КОРАБЕЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 1997 года по МПК B64F1/18 

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам оптической посадки палубных самолетов.

Известна система посадки для летательных аппаратов (ЛА) (вертолетов), в которой посадочная площадка ограничена зеркальными треугольными (уголковыми) отражателями, а ЛА содержит прожектор, направленный на ВПП, и расположенную рядом с прожектором телевизионную передающую камеру с аппаратурой передачи изображения ВПП летчику в кабину, блоков установки и поворота ее, светофильтров, блоков отображения и дешифровки принятых телевизионных изображений. Отклонение ЛА от глиссады по углу места происходит по световому сигналу позиционного типа. Однако использование зеркальных уголковых отражателей затруднено в условиях посадки на палубу корабля, что снижает безопасность посадки ЛА на палубу корабля [1]
Известна оптическая глиссадная система посадки типа "Луна" [2] взятая за прототип, содержащая вертикальный ряд указательных огней (два импульсных красных крайних, желтый, зеленый, красный), базовых источников света, индикационных и огней запрета, установленных на гиростабилизированной площадке, регуляторов и источников света, пульта управления и самих источников света, состоящих из лампы накаливания, отражателей линз, светофильтров, бленд. Аэрофинишерная посадка корабельных ЛА с помощью оптической системы посадки осуществляется следующим образом. Когда ЛА выполняет последний разворот маршрута на посадку, летчик входит в оптическую глиссаду, формируемую оптической системой посадки. Если ЛА снижается по глиссаде с заданным углом наклона траектории, то летчик видит красный огонь оптической системы в одном ряду с огнями зеленого горизонта. Если ЛА идет выше или ниже глиссады, то летчик видит красный огонь оптической системы соответственно выше или ниже зеленого горизонта. Самый нижний из пяти блоков с линзами красного цвета - обеспечивает летчику отчетливую индикацию опасного отклонения от глиссады вниз, требующего немедленного корректирующего действия. Заданная глиссада устанавливается поворотом блока с линзами в вертикальной плоскости. Точка касания самолетного тормозного крюка палубы (высота прохода крюка над обрезом палубы остается постоянной для всех самолетов), что достигается путем изменения угла наклона блока с линзами в поперечной плоскости для компенсации различных геометрических расстояний между летчиком и тормозным крюком у различных самолетов. Устройство стабилизации в оптической системе обеспечивает постоянство заданной глиссады относительно естественного горизонта за счет компенсации колебаний палубы авианосца по дифференту и крену.

Однако при отказе энергопитания корабля источники света и система стабилизации оптической системы посадки становятся неработоспособными. Кроме того, наличие конденсата влаги на светофильтрах на дальностях полета 0,5 км и выше делает недостаточной регулировку яркости системы посадки, что также снижает безопасность посадки ЛА на палубу корабля. Изобретение направлено на повышение безопасности посадки ЛА на палубу корабля в экстремальных условиях.

Для этого в корабельную оптическую систему посадки (КОСП) ЛА, содержащую оптический блок индикации посадочной траектории (БИПТ) ЛА, состоящий из источников света, бленд, светофильтров, вертикального ряда линз Френеля и установленный на стабилизированной платформе с дачтиком углового положения ЛА, снабженного посадочной фарой, согласно изобретению, в систему введен трехстепенной гироскоп, оптически связанный с БИПТ коллиматорный прицел для наведения на ЛА и установленный на механическом подвижном узле с датчиками углового положения, содержащий оптический блок, состоящий из полупрозрачного отражателя, источника света с отражателем, управляемого светофильтра, коллиматорной линзы, в фокусном расстоянии которой установлены один под другим два транспаранта, закрепленные в двух механических узлах преобразователей координат со следящими электромеханическими приводами для преобразования перемещений в фиксированной и подвижной системе координат и связанные в фиксированной системе координат первыми входами усилителей электропривода через вычислитель соответственно с тремя датчиками углового положения гироскопа, а вторые входы соединены с датчиками углового положения механического узла основания прицела, а усилители электроприводов подвижной системы координат прицела соединены с датчиками углового положения подвижного основания БИПТ, выполненного на основе светоконцентрирующих форм пленочных световозвращающих покрытий (ПСП), установленных в фокусе линз Френеля, регулятор источника света прицела и управляемый светофильтр переменной плотности, входящие в состав оптического блока коллиматорного прицела, соединены через усилитель с фотоприемником, оптически связанным с помощью линзы и светофильтра с посадочной самолетной фарой, причем коллиматорный прицел и БИПТ установлены на механических подвижных узлах, снабженных ручными приводами для осуществления угловых перемещений.

