «микровзрыв» на аэродинамические характеристики и динамику управляемого полёта самолёта;

— алгоритм решения обратной задачи динамики полёта по восстановлению атмосферных воздействий в виде дождя и ветра. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные теоретические методы применительно к системе комплексного математического моделирования управляемого движения летательных аппаратов позволяют:

1. Определять нестационарные аэродинамические характеристики рулевых поверхностей самолёта.

2. Учитывать нестационарные аэродинамические характеристики в математической модели управляемого полёта самолёта.

3. Исследовать особенности лётной эксплуатации летательных аппаратов и их систем автоматического управления в особых случаях полёта, с учётом нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей и управляющих воздействий экипажа.

4. Выполнять работы по синтезу высокоэффективных систем активного управления.

5. Проводить исследования по разработке новых способов пилотирования (включая непосредственное управление аэродинамическими силами) при моделирования полёта в нормальных и аномальных атмосферных условиях.

6. Обеспечить высокую экономическую эффективность за счёт сокращения объёма лётных испытаний.

7. Проводить анализ особых условий эксплуатации летательных аппаратов, оснащённых автоматическими системами штурвального управления (АСШУ) и вычислительными системами управления полётом (ВСУП), на взлёте и посадке, которые выходят за рамки разрешённых, с целью разработки атласа предельных эксплуатационных возможностей самолёта.

8. Решать задачи эффективности и оптимизации режимов полёта летательных аппаратов для получения дополнительной информации к существующим РЛЭ и выработки первой редакции новых РЛЭ перспективных летательных аппаратов, с последующим уточнением результатами лётных испытаний.

9. Давать рекомендации при разработке и совершенствованию Норм лётной годности самолётов (НЛГС) как вновь создаваемых летательных аппаратов, так и находящихся в эксплуатации.

10.Проводить предупреждения и расследования авиационных происшествий и предпосылок к ним с помощью решения обратных задач динамики полёта и на этой основе обосновать рекомендации по обеспечению безопасности полётов летательных аппаратов различного типа.

11 .Разрабатывать рекомендации и предложения по пилотированию летательным аппаратом в сложных метеоусловиях.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы систематизированы и обобщены в виде графиков, методик аэродинамических исследований и учёта нестационарности в аэродинамических силах и моментах в математической модели динамики управляемого полёта самолёта, оснащённого системами автоматического управления, алгоритмов функционирования автоматических систем управления и управляющих действий экипажа, алгоритмов аномальных атмосферных явлений и методик учёта их влияния на динамику управляемого полёта самолёта. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, имеют научное и учебно-методическое значение, что подтверждается их использованием и внедрением в НИР и учебный процесс на кафедре аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов (АКПЛА) Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА), в Ульяновском высшем авиационном училище гражданской авиации (УВАУГА) для подготовки лётного состава и эксплуатации самолёта Ту-204 (по результатам НИР с Глав НТУ ФАС) в виде разработки математической модели самолёта, оснащённого АСШУ и В СУП, включающей алгоритм учёта нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей, и компьютерной программы переподготовки лётного состава на самолёты Ту-204 и Ил-96.

Апробация работы. Диссертационная работа одобрена на расширенном научно-техническом семинаре на кафедре АКПЛА МГТУГА.

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полётов (Рига, 1985 г.), IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полётов (Ленинград, 1985 г.), Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов (Рига, 1986 г.), Международной научно-технической конференции «Наука и техника гражданской авиации на современном этапе» (Москва, 1994 г, 1996 г.), 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по безопасности полетов и государственному регулированию деятельности в гражданской авиации (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международной научно-технической конференции «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (Егорьевск, 1995, 1997 г.), 5-ой международной конференции «Aircraft and helicopter’s diagnostics AIRDIAG'97» (Польша, Варшава, 1997 г.), Пятом Международном совещании — семинаре «Инженерно — физические проблемы новой техники» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998 г.), Международной конференции «AVIATION RELIABILITY (AviaRel'99)» (Латвия, Рига, 1999 г.), Третьей Международной научно-технический конференции «Чкаловские чтения. Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники». (Егорьевск, ЕАТК ГА, 1999 г.), IX Международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики МДОЗМФ-2000» (Орёл, 2000 г.).

