СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТА СКОРОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности, к способам определения компонентов вектора скорости летательного аппарата (ЛА) относительно воздушной среды. Оно может быть использовано для формирования воздушной скорости, углов атаки и скольжения при наземной послеполетной обработке данных средств бортовых измерений (СБИ) для анализа всех режимов полета и оценки погрешностей.

Определим используемую ниже терминологию. Под скоростью ЛА понимают вектор скорости начала О его связанной системы координат (СК) относительно воздушной среды [Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. Государственный стандарт Союза ССР ГОСТ 20058-80. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1981, с.5, 11]. В качестве компонентов скорости для индикации летчику, выдачи в систему предупреждения критических режимов и другим бортовым потребителям, а также в СБИ используют следующих три параметра: воздушную скорость V ЛА, его углы атаки α и скольжения β.

Под воздушной скоростью V ЛА понимают модуль вектора скорости [там же, с.12] ЛА. Углы атаки α и скольжения β определяют направление вектора скорости ЛА в связанной СК [там же, с.8].

Три компонента V_X, V_Y и V_Z представляют проекции скорости на оси OX, OY, OZ в связанной СК и также определяют модуль и направление вектора скорости ЛА.

Под угловой ориентацией ЛА относительно земли понимают значения углов тангажа ϑ, крена γ и рыскания ψ [там же, с.9], либо матрицу направляющих косинусов [там же, с.43] между осями ОХ, OY, OZ связанной СК и осями OX_g, OY_g, OZ_g нормальной СК [там же, с.4]. Ось ОХ_g, как правило, направляют на географический Северный полюс. Угол курса ψ_к отличается от угла рыскания ψ противоположным направлением положительного отсчета.

Под земной скоростью ЛА понимают вектор скорости начала О его связанной СК относительно земли [там же, с.12].

Под скоростью ветра понимают скорость среды, не возмущенной ЛА, относительно земли [там же, с.12].

Под режимами сверхманевренности ЛА ниже подразумеваются такие режимы полета, когда нарушается безотрывное стационарное его обтекание.

Воздушная скорость, углы атаки и скольжения являются наиболее используемым набором компонентов для представления скорости ЛА в описанном выше понимании. Для измерения воздушной скорости ЛА на борту используют систему воздушных сигналов (СВС). Для измерения углов атаки и скольжения ЛА на борту используют датчики аэродинамических углов (ДАУ), как правило, флюгерного типа. При этом каждый из компонентов обычно определяется отдельно, и для измерения скорости ЛА одновременно задействованы способы определения каждого из трех компонентов.

Известны, например, следующие способы [Харин Е.А., Цветков П.М., Волков В.К. и др. Летные испытания систем пилотажно-навигационного оборудования. - М.: Машиностроение, 1986, с.67-69, 87] измерения компонентов скорости ЛА:

а) Способ измерения воздушной скорости V ЛА, в котором

- измеряют текущие статическое р₀ и полное р давления воздуха приемником воздушного давления (ПВД) и текущую температуру T_т заторможенного потока воздуха приемником температуры заторможенного потока;

- по полному р и статическому р₀ давлениям воздуха определяют текущее число Маха М;

- по температуре торможения T_т и числу Маха М определяют текущую воздушную скорость V.

б) Способ измерения угла атаки α ЛА, в котором

- измеряют текущий местный угол атаки α_м датчиком аэродинамических углов, установленным в носовой части фюзеляжа ЛА или на носовой штанге;

- по измеренному значению местного угла атаки и заданной функциональной зависимости определяют текущий угол атаки α ЛА.

в) Способ измерения угла скольжения β ЛА, в котором

- измеряют текущий местный угол скольжения β_м датчиком аэродинамических углов, установленным в носовой части фюзеляжа ЛА или на носовой штанге;

- по измеренному текущему значению местного угла скольжения β_м и заданной функциональной зависимости определяют текущий угол скольжения β ЛА.

Согласно данным СБИ использование описанного выше способа измерения воздушной скорости при углах атаки или скольжения свыше 35°÷40° приводит к формированию нулевых значений воздушной скорости ЛА независимо от их истинных значений (например, на фиг.1, 2 показано тонкой линией). Причиной этого является то, что при указанных значениях углов атаки или скольжения ПВД прекращает воспринимать вызванную воздушной скоростью динамическую составляющую давления воздуха и измеряет статическую составляющую полного давления. Сверхманевренные ЛА могут летать с углами атаки и скольжения, существенно превышающими указанные значения, поэтому использование данного способа не обеспечивает определения одного из важнейших компонентов скорости ЛА - его воздушной скорости V.