На фиг. 1 изображена корабельная оптическая система посадки (КОСП) ЛА; на фиг. 2 лицевая часть оптического блока индикации посадочной траектории (БИПТ) ЛА с использованием линз Френеля и пленочных световозвращаемых покрытий (ПСП); на фиг. 3 электромеханический преобразователь координат; на фиг. 4 вид индикации, видимой на полупрозрачном отражателе прицела; на фиг. 5 фотометрическая характеристика ПСП высокоинтенсивного уровня; на фиг. 6 - графики пороговой чувствительности летчика при опознавании сигналов оптической системы посадки ЛА; на фиг. 7 оптические параметры линзы Френеля; на фиг. 8 геометрия размещения оптической системы посадки ЛА и угловые возмущения при килевой и боковой качке. На фиг. 1-4 изображены: 1 оптический блок индикации посадочной траектории (БИПТ), 2 бленда, 3 линза Френеля, 4 отражатели света с пленочными световозвращаемыми покрытиями (ПСП), 5 светофильтры (красный, желтый, зеленый), 6 световой сигнал запрета (лампа), включаемый оператором с помощью цепи коммутации, 7 линза и нейтральный светофильтр, 8 фотоприемник (фотодиод), 9, 20, 21 операционные усилители постоянного тока (УПТ), 10 коллиматорный прицел, 11 управляемый светофильтр переменной плотности, 12 полупрозрачный отражатель, 13 коллиматорная линза, 14, 16 - устройства, несущие транспаранты для преобразования перемещений в фиксированной и подвижной системе координат, 15, 17 трехканальные электроприводы (каждый) устройств для преобразователей координат соответственно 16 и 14, 18 управляемый источник света в прицеле с оптическим отражателем 19, 22 регулятор источника света прицела, 23 подвижное основание прицела, установленного на 2- степенной платформе, 24, 25 датчики углового положения прицела, установленные на его основании, относительно палубы корабля, 26 ручной привод управления угловыми перемещениями прицела, 27 трехстепенной гироскоп, 28, 29, 30 датчик углового положения в гироскопе, 31 вычислитель коррекции углового положения метки в фиксированной системе координат-инварианта, с учетом положения БИПТ на корабле, 32 ручной привод управления подвижным основанием блока индикации посадочной траектории ЛА, 33 трехстепенной механизм подвижного основания БИПТ ЛА, 24, 35, 36 - датчики углового положения подвижного основания, 37 основание БИПТ ЛА, 38 - осветительная фара, установленная на ЛА, 39 ЛА, заходящий на посадку, 40 - вид индикации на отражателе прицела, 41 вид преобразователя перемещений в подвижной системе координат, 42 транспаранты прицела 10, 43 палуба авианосного корабля.

БИПТ 1 содержит последовательно установленные бленды 2, линзы Френеля 3, два вертикальных ряда симметричных (правых и левых) указательных отражателей света с ПСП с цветными (красными, зелеными, желтыми) светофильтрами 5, световой сигнал "запрета посадки" 6, фотометрическую ячейку с фотодиодом 8 и линзой, нейтральным светофильтром 7, размещенных на подвижном основании 37 БИПТ, механически связанным с датчиками положения корабля по дифференту 34, по крену 35 и курсу 36, электрические сигналы которых через усилители УПТ 21 поступают соответственно на три электропривода 15 коллиматорного прицела 10. Прицел 10, оптически ориентированный через отверстие в задней стенке основания БИПТ 1 на приземляющийся ЛА, состоит из установленных последовательно управляемого светофильтра 11 переменной плотности, полупрозрачного отражателя 12, коллиматорной линзы 13, в фокусе которой установлены два транспаранта двух преобразователей координат 14 и 16, каждый из которых содержит по три группы электроприводов 15 и 17 для перемещения каждого своего транспаранта 42 по трем координатам, управляемый источник 18 света с отражателем-19 и регулятором 22. Группа из трех электроприводов 15 первого преобразователя координат 16 с транспарантом 42 соединена соответственно с датчиками положения палубы 34, 35, 36, а три электропривода 17 второго преобразователя координат 14 второго транспаранта 42 соединены с первыми входами трех усилителей УПТ 20 и далее последовательно с выходами вычислителя 31, входы которого соединены с датчиками углового положения 28, 29, 30 трехстепенного гироскопа 27. Вторые входы усилителей 20 по дифференту и курсу соединены соответственно с другими датчиками положения 25 и 24 подвижного основания 23 прицела 10. Подвижное основание прицела 10 установлено на двухстепенной платформе для отработки углового движения по дифференту и курсу корабля и имеет ручной привод 26 управления.

