УПРАВЛЯЕМАЯ ПАРАШЮТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1998 года по МПК B64D17/34 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к управляемым парашютным системам, которые могут применяться для различных целей: для доставки грузов в труднодоступные районы, районы стихийных бедствий, аварий, для диагностики и разведки различных районов и т.д.

С увеличением количества экологических катастроф, таких как Чернобыльская авария, загрязнение лесов и полей, тундры и тайги отходами военной деятельности и нефтью встает задача точной диагностики и разведки различных районов земной поверхности без участия человека из-за труднодоступности и/или вредных воздействия.

Известны средства для доставки измерительной и диагностической аппаратуры с помощью вертолетов, недостатком которых является возможность попадания человека в опасные условия (радиоактивные излучения и т.п.). Известны средства для доставки аппаратуры с помощью зондов и ракет, недостатком таких систем является необходимость наличия телеметрического или возвращаемого блоков, что в условиях труднодоступных районов затруднительно сделать.

Эти задачи можно решить с помощью управляемой парашютной системы.

Известна планирующая парашютная система для транспортировки полезной нагрузки (патент США N 4865274, кл. B 64 D 17/34, заявл. 29.04.88 - прототип), которая содержит парашют в виде крыла, блок управления стропами парашюта для изменения состояния крыла и траектории полета. Данная конструкция не обеспечивает точной доставки груза.

Известна управляемая парашютная система для доставки различных грузов в труднодоступные районы стихийных бедствий, аварий и т. п. (патент РФ N 2039680, кл. B 64 D 17/34, заявл. 08.06.93), которая содержит планирующий парашют, подвесную системы, грузовую платформу и контейнер управления стропами парашюта. Управление осуществляется командным блоком в соответствии с заданной программой функционирования путем создания управляющих перегрузок с помощью затягивания строп на основе анализа информации о маяке, размещенном в месте приземления груза.

Анализ информации осуществляется блоком обнаружения маяка, размещенном на грузовой платформе, связанным с командным блоком, один выход которого соединен с блоком управления стропами парашюта, а другой - обратной связью с блоком обнаружения маяка.

В зависимости от наличия на месте приземления груза маяка того или иного типа на платформе устанавливается соответствующий тип датчика, выполненный в модульном варианте.

Могут применяться датчики маяка, основанные на различных физических принципах или работающие на тепловой контраст, или комбинированные.

Обнаружение маяков может осуществляться с помощью пассивных средств обнаружения, активных (с помощью систем излучения и приема сигналов) или полуактивных средств (с подсветкой маяка).

Однако эта конструкция как и другие известные системы не позволяет решить задач автономной разведки и диагностики с возвращением платформы с аппаратурой в заданную точку.

Задача решается с помощью предлагаемой управляемой парашютной системы, наводящейся на маяк, размещенный в необходимом месте, и имеющей планирующий парашют типа "крыло", грузовую платформу, последовательно соединенные блок обнаружения маяка, командный блок, второй выход которого соединен с входом блока обнаружения маяка и блок управления стропами парашюта.

Управляемая парашютная система дополнительно содержит последовательно соединенные инерциальную навигационную систему, второй выход которой соединен с вторым входом командного блока, блок формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы, второй выход которого соединен с входом инерциальной навигационной системы, третий выход и второй вход соединены соответственно с вторым входом и вторым выходом блока обнаружения маяка, и блок диагностики района поверхности Земли.

Полет ПС по заданной траектории осуществляется с помощью изменения аэродинамических параметров по командам от инерциальной навигационной системы, а разворот ПС на обратный курс и посадка в районе расположения маяка осуществляется изменением аэродинамических параметров парашюта по командам от блока управления стропами и блока обнаружения маяка, осуществляющего поиск в районе посадки.

Применение парашютной системы с возвратом в заданную точку земной поверхности позволяет достичь точности приземления груза в пределах 5 - 60 м в зависимости от условий применения, уменьшить риск воздействия вредных воздействий на человеческий организм, а также применять систему при различных погодных условиях и в различное время суток многократно и при малых затратах.