Достоверность описанного способа измерения угла атаки также имеет ограниченный диапазон. При углах атаки свыше 35°÷40° по данному способу формируется постоянное значение угла атаки ЛА независимо от его истинного значения, поскольку отклонение флюгарок угла атаки ДАУ ограничено механическими упорами (тонкая линия на фиг.2). Расширение диапазонов отклонений флюгарок углов атаки принципиально не решает проблемы, поскольку на сверхманевренных режимах полета в силу нестационарного вихревого обтекания ДАУ отсутствует однозначная функциональная связь местных углов атаки с углами атаки ЛА. Кроме того, при вращении ЛА по тангажу с угловой скоростью ω_Z вследствие продольного выноса R_αX ДАУ относительно центра масс ЛА текущий угол атаки дополнительно искажается вследствие появления дополнительной переносной вертикальной скорости, равной ω_ZR_αX, в месте установки ДАУ.

Аналогично, недостатком описанного способа измерения угла скольжения является ограниченный по углам скольжения диапазон его определения. При углах скольжения свыше 10°÷15° фиксируется постоянное значение угла скольжения ЛА независимо от его истинного значения, поскольку отклонение флюгарки угла скольжения ДАУ также ограничено механическими упорами. Расширение диапазонов отклонений флюгарки угла скольжения опять же не решает проблемы по причине отсутствия однозначной функциональной связи местного угла скольжения с углом скольжения ЛА из-за нестационарного вихревого обтекания ДАУ. Кроме того, при вращении ЛА по курсу с угловой скоростью ω_Y вследствие продольного выноса R_βX ДАУ относительно центра масс ЛА существует влияние переносной горизонтальной скорости, равной ω_YR_βX, в месте установки ДАУ.

Кроме того, даже на обычных режимах полета, когда углы атаки и скольжения достаточно малы, определяемые описанными выше способами воздушная скорость и углы атаки и скольжения содержат высокочастотные случайные составляющие, вызванные турбулентностью атмосферы.

Прототипом изобретения может быть способ определения компонента скорости ЛА, описанный в патенте RU №2192015. Способ заключается в том, что измеряют скорость, земную скорость и угловую ориентацию ЛА относительно земли, определяют достоверность измерений скорости ЛА, при наличии достоверности определяют скорость ветра и ее систематическую составляющую, определяют воздушную скорость ЛА по земной скорости и систематической составляющей скорости ветра. Систематическую составляющую скорости ветра определяют на предшествующем заданном интервале времени или расстояния относительно текущего, причем в качестве первоначального значения систематической составляющей берут текущую скорость. Для установления достоверности контролируют дополнительно параметры состояния ЛА и атмосферы. В промежутке недостоверности контролируют его величину и при превышении заданного значения после установления достоверности систематическую составляющую скорости ветра определяют заново. Угол скольжения определяют по воздушной скорости, а угол атаки - по величинам проекций скорости ЛА на его плоскость симметрии в диапазоне от -180° до +180°.

Систематическая составляющая скорости ветра изменяется по высоте полета, расстоянию и времени [Хиврич И.Г., Миронов Н.Ф., Белкин A.M. Воздушная навигация. Учебное пособие для вузов. - М.: Транспорт, 1984, с.78...81]. Вследствие горизонтальных и вертикальных перемещений ЛА относительно земли систематическая составляющая скорости ветра может существенно изменяться по времени и расстоянию. Поэтому определение систематической составляющей скорости ветра по совокупности скоростей ветра только в предшествующем интервале времени при изменении систематической составляющей вносит запаздывание и приводит к погрешностям ее определения.

Вышеуказанные погрешности определения систематической составляющей скорости ветра приводят к соответствующим погрешностям формирования компонент скорости ЛА.

Задачей изобретения является повышение точности определения любого из компонентов скорости ЛА на всех режимах полета, включая сверхманевренные режимы полета, при произвольных возможных значениях углов атаки и скольжения ЛА.