Публикация. По материалам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работы, включая авторские свидетельства на изобретения и отчёты по научно-исследовательской работе, в которых автор являлся ответственным исполнителем.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 403 страницах машинописного текста, всего работа содержит 122 рисунка, 19 таблиц и 132 библиографических названий (из них 14 на английском языке), общий объём работы 420 страницы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В соответствии с поставленными задачами при выполнении диссертационной работы:

— разработан автоматизированный комплекс измерительной аппаратуры для определения стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик рулевых поверхностей;

— разработана модель самолёта с устройством дистанционного управления закрылками и рулём высоты с системой регистрации законов их перемещения и углов установки;

— разработана методика комплексного аэродинамического эксперимента по определению нестационарных аэродинамических характеристик поверхностей аэродинамического управления;

— экспериментально исследованы влияния углов атаки на эффективность закрылков и руля высоты самолёта и характер развития нестационарных процессов формирования приращений аэродинамических сил и моментов, вызванных отклонениями этих рулевых поверхностей;

— разработана методика определения разностных ступенчатых переходных функций;

— разработана методика учёта нестационарных добавок к коэффициентам аэродинамических сил и моментов в задачах математического моделирования динамики управляемого движения самолёта;

— разработана математическая модель управляемого полёта самолёта с учётом нестационарности формирования аэродинамических сил и моментов от отклонений рулевых поверхностей, включающей влияние эредитарности;

— разработаны алгоритмы совместной работы продольного и бокового каналов автоматической системы штурвального управления в математическом комплексе «самолёт — техника активного управления — среда» в операторной форме, включая модель рулевых приводов, применительно к математической модели пространственного управляемого движения самолёта Ту-204;

— разработаны алгоритмы работы вычислительной системы управления полётом на режимах «Стабилизация высоты» и «Посадка» в математическом комплексе «самолёт — техника активного управления — среда» применительно к математической модели пространственного управляемого движения самолёта Ту-204;

— разработана математическая модель курсоглиссадной системы для формирования управляющих сигналов ВСУП на режиме «Посадка» и синтеза законов управления для модели пилота;

— разработана математическая модель управляющих воздействий лётчика в контуре управления самолётом, использующим технику активного управления, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека, пилотажно-навигационного комплекса и выполнять непрерывные расчеты всех этапов управляемого полета самолета от взлета до посадки в заданных (фактических) условиях эксплуатации;

— разработаны новые способы управления:

• пилотирование по принципу погони за движущейся «целью» с имитацией дальности видимости;

• координированное управление интерцепторами и рулём высоты на выравнивании;

• управление тягой двигателей, основанное на периодической (с заданным шагом наблюдений) оценке изменения воздушной скорости, в соответствии с величиной и знаком которого вычисляется потребное перемещение РУД для удержания заданной приборной скорости с заданной точностью;

— разработан тренажёрный вариант модели управляющих воздействий, позволяющий в ходе вычислительного процесса установить гибкую обратную связь оператора (реального пилота) с математической моделью и обеспечить возможность моделирования управления самолётом (включая отказы в работе функциональных систем, моделирование режимов работы ВСУП и особые случаи полёта) в различных условиях эксплуатации;

— разработана математическая модель аномальных атмосферных явлений: атмосферные осадки в виде ливневого дождя различной интенсивности и атмосферного явления типа «микровзрыв», функционирующих в комплексной математической модели динамики управляемого полёта самолётов, оснащённых системами автоматического управления;

— разработана методика решения обратных задач динамики полёта, позволяющая восстановить картину ветрового режима и интенсивности дождя по данным МСРП.

Результаты проведённых исследований позволяют сделать следующие выводы по работе:

1. Обеспечение безопасности функционирования сложных человеко-машинных систем является одной из наиболее острых проблем. Решение этой и ряда других проблем может быть выполнено при реализации комплексного решения задач динамики управляемого полёта летательных аппаратов, оснащённых системами автоматического управления, с помощью методов аэродинамических исследований и математического моделирования.

2. При комплексном решении задач динамики управляемого полёта летательного аппарата в ходе математического моделирования математическая модель должна включать в себя:

• математическое описание пространственного движения ЛА,.

• математическое описание стационарных и не стационарных аэродинамических характеристик ЛА,.

• математическое описание высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя,.

• математическое описание работы функциональных систем,.

• модель атмосферы в стандартных и не стандартных условиях,.

