СПОСОБ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА КОРАБЛЬ Российский патент 2001 года по МПК B64F1/18 

Изобретение относится к способам посадки самолетов нормальной аэродинамической схемы на авианосец.

Известен способ посадки самолета на корабль, заключающийся в снижении летательного аппарата (ЛА) вплоть до касания полетной палубы (ПП) по задаваемой корабельной системой глиссаде, имеющей стабилизированный, то есть автоматически сохраняемый постоянным, независимо от килевой и бортовой качки корабля угол наклона относительно неподвижной горизонтальной плоскости "тихой" воды. Этот угол (обозначим его А) устанавливается по величине равным 3; 3,5 или 4^o [1. A. P.Schust, P.N.Young, W.R.Simpson. Automatic Carrier Landing System (ACLS). Jul. 1982. Arinc Research Corp. Annapolis; 2. T.S.Durand, R. J. Wasicko. Factors Influencing Glide Path Control in Carrier Landing. "Journal of Aircraft", 1967, vol. 4, N2, pp. 146-158.]. Компенсация воздействий на угол А наклонений корабля обеспечивает реальную возможность "захвата" и отслеживания в процессе посадки самолетом задаваемой траектории.

Современный корабельный посадочный комплекс включает два типа согласованных систем посадки: визуальную (ВСП) и радиотехническую. С целью обеспечения возможности перехода на управление с одной системы на другую без дополнительных маневров самолета и осуществления взаимного контроля за качеством их работы при посадке в зоне действия обеих систем траектория захода на посадку по радиотехнической системе формируется вписанной в визуальную траекторию посадки.

Даже при точном выдерживании стабилизированной глиссады посадки килевая и бортовая качка в условиях морского волнения приводит к ошибкам по дальности относительно расчетной точки посадки, обусловливая возможность удара ЛА о кормовой срез ПП при посадке, приводящего к аварии или катастрофе, о чем свидетельствуют зарубежные данные о потерях во время боевой и оперативной подготовки [2, р. 146; 3. Russ Forbush. M.A.S.H. II. Approach, 1982, vol. 27, N 11, pp. 2-6.].

Функция распределения продольной координаты точек касания ПП осуществляющего посадку самолета на авианосец, являющаяся распределением вероятностей Коши, опубликованная в [4. В.Ю.Каширин, О.В.Третьяков, А.И.Уткин. Распределение вероятностей Коши (A.Cauchy) в теории проектирования авианосцев. Вторая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Россия, Санкт-Петербург. 1997. Труды конференции, том 4, с. 83-85. ] , характеризует опасность посадки ЛА на качающийся в реальных условиях морского волнения корабль - носитель авиации, а конкретно так называемые "хвосты" этого распределения, простирающиеся за пределы кормового среза и зоны приемных тросов аэрофинишеров ПП авианосца.

На успокоение продольной качки обычных водоизмещающих кораблей, каковыми являются авианосцы, вряд ли приходится рассчитывать [5. Т.К.Гилмер. Проектирование современного корабля. "Судостроение", Л. 1984, с. 304.], по этой причине, вероятно, ВМС США предпочитают обладать авианосцами с длиной по ватерлинии не менее 300 метров [6. Jane's Fighting Ships, 1995-1996, pp. 802- 806.], ибо прямым путем достижения приемлемой [2;3] безопасности посадки самолетов нормальной схемы в условиях боевой подготовки в обеспечение высокой мореходности (по применению авиации) авианосца является создание корабля достаточной длины по ватерлинии.

Принимая в качестве физико-технической основы, характеризующей объективную опасность боевой подготовки авианосцев, распределение вероятностей Коши в теории проектирования [4] кораблей этого класса, удается сформулировать технические предложения, обеспечивающие приемлемые уровни взаимосвязанных безопасности посадки самолетов и мореходности корабля - носителя авиации [7. В. Ю.Каширин. Способ посадки летательного аппарата на корабль. Патент РФ N 2096274 на изобретение. Заявка N 5058382 от 11 августа 1992 г. - прототип] . Замыслом прототипа [7; 8. В.Ю.Каширин, О.В.Третьяков, Т.Э.Этмишев. Формирование запретов посадки корабельных самолетов на авианосец в условиях морского волнения. Вторая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Россия, Санкт-Петербург. 1997. Труды конференции, том 1, с. 123-131.(Расширенная версия описания изобретения [7]).] предусматривается трансформация плотности распределения Коши [4] в усеченное распределение посредством прогнозирования опасных наклонений авианосца и формирования запретов посадки ЛА с отправкой на второй круг. Недостатки прототипа очевидны: формирование запретов посадки из-за отправки ЛА на второй круг в принципе обладает ограниченной эффективностью [7, колонка 8; 8, с. 131].