Таким образом, налицо новое структурное выполнение управляемой системы, а также наличие неочевидных связей между блоками системы, что позволяет реализовать задачу диагностики района с возвратом в заданную точку земной поверхности с требуемой точностью.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы; на фиг. 2 - структурная схема блока обнаружения маяка для ИК диапазона; на фиг. 3 - структурная схема командного блока; на фиг. 4 - структурная схема контейнера управления стропами парашюта; на фиг. 5 - структурная схема инерциальной навигационной системы; на фиг. 6-9 - блок-схема алгоритма работы блока формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы.

Управляемая парашютная систем (ПС) для диагностики заданного района поверхности Земли включает планирующий парашют 1 с грузовой платформой, последовательно соединенные блок обнаружения маяка 2, командный блок 3, блок управления стропами парашюта 4 (контейнер управления) и последовательно соединенные инерциальную навигационную систему 5, блок 6 - формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы и блок диагностики района поверхности Земли 7, при этом второй выход командного блока 3 соединен с входом блока обнаружения маяка 2, второй выход инерциальной навигационной системы 5 соединен с вторым входом командного блока 3, второй выход блока 6 соединен с входом инерциальной навигационной системы 5, а третий выход и второй вход блока 6 соединены соответственно с вторым входом и вторым выходом блока обнаружения маяка 2.

В системе применяется серийный управляемый парашют в виде крыла, например УПГ-0,1 или ПО-300, и серийная платформа для размещения блока диагностики района поверхности Земли и блока обнаружения маяка, которая имеет амортизирующие элементы для смягчения удара при приземлении.

Для реализации функций, присущих данной системе
а) управления блоком диагностики района поверхности Земли 7 и блоком обнаружения маяка 2 в соответствии с временной циклограммой полета и заданий начальных условий;
б) управления инерциальной навигационной системой 5;
в) обработки информации, поступающей с выхода инерциальной навигационной системы 5
может быть применен блок 6 формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы (бортовой компьютер).

Достоинством такого блока является возможность перенастраивания бортовой программы от любого типа IBM - 286, 386, 486, в которой записана в виде программы на языке высокого уровня временная циклограмма ПС.

Блок формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы выполняется на базе серийных элементов, например 1830 BE31.

В зависимости от задачи блок диагностики района поверхности Земли 7 может включать в себя датчики измерения излучений (радиолокационных, оптических. ..), фотоаппарат, датчик замера температур, загрязненности атмосферы (в видимом и инфракрасном диапазоне) и т.п.

Инерциальная навигационная система 5 включает в себя блок выработки моментов компенсации 8, блок инерциальных элементов 9, вычислительное устройство 10 и может быть выполнена согласно фиг. 5.

Блок обнаружения маяка 2 - различный в зависимости от диапазонов длин волн, для ИК- диапазонов может содержать ИК-датчик маяка, представляющий гироскопическое устройство с электронным блоком и схемой сканирования, механизмом прокачки, блоком разгона ротора следящего гироскопа, или радиосистему, включающую в себя радиомаяк (передатчик сигналов) и приемник радиостанции, выполненной по супергетеродинной схеме с одним преобразованием частоты (например, серийная радиостанция P-855 A1).

Излучение исследуемого объекта (костра) фокусируется объективом на стеклянный диск-растр с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. При этом число пар секторов увеличивается от края к центру с 6 до 12 штук. Растр центрирован относительно оптической оси объектива и установлен вместе с последним на роторе гироскопа. На кардановом подвесе последнего расположен фотоприемник, а между ним и растром установлен световод. Ротор гироскопа представляет собой постоянный двухполюсный магнит, частота fp которого поддерживается постоянной электромагнитной системой.

Сигнал с фотоприемниака проходит через полюсный фильтр с резонансной частотой f_рез = 12 fp, детектируется, усиливается усилителем мощности и поступает в катушку коррекции. При взаимодействии магнитных полей катушки коррекции и вращающегося постоянного магнита образуется механический момент, под действием которого гироскоп прецессирует в нужном направлении, удерживая источник излучения в поле зрения. В установленном режиме слежения ток коррекции пропорционален угловой скорости линии визирования. Из тока формируется команда управления, соответствующая угловой скорости визирования. Связь подвижной и неподвижной системы отсчета, связанных с ротором гироскопа и корпусом блока соответственно, устанавливается с помощью обмоток-датчиков генератора опорных сигналов (ГОН) и оптической осью блока обнаружения маяка. Продольные оси обмоток ГОНа перпендикулярны продольной оси корпуса.