• модель ветровых возмущений различного типа, в том числе атмосферных явлений повышенной опасности (АЯПО),.

• модель атмосферных осадков,.

• модель управляющих воздействий экипажа (пилот + бортинженер),.

• модели автоматической системы штурвального управления (АСШУ) и вычислительной системы управления полётом (ВСУП),.

• модель движения ЛА на границе раздела двух сред.

3. Важнейшее значение для адекватности математической модели имеет полнота и корректность определения и представления стационарных и нестационарных аэродинамических сил и моментов.

4. Создание высокоэффективных систем автоматического управления невозможно без учёта нестационарных аэродинамических сил и моментов, возникающих как по причине ветровых воздействий на самолёт, так и по причине возмущающих воздействий рулевых поверхностей.

5. Разработанный комплекс для проведения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик рулевых поверхностей самолёта, включающий модель самолёта с устройством дистанционного управления закрылками и рулём высоты с системой регистрации законов их перемещения и углов установки, а также автоматизированную систему измерения и обработки результатов эксперимента, может быть использован для выполнения исследований по определению аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в аэродинамической трубе.

6. Разработанная методика проведения эксперимента в аэродинамической трубе с использованием вышеуказанного комплекса позволяет определять как стационарные, так и нестационарные аэродинамические характеристики закрылков и руля высоты самолёта при различных законах их отклонений.

7. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик рулевых поверхностей показали:

— 396- имеются существенные отличительные особенности в формировании аэродинамических сил и моментов при квазиступенчатом отклонении руля высоты и закрылков на заданном угле атаки;

— характеристики переходного процесса формирования аэродинамических сил и моментов от отклонения рулевых поверхностей зависят от угла атаки и претерпевают существенные изменения на углах атаки, при которых имеет место изменение структуры обтекания;

— проведение комплексного эксперимента по определению стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик позволяет уверенно определить на малых углах атаки разностные переходные функции и использовать их в дальнейшем в качестве нестационарных аэродинамических характеристик.

8. Выявленные закономерности в формировании аэродинамических сил и моментов, обусловленные отклонениями рулевых поверхностей, позволяют сделать вывод, что с точки зрения адекватных управляющих воздействий пилота и особенно автоматических систем управления, представление о стационарности приращений аэродинамических сил и моментов является не корректным. В этой связи, целесообразно дополнить аэродинамические исследования существующих и находящихся в стадии разработки самолётов определением нестационарных характеристик их рулевых поверхностей по приведённой методике.

9. Методика учёта нестационарных добавок к коэффициентам аэродинамических сил и моментов позволила разработать нелинейную математическую модель динамики управляемого полёта самолёта, включающую разностные переходные аэродинамические функции рулевых поверхностей и позволяющую описать движение самолёта с учётом влияния предыстории.

Ю.Учёт нестационарности в приращениях аэродинамических сил и моментов как за счёт отклонения закрылков, так и за счёт отклонений руля высоты самолёта особенно значительно сказывается на движении самолёта в автоматическом режиме полёта.

— 39 711. Исследования полёта самолёта методом математического моделирования при работе закрылков и руля высоты в режиме активного управления показали, что с увеличением частоты колебаний закрылков учёт нестационарности в приращениях аэродинамических сил и моментов закрылков и руля высоты приводит к заметному росту её влияния на параметры движения самолёта.

12. У чёт нестационарности по разработанной методике расширяет возможности математического моделирования динамики управляемого движения самолётов, использующих технику активного управления, и способствует повышению адекватности математических моделей, что, в свою очередь, позволяет проводить исследования по синтезу высокоэффективных систем активного управления и проводить анализ различных полётных ситуаций, связанных с воздействием на самолёт атмосферных возмущений и действиями сложных человеко-машинных систем.

13.В решении задач динамики управляемого полёта летательных аппаратов, оснащённых системами автоматического управления, реализовано комплексное моделирование управляющих воздействий различного типа, тесно связанных друг с другом:

— моделирование управляющих воздействий в операторной форме, для имитации работы бортовых вычислительных систем,.

— имитация управляющих действий пилота методом форсированного управления.

В математической модели управляющих воздействий, в рамках комплексной математической модели динамики управляемого полёта, реализована модель работы автоматической системы штурвального управления (АСШУ) и вычислительной системы управления полётом (ВСУП), применительно к самолёту Ту-204, органически связанных с моделью лётчика. Совместная работа автоматических систем управления и модели пилота решена алгоритмическим путём, используя логический фильтр, согласующий их управляющие сигналы.