Задача повышения безопасности посадки самолета на авианосец здесь решается тем, что в момент пролета самолета над кормовым срезом ПП обеспечивается расстояние от ПП в районе кормового среза (в точке пересечения кормового среза с осевой линией угловой палубы) до задаваемой корабельной системой траектории посадки, равное расчетному расстоянию, соответствующему условиям отсутствия качки корабля.

Решение сформулированной задачи осуществляется следующим образом. Анализируя выражение (2) U = α/β из [4, с. 84] как безгранично делимое с целью выявления сначала математических условий, при которых распределение продольной координаты точек касания самолетом ПП авианосца будет максимально сосредоточено около расчетной точки посадки, а затем формулирования соответствующих технических предложений, нетрудно обнаружить два варианта взаимоподобных условий. В первом варианте следует минимизировать σ_α, а во втором - σ_β в выражении U = α/β. В обоих случаях обеспечивается максимальное сосредоточение продольной координаты точек касания самолетом ПП авианосца около расчетной точки посадки, которое в первом случае соответствует симметричному относительно проходящей через расчетную точку посадки вертикальной оси Коши распределению, в отличие от несимметричного Коши распределения [4], а во втором случае - гауссовскому (нормальному) распределению. Гауссовское распределение обладает в классе безгранично делимых распределений максимальным темпом приближения к оси абсцисс, минимальным темпом приближения в этом классе, заметим, обладает Коши распределение.

Технически замысел изобретения реализуется также двояко: 1) перемещением плоскости глиссады параллельно самой себе до прохождения линии пересечения плоскости глиссады с плоскостью ПП через расчетную точку посадки на ПП посредством соответствующего размещения оптического блока ВСП; 2) непрерывным или дискретным уменьшением с момента снижения самолета степени компенсации возмущающих воздействий на угол наклона глиссады посадки по закону монотонной функции до нуля в момент касания палубы самолетом.

Оба технических решения обеспечивают минимизацию негативного из-за стабилизации угла наклона глиссады посадки влияния качки корабля на продольную точность посадки, что соответствует посадке на авианосец в условиях штиля, когда нет необходимости в функционировании блока стабилизации системы посадки против качки корабля.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются.

1. Обеспечение расстояния от ПП в точке пересечения кормового среза с осевой линией угловой палубы до задаваемой расчетной траектории нижней точки тормозного крюка ЛА при посадке в условиях морского волнения, равным соответствующему расстоянию в условиях отсутствия качки авианосца.

2. Расчетный предельный угол наклонения корабля, при превышении которого происходит удар ЛА о кормовой срез ПП при посадке, равен углу наклона глиссады посадки А.

3. В момент времени пролета ЛА над кормовым срезом ПП обеспечивается расстояние от ПП в точке пересечения кормового среза с осевой линией угловой палубы до задаваемой корабельной системой траектории посадки, равное расчетному расстоянию, соответствующему условиям отсутствия качки корабля.

Проработка размещения оптической системы посадки (ОСП) на ПП с координатами в системе Kuvw: u_сп=0; w_сп=-24,4 метра (левее зоны тросов аэрофинишеров) сводится к оценке v_сп.

Принимая величину расстояния "гак-глаз" НЕ = 3,81...5,85 м, а угол крена согласно [9. Aircraft Recovery Bulletin N 61-126. Mark 6 Fresnel Lens Optical Landing System. Department of the Navy. Naval Air System Command. W. 24 April 1972; 8, с. 125, 126], из формулы HE= u_сп•tgA+w_сп•tgB/cosA+v_сп определяется v_сп=2,5 м.