Задача решается с помощью способа определения компонента скорости ЛА, в котором во время полета в расчетные моменты времени измеряют скорость, земную скорость и угловую ориентацию ЛА относительно земли, определяют достоверность измерения скорости ЛА, при наличии достоверности определяют скорость ветра, определяют расчетное значение скорости ветра по ее значениям на предшествующем заданном интервале времени или расстояния, определяют компонент скорости ЛА по земной скорости и расчетному значению скорости ветра, отличающегося тем, что упомянутое определение расчетного значения скорости ветра и последующие действия выполняют при послеполетной обработке результатов упомянутых измерений, а в упомянутый заданный интервал времени или расстояния включают также и последующий относительно расчетного момента интервал времени или расстояния, причем расчетное значение скорости ветра определяют для каждого из расчетных моментов времени регрессией.

Предлагаемое изобретение позволяет определять значения компонентов скорости ЛА с более высокой точностью при любых их возможных значениях.

Применение предлагаемого способа иллюстрируется фигурами.

На фиг.1 показаны как зависимости от времени полета:

- северная составляющая скорости ветра (тонкая линия), формируемая на борту;

- северная составляющая скорости ветра (пунктирная линия), определенная известным способом;

- северная составляющая скорости ветра (толстая линия), определенная предлагаемым способом.

На фиг.2 показаны в том же интервале времени, что и на фиг.1:

- восточная составляющая скорости ветра (тонкая линия), формируемая на борту;

- восточная составляющая скорости ветра (пунктирная линия), определенная известным способом;

- восточная составляющая скорости ветра (толстая линия), определенная предлагаемым способом.

На фиг.3 показаны в том же интервале времени, что и на фиг.1:

- воздушная скорость V ЛА (тонкая линия) по данным СВС;

- воздушная скорость V ЛА (пунктирная линия), полученная известным способом;

- воздушная скорость ЛА (толстая линия), определенная предлагаемым способом.

На фиг.4 показаны в том же интервале времени, что и на фиг.1:

- угол атаки α ЛА (тонкая линия) по данным ДАУ атаки;

- угол атаки α ЛА (пунктирная линия), полученная известным способом;

- угол атаки ЛА (толстая линия), определенный предлагаемым способом.

На фиг.5 показаны в том же интервале времени, что и на фиг.1:

- угол скольжения β ЛА (тонкая линия) по данным ДАУ скольжения;

- угол скольжения β ЛА (пунктирная линия), полученная известным способом;

- угол скольжения ЛА (толстая линия), определенный предлагаемым способом.

Предлагаемый способ определения компонента скорости ЛА заключается в следующем.

1. В процессе полета в расчетные моменты времени (например, разделенные определенными промежутками времени или расстояния) измеряют и регистрируют (запоминают для каждого из расчетных моментов времени, например, фиксируют в памяти компьютера) текущую скорость ЛА (а именно, ее компоненты V, α и β), текущую земную скорость ЛА (компоненты и его угловую ориентацию ϑ, γ, ψ_к относительно земли. Величина промежутков времени или расстояния, через которые измеряют эти величины, зависит от желаемой точности определения данных, быстроты их изменения, свойств измерительных приборов и ряда других обстоятельств.

Компоненты α и β измеряют, используя СВС и ДАУ атаки и скольжения, соответственно.

2. Правильно определять текущую скорость ветра нужно для того, чтобы определенная данным способом скорость ЛА соответствовала ее фактическому значению на всех режимах полета, включая сверхманевренные режимы. Откуда вытекает, что скорость ветра следует определять только при условии достоверности измерения скорости ЛА. Поэтому определяют достоверность измерения скорости ЛА в расчетные моменты времени.

3. Для каждого из расчетных моментов при наличии достоверности измерения скорости ЛА по измеренным значениям скорости земной скорости и угловой ориентации ϑ, γ, ψ_к определяют скорость ветра

Поскольку скорость ветра определяют относительно земли в нормальной СК, а скорость ЛА определяют в связанной СК, то для определения скорости ветра необходимо по компонентам V, α и β скорости ЛА определить ее компоненты в нормальной СК. По компонентам V, α и β скорости ЛА сначала находят ее компоненты V_X, V_Y, V_Z в связанной СК [Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. Государственный стандарт Союза ССР ГОСТ 20058-80. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1981, с.43]:

V_X=V cosαcosβ;

V_y=-V sinαcosβ;

V_Z=V sinβ,

затем компоненты в нормальной СК [там же, с.43]:

Затем определяют составляющие скорости ветра по измеренным составляющим земной скорости ЛА и компонентам его скорости :

4. Определяют расчетное значение скорости ветра. Эта операция необходима потому, что под скоростью самолета понимают его скорость относительно невозмущенного набегающего потока [ГОСТ 20058-80-М], а определенная в п.3 скорость ветра содержит, в том числе, высокочастотную составляющую.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что упомянутое определение расчетного значения скорости ветра и последующие действия выполняют при послеполетной обработке результатов упомянутых измерений, увеличивают интервал времени или расстояния для определения скорости ветра и применяют для расчета метод регрессии. В упомянутый заданный интервал времени или расстояния включают также последующий относительно расчетного момента интервал времени или расстояния. Расчетное значение скорости ветра определяют для каждого из расчетных моментов времени регрессией на этом расширенном интервале времени или расстояния.

Выполнение операции регрессии описано в [Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984, с.553].

При послеполетной обработке в полете могут быть выполнены действия, указанные выше в п.п.1, 2 описания, а остальные действия - по окончании полета.

Поскольку в режиме сверхманевра положение ЛА в пространстве может существенно измениться, а следовательно, могут измениться свойства атмосферы, включая скорость ветра (фиг.1 и 2), то при послеполетной обработке при наличии как минимум одного интервала отсутствия достоверности измерения скорости ЛА перед выполнением регрессии в интервале отсутствия достоверности скорость ветра определяют аппроксимацией ее значений вне интервала отсутствия достоверности возле его границ.

5. По земной скорости и расчетному значению скорости ветра определяют компонент скорости ЛА. Компоненты скорости ЛА определяют как разность соответствующих составляющих земной скорости ЛА и составляющих систематической составляющей скорости ветра

По этим компонентам определяют один из компонентов скорости ЛА - его воздушную скорость

Используя матрицу направляющих косинусов между осями связанной СК и нормальной СК, определяют компоненты скорости ЛА в связанной СК [там же, с.43]:

По компонентам скорости ЛА в связанной СК определяют в диапазоне от -180° до +180° его угол атаки

и в диапазоне от -90° до +90° угол скольжения

В формулах (1)...(3) s_α, c_α и α₀ - вспомогательные переменные.

Результаты применения предлагаемого способа показаны толстыми линиями на фиг.3...5. Как видно из фигур, на участке выполненного сверхманевра (время от 26 с до 40 с и от 116 с до 144 с) предлагаемый способ обеспечивает определение воздушной скорости , угла атаки и угла скольжения с более высокой точностью.

Изобретение предназначено для определения компонентов вектора скорости летательного аппарата (ЛА) относительно воздушной среды. В полете измеряют скорость, земную скорость и угловую ориентацию ЛА. При послеполетной обработке данных средств бортовых измерений определяют достоверность измерения скорости. При наличии достоверности определяют скорость ветра. Определяют расчетное значение скорости ветра по ее значениям на предшествующем расчетному моменту заданном интервале времени или расстояния. При определении компонент скорости ЛА по земной скорости и расчетному значению скорости ветра в упомянутый заданный интервал времени или расстояния включают также и последующий относительно расчетного момента интервал времени или расстояния. Расчетное значение скорости ветра определяют для каждого из расчетных моментов времени регрессией. Изобретение повышает точность определения компонентов скорости ЛА на всех режимах полета, включая сверхманевременные режимы, при произвольных возможных значениях углов атаки и скольжения. 5 ил.

Способ определения компонента скорости летательного аппарата (ЛА), в котором во время полета в расчетные моменты времени измеряют скорость, земную скорость и угловую ориентацию ЛА относительно земли, определяют достоверность измерения скорости ЛА, при наличии достоверности определяют скорость ветра, определяют расчетное значение скорости ветра по ее значениям на предшествующем расчетному моменту заданном интервале времени или расстояния, определяют компонент скорости ЛА по земной скорости и расчетному значению скорости ветра, отличающийся тем, что упомянутое определение расчетного значения скорости ветра и расчет компонента скорости ЛА выполняют при послеполетной обработке результатов упомянутых измерений, а в упомянутый заданный интервал времени или расстояния включают также и последующий относительно расчетного момента интервал времени или расстояния, причем расчетное значение скорости ветра определяют для каждого из расчетных моментов времени регрессией.