14.Моделирование работы автоматических систем управления, включённых в математический комплекс «самолёт — пилот — САУ — окружающая среда», выполнено в операторной форме и основано на реальных алгоритмах, используемых в бортовых вычислителях. Тем самым реализована возможность всестороннего исследования функционирования реальных систем автоматического управления в ожидаемых и сложных условиях эксплуатации, а также проводить исследования по совершенствованию этих систем. Исследование работы ВСУП на режиме «Стабилизация высоты» позволило внести изменения в алгоритм её работы, которые существенно уменьшили, а в некоторых случаях, полностью устранили высокочастотные колебания руля высоты самолёта Ту-204. Внесённые изменения в алгоритм ВСУП не изменили манеру пилотирования при существенном улучшении его качества.

15.Проведённые исследования посадки в автоматическом режиме управления с использованием разработанной модели курсоглиссадной системой и алгоритма работы ВСУП на режиме «Посадка» показали достаточную эффективность алгоритмов ВСУП в сложных условиях эксплуатации и позволяют давать рекомендации по изменению алгоритмов ВСУП с целью расширения эксплуатационного диапазона эффективного функционирования вычислительной системы управления полётом.

16.Математическая модель управляющих воздействий лётчика позволяет выполнять непрерывное моделирование любого полёта от взлёта до посадки, включая все подэтапы.

17.В основе модели лётчика заложен принцип форсированного управления, позволяющий определять потребное отклонение органа управления на каждом шаге управляющего воздействия, направленного на решение конкретной задачи пилотирования. Потребное отклонение органа управления определяется суммой реакций на разность наблюдаемых и заданных параметров движения с заданным коэффициентом усиления, включая демпфирование (реакцию на скорость изменения наблюдаемых параметров движения с заданным усилением).

18.Управляющие воздействия лётчика моделируются в рамках сценария полёта, включающего характерные события, задачи и процедуры пилотирования.

19.События полёта распознаются лётчиком с помощью критериев, позволяющих моделировать различные полётные ситуации и адекватные действия лётчика на различных подэтапах полёта и в особых случаях.

20.Управляющие сигналы лётчика могут формироваться с заданным шагом вмешательства в управление, что позволяет учитывать его индивидуальные особенности в решении конкретной задачи пилотирования.

21. Любая задача пилотирования включает в себя определение реакции лётчика на совокупность наблюдаемых параметров движения. Для каждого параметра движения может быть задан шаг наблюдения, границы невмешательства и нечувствительности. С одной стороны, эти параметры позволяют моделировать особенности конкретных приборов, регистрирующих параметры движения, с другой стороны, подбирать оптимальные законы управления в решении конкретных задач пилотирования.

22.Синтез законов штурвального управления в рамках форсированного, направленных на решение конкретных задач пилотирования в различных условиях эксплуатации, позволяет найти оптимальное способы управление (в том числе и не традиционные) и давать рекомендации по улучшению алгоритмов ВСУП на различных режимах её работы и рекомендации в РЛЭ по технике пилотирования.

23.В модели управляющих воздействий лётчика разработан способ пилотирования по принципу погони за движущейся «целью» (в продольном и боковом каналах управления). Этот способ позволяет эффективно решать задачи выравнивания на посадке в различных условиях эксплуатации и перехода на заданную высоту или направление движения с последующим удержанием самолёта на заданной траектории движения в условиях ограниченной дальности видимости. Дальность видимости моделируется заданным расстоянием до «цели». Изменение расстояния до «цели» влияет на строгость в управлении.

24.Для удержания заданной величины приборной скорости разработан универсальный алгоритм действий лётчика, направленных на управление тягой двигателей. Алгоритм основан на периодической (с заданным шагом наблюдений) оценке изменения воздушной скорости, в соответствии с величиной и знаком которого вычисляется потребное перемещение РУД. Наряду с изменяемым шагом наблюдений, может меняться область невмешательства лётчика в управление двигателями по отклонению от заданной величины приборной скорости.

25.В модели управляющих воздействий лётчика реализованы различные способы перехода от одной задачи пилотирования к другой при управлении одним и тем же органом управления. Способ пересчёта всех коэффициентов усиления при переходе от одной задачи пилотирования к другой позволяет моделировать степень нерешительности лётчика при выполнении принятого решения в сложных ситуациях и в условиях проявления отказов функциональных систем.