Таким образом, ОСП может быть размещена за пределами ПП по левому борту выше уровня ПП на 2,5 метра, обеспечивая стандартные углы А, В, требуемые для разных ЛА величины НЕ при реализации неизменного HR = 4,34 метра (расчетное расстояние "гак-рампа"), не мешая функционированию левого самолетоподъемника [8, с. 125, 126]. Размещение ОСП на высоте 2,5 метра над ПП по правому борту представляется менее удобным, так как оказывается в парковой зоне. Проработка увеличения w_сп до величин 29,9 метра и 45,9 метра для получения требуемых НЕ при v_сп=0 оказалась неудовлетворительной. Таким образом, вариант размещения ОСП по левому борту за пределами ПП удовлетворителен для авианосцев класса "Nimitz", а для авианосцев класса "Адмирал Н.Г.Кузнецов" и "Charles de Gaulle" возможен по правому борту в парковой зоне на высоте не менее 2,5 м над ПП, что обусловливается меньшей длиной корпуса этих кораблей по сравнению с авианосцем "Nimitz" соответственно на 15% и 25% и влечет за собой вынужденное уменьшение величины u_сп (см. математическое выражение для НЕ выше). В этом случае для обеспечения посадки самолетов на авианосцы среднего водоизмещения ("Адмирал Н.Г.Кузнецов"), а главным образом, на легкие авианосцы ("Charles de Gaulle") целесообразно в гидрометеорологических условиях, близких к предельным, использовать только радиотехнические системы посадки, что позволит отказаться от выполнения требования, изложенного в абзаце 3 данного описания.

Согласно предлагаемому изобретению предельный угол наклонения корабля, при превышении которого происходит удар ЛА о кормовой срез ПП при идеальной [8, с. 124] посадке, равен углу наклона глиссады посадки А (3; 3,5 или 4^o), а соответствующий предельный угол наклонения авианосца "Nimitz" составляет 1,66^o, что опубликовано в [7, колонка 4; 8, с. 124]. В рассматриваемом случае 1,66^o существенно меньше А = 3; 3,5; 4^o, ибо гидрометеорологические условия, в которых "Nimitz" испытывает соответствующую 1,66^o качку, оказываются менее жесткими, чем условия, в которых "Адмирал Н.Г.Кузнецов" и "Charles de Gaulle" испытывают соответствующую 3...4^o качку, что подтверждается расчетами по [10. РД5.1003-80. Методика расчета качки водоизмещающих кораблей и судов].

Расчеты, выполненные с учетом [7; 8, с. 126, табл. l,2;2,Fig.6], показывают, что предлагаемый способ обеспечивает уменьшение вероятности неудачной посадки ЛА (связанной с ударом о кормовой срез ПП, превышением расчетной относительной скорости посадки, а также с посадкой за последний трос аэрофинишера и уходом на второй круг) на авианосец класса "Nimitz" на один...два порядка в предельных по применению авиации условиях морского волнения (5...6 SS (американских баллов)), а на авианосцы класса "Адмирал Н.Г.Кузнецов" и "Charles de Gaulle" предлагаемый способ обеспечивает достижение вероятности неудачной посадки ЛА, соответствующей американскому уровню [2, р. 146; 3] опасности боевой подготовки, в тех же предельных условиях морского волнения 5. ..6 SS [11. В.Ю.Каширин, А.А.Благовещенский. О шкалах интенсивности морского волнения. Первая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям. Россия, Санкт-Петербург. 1995. Труды конференции, с. 344 - 349]. Здесь следует добавить, что более интенсивная продольная качка, испытываемая авианосцами с меньшей длиной по ватерлинии в одинаковых условиях морского волнения, обусловливает целесообразность применения на них способа взлета ЛА в соответствии с [12. Б.А.Колызаев, В.Ю.Каширин и др. Способ взлета корабельного летательного аппарата. Заявка N 96110929/28(016722) от 30 мая 1996 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 22 октября 1997 г. ] в интересах актуальной как для посадки, так и для подъема ЛА в воздух безопасности боевой подготовки авианосцев.

Далее изобретение поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - графики распределений продольной координаты точек касания тормозным крюком самолета ПП авианосца при посадке: нормального g(u) и симметричного Коши s(u) распределений, соответствующие предлагаемому способу посадки, и график распределения продольной координаты точек касания тормозным крюком самолета ПП авианосца при посадке по стабилизированной против качки [1; 2; 9] глиссаде p(u) несимметричного Коши распределения; p(u) заимствован из [4] , s(u) построен для соответствующих условий при u_сп = 0, а g(u) - при отсутствии качки корабля (при штиле); местоположение приемных тросов аэрофинишеров обозначено символом U_F;
на фиг. 2 - план ПП авианосца с приемными тросами аэрофинишеров, аварийным барьером, местоположениями оптической системы посадки.

На фиг. 2 приведенные обозначения имеют следующий смысл: О_сп - точка традиционного размещения оптического блока ВСП [1; 6];
К - расчетная точка посадки;
R - точка пересечения кормового среза с осевой линией угловой палубы ПП;
Kuw - система координат, Kv ⊥ ПП;
- рекомендуемые согласно изобретению места размещения оптического блока ВСП при u_сп = 0.