Механический узел преобразователь координат 14 с тремя следящими приводами 17 и преобразователь координат 15 также с тремя электроприводами 16 представляют собой диски, установленные в подшипниках для отработки движения крена, внутри которых расположены перемещающиеся ортогональные рамки, в которых находятся первый и второй транспаранты 42 (фиг. 4). Оба транспаранта 42, наложенные один на другой, двух преобразователей координат 14 и 15 оптически сопряжены и находятся в фокусе коллиматорной линзы 13. Преобразователи координат механически связаны каждый со своим синусно-косинусным преобразователем для выполнения вертикальных и горизонтальных перемещений транспарантов при любых значениях угла крена.

Фотометрическая ячейка с линзой и фотоприемником 8, установленная по БИПТ 1, соединена последовательно через усилитель УПТ 9 с регулятором 22 управляемого источника света 18 и управляемым светофильтром 11. Подвижное основание БИПТ 33 механически связано ручным приводом управления 32 для отслеживания посадочной траектории ЛА так, чтобы свет посадочной фары 38 приземляющегося ЛА 39 был направлен на отражатели света 4 с ПСП.

Принцип действия КОСП основан на использования наведения с помощью ручного углового перемещения оператором оптического БИПТ 1 с отражателями света 4 с ПСП на ЛА 39 с включенной посадочной фарой 38. Наведение производится по углу места (дифференту), крену и курсу. БИПТ 1 состоит из трапециевидных светоконцентрирующих формы отражателей света 4 с ПСП, нанесенных на заднюю стенку блока, цветных светофильтров 4, линз Френеля 3, фотометрической ячейки 7, 8, светового сигнала (лампа) запрета посадки 6. Отклонения от заданной траектории приземляющегося ЛА 39 отслеживаются оператором по углам дифферента и курса на корабле с помощью коллиматорного прицела 10, механически связанного с подвижным основанием 23, установленным на палубе. С помощью коллиматорного прицела 10 вводятся угловые поправки на положение БИПТ 1 при любой качке и отклонениях корабля. Для этого в прицеле 10 проецируется с помощью транспаранта 42 метка-инвариант, независимая в пространстве корабля. Это достигается тем, что три электропривода 17 соединены с вычислителем 31, сигналы на который поступают с датчиков углового положения 28, 29, 30 гироскопа 27. На два входа электропривода 17 по дифференту и курсу подаются сигналы компенсации, снимаемые с датчиков положения 25 и 24 подвижного основания 23 прицела.

В процессе наведения КОСП на свет посадочной фары 38 ЛА 39 происходит самонастройка контура "оператор-КОСП-фара-ЛА-летчик", оператор ассимптотически "склоняет" ЛА к подходу к заданной глиссаде планирования. Глиссада планирования, определяемая заданным положением КОСП, обеспечивает безопасное приземление на палубу с использованием тормозного посадочного крюка.

БИПТ 1 состоит из отражателей света 4 с ПСП, линз Френеля 3, светофильтров 5, бленд 2, для обеспечения узких цветных углов θ=0,5-1^o. Если ЛА 39 летит по заданной траектории планирования, то летчик видит зеленые полосы отражателей света 4, если ЛА летит выше глиссады, летчик видит желтые полосы, если ниже, то красные (фиг. 2). Красный свет светового сигнала запрета посадки 6 и ухода на второй круг включается оператором, когда возникают опасные условия посадки.

Линзы Френеля 3 оптические детали со ступенчатой поверхностью с параллельными плоскостями, безаберрационными изображениями осевой точки предмета; малая толщина уменьшает осевые размеры и массу оптической системы (фиг. 7).