У механизма прокачки блока обнаружения маяка 2 на траектории движения ПС углы тангажа и крена могут достигать величины +50^o. Угол прокачки следящего ротора гироскопа ±40^o. Поэтому возникает необходимость доворачивать блок обнаружения маяка на траектории движения ПС, когда следящий гироскоп подходит к конструктивному упору и может произойти срыв автосопровождения объекта (костра). Доворот обеспечивает увод упора от следящего гироскопа. Механизм прокачки обеспечивает поворот изделия в двух перпендикулярных плоскостях вокруг осей, проходящих через катушки ГОН-0^o и ГОН-90^o и центр блока обнаружения маяка в его поперечном сечении. Поворот вокруг осей, связанных с катушки ГОНа, обеспечивает сохранение связанной системы координат.

Схема сканирования обеспечивает управление ротором гироскопа через катушки коррекции по заданному закону.

В обнаружителе происходит установка пороговых значений сигнала информации и вырабатывается команда на отключение сканирования, разориентирование следящего гироскопа и начало автосопровождения объекта (например, костра).

Пример одного из вариантов выполнения блока обнаружения маяка 2 приведен на фиг. 2.

Датчик маяка формирует управляющий сигнал, пропорциональный угловой скорости линии визирования, величина которой рассчитывается на основании сигналов ИК-канала или радиосигналов в 2-х перпендикулярных плоскостях.

Командный блок 3 содержит стандартные элементы - фазовый детектор пеленга, вычислитель разности сигналов пеленга, счетчик нуля пеленга, коммутатор коррекции, устройство формирования команды управления и может быть выполнен на базе микропроцессора.

Пример одного из вариантов выполнения блока 3 приведен на фиг. 3.

Структурная схема блока управления стропами парашюта 4 (контейнера управления) приведена на фиг. 4.

Процесс управления и выведения ПС на траекторию полета и возвращение в точку старта можно представить в виде следующих этапов: этап программного полета ПС по заданному полетному заданию; этап разворота ПС на обратный курс; этап вывода в район маяка посадки и посадки ПС.

Изобретение может быть реализовано следующим образом:
Перед полетом самолета в блок 6 формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы ПС с помощью клавиатуры заводится полетное задание, представляющее параметры траектории полета , высоту полета над районом диагностики, временную циклограмму полета. Временная циклограмма полета включает в себя в зависимости от условий полета время или дальность начала и конца функционирования блока диагностики района поверхности Земли 7, время включения блока обнаружения маяка 2 (при необходимости) для выделения диагностируемой зоны на поверхности земли.

Летчик выводит самолет (вертолет) в заданный район и осуществляет выброс парашютной системы с грузовой платформой через грузовой люк носителя любым известным способом, например с помощью транспортера.

В момент сброса начинается отсчет начала времени полета ПС.

После стабилизации ПС начинается режим полета по программной траектории, осуществляемый с помощью инерциальной навигационной системы 5. Сигналы от блока инерциальных элементов 9, включающих акселерометры и гироскопические датчики угловой скорости, обрабатываются в вычислительном устройстве 10 и поступают в блок выработки моментов компенсации 8. Сигналы с блока инерциальной навигационной системы 5 подаются в командный блок 3.

В командном блоке 3 вырабатываются сигналы, поступающие в блок управления стропами парашюта 4, для подтягивания управляющих строп (левой, правой) парашюта. Изменение аэродинамических характеристик парашюта приводит к изменению параметров траектории движения ПС, что сразу же фиксируется в блоке инерциальных элементов 9 с помощью акселерометров.

По информации блока 9 в блоке 10 рассчитывается дальность и скорость полета, которые фиксируются в блоке 6 формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы как функции времени полета, отсчитываемого от нулевого момента.

При достижении требуемого в полетном задании времени или дальности от блока 6 поступает команда на включение блока диагностики района поверхности Земли 7. Блок диагностики района поверхности Земли 7 включается на основании команд от блока 6 формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы либо от блока обнаружения маяка 2, если в зоне осмотра имеется ярко выраженный маяк (горящий лес и т.п.). Режим включения блока диагностики поверхности Земли 7 определяется временной циклограммой полета, составленной для каждого конкретного применения ПС.