26.В модель управляющих воздействий лётчика включены процедуры управления, позволяющие придавать органам управления различные фиксированные целевые положения по заданным законам перемещения и с заданной скоростью.

27.В рамках моделирования аномальных атмосферных условий разработана математическая модель влияния дождя на аэродинамические характеристики самолёта и тяговые характеристики движителя. Алгоритм основан на математическом описании ударного воздействия капель дождя, изменения волнистости и шероховатости поверхности, обтекаемой дождём и определении дальности видимости.

28.По результатам моделирования посадки самолёта, на примере самолёта Ту-204, в условиях комплексного воздействия сдвига ветра и дождя был найден новый способ пилотирования. Координированное управление внутренними интерцепторами совместно с рулем высоты на выравнивании позволил при незначительном увеличении балансировочного угла атаки (без угрозы выхода на срывные режимы обтекания) существенно уменьшить величину вертикальной перегрузки в момент касания и устранить тенденцию самолета к самопроизвольному взмыванию после первого касания ВПП, что позволяет быстрее ввести процедуры торможения после опускания самолета на переднюю опору и, тем самым, сократить длину пробега.

29.По результатам проведённых исследований установлено влияние видимости на характер управляющих воздействий по принципу погони за «целью». Снижение видимости приводит к повышению строгости в управлении рулем направления, что позволяет удерживать самолет на оси ВПП при увеличении возмущающих факторов.

30.Разработан алгоритм влияния поля скоростей, обусловленного существованием в атмосфере кольцевого вихря на аэродинамические характеристики самолёта и проведена оценка влияния кольцевого вихря на динамику управляемого движения самолёта типа Ту-204 на этапе посадки.

31.По результатам моделирования был найден способ пилотирования самолётом Ту-204 при выполнении посадки в условиях существования кольцевого вихря в непосредственной близости от входной кромки ВПП. Основные отличительные особенности предлагаемого способа сводятся к следующему: на высоте круга захват глиссады совмещается с полным выпуском внутренних интерцепторовдвижение по глиссаде выполняется с выпущенными интерцепторами и с высоты /7нв1 = 24,3 метра по центру масс начинается выравнивание самолёта путём управления рулём высоты по принципу погони за «целью» с переопределением расстояния до «цели» — начиная с высоты 7 метра (т.е. в момент пересечения торца ВПП или при условии изменения ветрового воздействия от встречного к попутному), для выполнения выравнивания подключаются внутренние интерцепторы. Закон управления интерцепторами полностью идентичен управлению рулём высоты на выравнивании, но без переопределения расстояния до «цели» — дросселирование двигателей следует выполнять с высоты 6,4 м по центру масс, т. е. перед самым касанием ВПП или в момент касания. Однако следует иметь ввиду, что снижение высоты начала дросселирования двигателей может привести к увеличению посадочной дистанции.

32.Использование математической модели атмосферных явлений и разработанного способа учёта их влияния на аэродинамические характеристики самолёта позволило найти способ решения обратной задачи динамики полёта по определению ветрового режима и интенсивности дождя по записям самолётных регистраторов параметров полёта и информации о дальности видимости в зоне полёта.

33.На основании оцифрованных данных МСРП-А был проанализирован и смоделирован полёт самолёта Ту-204 (уход на второй круг с имитацией отказа двигателя) для оценки адекватности математической модели. Моделирование выполнено путём выявления и применения характерных событий, процедур и задач пилотирования на подэтапах полёта. Сравнительный анализ результатов математического моделирования с данными лётных испытаний в основном показал совпадение рассмотренных параметров движения в пределах точности регистрации этих параметров.

34.Комплексное моделирование динамики управляемого движения самолёта с системами автоматического управления, включающее учёт нестационарности по разработанной методике, моделирование работы АСШУ, ВСУП, адекватных действий экипажа и атмосферных явлений различного характера позволяет более точно и объективно судить о причинах возможных лётных происшествий и поведении самолёта, использующего автоматические системы управления, в сложных метеоусловиях. Всё это в конечном итоге позволяет повысить безопасность полётов, расширить диапазон лётной эксплуатации самолётов и сократить объём лётных испытаний.

— 403.