Использование отражателей света 4 с ПСП имеет преимущество по сравнению с зеркалами, т.к. ход оптических лучей приводит к эффекту "световой ловушки", что видно из фиг. 5 углы достигают значений в диапазоне 4-30^o.

Для предотвращения прохождения паразитных световых потоков установлены бленды 2. На внутренней поверхности бленда 2 установлены диафрагмы так, что они образуют ряд световых карманов, чтобы каждый луч, упавший под углом к оси системы v>Φ бленд, попадал на первую оптическую часть системы, претерпев не менее трех отражений от черных стенок световых карманов бленды, а поток уменьшился в 10⁵ раз.

БИПТ 1 может перемещаться вокруг продольной, поперечной и вертикальной осей, данные угловые перемещения воспринимаются электрическими датчиками перемещения 34, 35, 36. Угол наклона глиссады планирования определяется положением БИПТ 1 относительно поперечной оси датчиком угловых перемещений 34, угол крена блока вокруг продольной оси датчиком 35 и курса датчиком 36. БИПТ 1 обеспечивает оптическую информацию о глиссаде планирования в линейной зоне ±0,75^o, которая видна под углом q-3^o и более. Глиссада планирования стабилизируется как линия в пространстве.

С помощью наблюдения ЛА через коллиматорный прицел 10, установленный на подвижном основании 23, оператором производится наведение ЛА 39 для выполнения полета по требуемой глиссаде с помощью ручного привода управления 26.

Коллиматорный прицел 10 содержит управляемый светофильтр 11, полупрозрачный отражатель 12, управляемый источник света 18 с отражателем 19, коллиматорную линзу 13, в фокусном расстоянии которой установлены один над другим два транспаранта 42 с метками инварианта и палубы, закрепленные в двух электромеханических преобразователях координат 14 и 16. В каждом преобразователе координат 14 и 16 установлено по три следящих привода для перемещения первого и второго транспарантов 42 (фиг. 3) в ортогональных рамках, потенциометры обратной связи на рамках, синусно-косинусные преобразователи потенциометрического типа или вращающиеся трансформаторы и связанные с вращением всего механизма (диска) по крену с помощью редукторов инверторы и сумматоры.

В каждом из преобразователей координат 14 и 16 реализуются зависимости:

Для выполнения вертикальных Y₁ и горизонтальных X₁ перемещений при любом угле крена φ_s корабля сигналы Y₁ и X₁ поступают на метки прицела 10; вертикальные и горизонтальные перемещения рамок.

С помощью полупрозрачного отражателя 12 прицела 10 производится сложение изображений меток и изображения ЛА, видимых в "бесконечности". Глаз человека не приспособлен к прямому сильному свету, яркость которого не выносит или выносит с трудом, кратковременно. Введение плотных светофильтров для глаз оператора, смотрящего через прицел, резко изменяет контраст при опознавании и слежении за фарой ЛА 39 (фиг. 6). Спектральный состав света, идущего от фона и цели, одинаков и затрудняет процесс управления и наведения. В экстремальных условиях ослепления (350 тыс. кд) и низких контрастов видимости цели трудно выделить контур цели. Плотный светофильтр уменьшает дальность обнаружения ЛА, поэтому используется управляемый светофильтр 11 для нормализации (ослабления) потока света от фары 38, попавшего в глаза оператора. Для этого используется схема фотометра с измерительными ослабителями света линза 7, нейтральный светофильтр и фотоприемник 8, например фоторезистор. Усиленное значение фототока с приемника 8 подается на усилитель 9 и далее на регулируемый светофильтр 11 и регулятор света 22 лампы 18 прицела.

Управляемый светофильтр 11 с переменным светопропусканием выполнен на основе халькогенидного стекла, к электродам которого прикладывается переменное электрическое напряжение с учетом переключения режима "день-ночь".

Регулятор 22 источника света 18 электронная схема, выполненная, например, на основе использования нелинейности.

На фиг. 8 показана геометрия размещения КОСП на корабле.

X продольное смещение точки посадки ЛА.

Y боковое смещение точки посадки ЛА.

T расстояние от конца наклонной площадки до места приземления.

Q расстояние от конца наклонной площадки до продольной оси вдоль центральной линии.

C расстояние от линз Френеля центральной линии угловой палубы.

F расстояние от поперечной оси корабля до кормового среза.

E расстояние от поперечной оси корабля до точки пересечения его оси симметрии с осью угловой палубы.