Контроль заданного времени осуществляется в блоке 6 программно. Контроль заданной дальности осуществляется по информации от инерциальной навигационной системы 5 за счет двойного интегрирования ускорения ПС.

Окончание работы регистрирующих, измеряющих и фотографирующих приборов блока диагностики района поверхности Земли 7 также осуществляется от бортового компьютера 6.

После окончания диагностирования района поверхности Земли начинается разворот ПС на обратный курс за счет подачи команды управления стропами, которая передается в блок управления стропами парашюта 4, при этом отключается инерциальная навигационная система 5 и управление по угловой скорости линии визирования, и начинается разворот ПС на 180^o.

После завершения разворота на 180^o происходит включение инерциальной навигационной системы 5, информация от которой поступает в командный блок 3 для выработки соответствующего сигнала управления стропами.

Возвращение ПС в заданный район расположения маяка (посадки) осуществляется за счет программного полета ПС по командам от инерциальной навигационной системы 5, причем начальные условия в инерционную навигационную систему вводятся из памяти блока 6.

Для устранения пролета точки посадки в определенный временной циклограммой момент времени из блока 6 подается команда на включение блока обнаружения маяка 2, осуществляющего поиск маяка.

При появлении сигнала от маяка (ИК, ММ, комбинированного) инерциальная навигационная система 5 отключается от управления ПС и переводится в режим резервирования.

Для исключения ложных захватов маяка парашютная система должна иметь соответствующий алгоритм управления сближения с маяком, например обеспечение двойного прохода над маяком, организация комбинированного блока обнаружения маяка, наличие которого позволяет резко повысить помехоустойчивость датчика.

При идентификации маяка происходит разворот ПС курсом на маяк. Момент разворота определяется о величине сигнала пеленга в связанной системе координат. С завершением разворота курсом на маяк начинается этап наведения на маяк. Управление осуществляется по двум составляющим сигнала коррекции ПС.

Вектор скорости ПС всегда направлен по линии визирования маяка.

Для исключения ложных захватов маяка парашютная система должна два раза пройти над маяком.

В момент прохода системы над маяком первый раз срабатывает счетчик пеленга, по сигналу которого в командном блоке 3 формируется команда управления стропами, которая передается в блок управления стропами парашюта 4, при этом отключается управление по угловой скорости линии визирования и начинается разворот ПС от маяка на 360^o.

После завершения разворота на 360^o происходит полет ПС курсом на маяк до момента второго прохода над объектом.

В момент фиксации счетчика пеленга второго похода над маяком затягиваются обе стропы управления для ускорения снижения системы и достижения заданного угла пеленга, оптимального для осуществления планирования к маяку.

После этого происходит разворот курсом на маяк, который осуществляется как показано выше.

В случае незахвата маяка информация от инерциальной навигационной системы 5 анализируется в блоке 6 формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы и в зависимости от анализа либо подается команда на наведение в программную точку на поверхности Земли, либо дается команда на продолжение полета ПС по программной траектории.

Под программной точкой на поверхности Земли понимается псевдомаяк, координаты которого формируются на основе информации от инерциальной навигационной системы.

Система обеспечивает возврат аппаратуры в заданную точку и исключает непосредственное участие человека при диагностике опасных для человека территорий. Система может применяться в различных погодных условиях и в различное время суток, многократно. Система содержит планирующий парашют с грузовой платформой блок обнаружения маяка, командный блок, блок управления стропами парашюта, инерциальную навигационную систему, блок формирования управляющих сигналов на включение (выключение) и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы и блок диагностики района поверхности Земли. 9 ил.

Управляемая парашютная система, содержащая планирующий парашют с грузовой платформой, последовательно соединенные блок обнаружения маяка, командный блок, второй выход которого соединен с входом блока обнаружения маяка, и блок управления стропами парашюта, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит последовательно соединенные инерциальную навигационную систему, второй выход которой соединен с вторым входом командного блока, блок формирования управляющих сигналов на включение/выключение и задание начальных условий для инерциальной навигационной системы, второй выход которого соединен с входом инерциальной навигационной системы, третий выход и второй вход - соответственно с вторым входом и вторым выходом блока обнаружения маяка, и блок диагностики района поверхности Земли.