Способ осуществляется следующей последовательностью операций.

В первом случае размещенному слева или справа от зоны аэрофинишеров на ПП (u_сп = 0) оптическому блоку ВСП придается отвечающий конкретному ЛА с соответствующим расстоянием "гак - глаз" угол крена. Это обеспечивает восприятие пилотом визуальной глиссады посадки, но в то же время отслеживание задаваемой траектории осуществляется при незначительных изменениях угла тангажа посадки нижней точкой тормозного крюка ЛА, и проходит эта траектория через расчетную точку посадки К на ПП, что устраняет негативные воздействия качки на продольную точность посадки ЛА на авианосец в условиях стабилизации глиссады. Точка К авианосца в условиях морского волнения испытывает меньшие вертикальные возмущения, чем точка О_сп. Это дополнительно обеспечит уменьшение вероятности превышения расчетной относительной скорости посадки ЛА на корабль.

Во втором случае самолет "захватывает" стабилизированную глиссаду при посадке, а по мере приближения к кормовому срезу согласно замыслу изобретения уменьшают степень компенсации воздействий на угол наклона глиссады, обусловленные килевой и бортовой качкой корабля, по закону монотонной функции непрерывно или дискретно до нуля в момент касания. Для этого случая целесообразно предусмотреть дополнительно пятый и шестой приемные тросы, показанные на фиг. 1, аэрофинишеров для уменьшения вероятности попадания тормозным крюком ЛА за последний трос и ухода на второй круг.

Таким образом, в обоих случаях обеспечивается расстояние от ПП в районе кормового среза (в точке пересечения кормового среза с осевой линией угловой палубы) до задаваемой расчетной траектории нижней точки тормозного крюка, осуществляющего посадку ЛА, равное расчетному расстоянию, соответствующему условиям отсутствия качки корабля, то есть штилю.

Примененная в способе трансформация распределения p(u) продольной координаты точки касания тормозным крюком самолета ПП авианосца при посадке в условиях качки в более предпочтительные с точки зрения безопасности распределения g(u) и s(u), изображенные на фиг. 1, была осуществлена на основе фундаментальных и прикладных научных разработок, а ее возможность подтверждена экспериментальными исследованиями.

Технико-экономический эффект по сравнению с прототипом заключается в повышении безопасности посадки ЛА в предельных по качке корабля условиях морского волнения, обусловливая промышленно-экономическую целесообразность авианосцев среднего водоизмещения, а также легких авианосцев.

Изобретение относится к способам посадки самолетов нормальной аэродинамической схемы. Способ посадки заключается в формировании глиссады посадки, определении величины килевой и бортовой качки корабля, компенсации возмущающих воздействий на угол наклона глиссады посадки, вызванных килевой и бортовой качкой. В момент времени пролета самолета над кормовым срезом полетной палубы обеспечивают расстояние от полетной палубы в районе кормового среза до задаваемой корабельной системой траектории посадки, равное расчетному расстоянию, соответствующему условиям отсутствия качки корабля. Плоскость глиссады перемещена параллельно самой себе до прохождения линии пересечения плоскости глиссады с плоскостью палубы через расчетную точку посадки на палубе. С момента снижения самолета непрерывно или дискретно уменьшают степень компенсации возмущающих воздействий на угол наклона глиссады посадки по закону монотонной функции до нуля в момент касания палубы самолетом. Технический результат заключается в повышении безопасности посадки ЛА в предельных по качке корабля условиях морского волнения, а следовательно использования авианосцев среднего возмещения. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ посадки летательного аппарата на корабль, заключающийся в формировании глиссады посадки, определении величины килевой и бортовой качки корабля, компенсации возмущающих воздействий на угол наклона глиссады посадки, вызванных килевой и бортовой качкой, отличающийся тем, что в момент времени пролета самолета над кормовым срезом полетной палубы обеспечивают расстояние от полетной палубы в районе кормового среза до задаваемой корабельной системой траектории посадки, равное расчетному расстоянию, соответствующему условиям отсутствия качки корабля. 2. Способ посадки по п.1, отличающийся тем, что плоскость глиссады перемещают параллельно самой себе до прохождения линии пересечения плоскости глиссады с плоскостью палубы через расчетную точку посадки на палубе. 3. Способ посадки по п.1, отличающийся тем, что с момента снижения самолета непрерывно или дискретно уменьшают степень компенсации возмущающих воздействий на угол наклона глиссады посадки по закону монотонной функции до нуля в момент касания палубы самолетом.