R коррекция крена линз при отклонении от сбалансированного положения авианосца

θ_s угол отклонения от сбалансированного положения относительно поперечной оси (угол подъема носовой части положительный).

ψ_p коррекция поворота линз для отклонения от сбалансированного положения относительно полярной оси отрицателен.

φ_s угол отклонения от сбалансированного положения относительно продольной оси; угол подъема борта положительный.

ψ_γ коррекция угла поворота линз при отклонении от сбалансированного положения относительно продольной оси отрицателен.

Значение R при килевой качке

Значение R при бортовой качке

где Y₁ вертикальная координата метки инварианта в подвижной системе координат.

Y_приц., φ_s вертикальная координата и угол крена метки инварианта в прицеле 10.

Зависимости 6-11 реализованы в вычислителе 31.

При наведении ЛА 39 осуществляется взаимодействие БИПТ 1 с отражателем света 4 и прицела 10 угломерных систем и "фары-глаз летчика ЛА" и в условиях действия возмущений на каждый из них (ветровых и качки корабля). Оператор КОСП осуществляет поиск и захват ЛА, производит совмещение на полупрозрачном отражателе 12 прицела 10 двух меток инварианта и положения палубы с изображением ЛА. При этом оператор постепенно подводит изображение ЛА 39 к расчетной траектории посадки, исправляя ошибки летчика с помощью манипуляции и управления ручными приводами 26 перемещения прицела 10 и ручным приводом управления подвижным основанием 32 БИПТ 1.

Изобретение относится к системам корабельной оптической посадки летательных аппаратов. Сущность изобретения: система содержит блок индикации посадочной траектории ЛА, установленный на стабилизированной платформе с датчиками угловых положений ЛА. Блок включает трехстепенной гироскоп и коллиматорный прицел, оптически связанный с блоком индикации посадочной траектории. Оптический блок состоит из отражателей, источников света, управляемого светофильтра, коллиматорной линзы, в фокусном расстоянии которой установлены транспаранты, преобразователей координат со следящими электромеханическими приводами, связанными с тремя датчиками углового положения гироскопа и датчиками углового положения механического узла основания прицела. Усилитель электропривода подвижной системы координат прицела соединен с датчиком углового положения подвижного основания блока индикации посадочной траектории, выполненного на основе светоконцентрирующих форм световозвращающих покрытий. Устройство для наземной проверки пневмомонтажа электрореактивной двигательной установки. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Корабельная оптическая система посадки летательных аппаратов, содержащая блок индикации посадочной траектории летательного аппарата, состоящий из источника света, бленд, светофильтров, вертикального ряда линз Френеля и установленный на стабилизированной платформе с датчиками углового положения летательного аппарата, снабженного посадочной фарой, отличающаяся тем, что в систему введен трехстепенной гироскоп, оптически связанный с блоком индикации посадочной траектории коллиматорный прицел для наведения на летательный аппарат и установленный на механическом подвижном узле с датчиками углового положения, содержащий оптический блок, состоящий из полупрозрачного отражателя, регулируемого источника света с отражателем переменной плотности, управляемого светофильтра, коллиматорной линзы, в фокусном расстоянии которой установлены один над другим два транспаранта, закрепленных в двух механических узлах преобразователей координат со следящими электромеханическими приводами для преобразования перемещений в фиксированной и подвижной системах координат и связанных в фиксированной системе координат первыми входами усилителей электропривода через вычислитель соответственно с тремя датчиками углового положения гироскопа, а вторые входы соединены с датчиками углового положения механического узла основания прицела, а усилители электропривода подвижной системы координат прицела соединены с датчиком углового положения подвижного основания блока индикации посадочной траектории, выполненного на основе светоконцентрирующих форм световозвращающих покрытий, установленных в фокусе линз Френеля. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что для предохранения глаз летчика от ослепления регулятор источника света прицела и управляемый светофильтр переменной плотности, входящие в состав оптического блока коллиматорного прицела, соединены через усилители с фотоприемником, оптически связанным с помощью линзы и светофильтра с посадочной самолетной фарой. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что для удобства и быстрого манипулирования при наведении системы на свет посадочной фары летательного аппарата коллиматорный прицел и блок индикации посадочной траектории летательного аппарата установлены на механических подвижных узлах, снабженных ручными приводами для осуществления угловых перемещений.