УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2012 года по МПК G01G19/07 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к бортовым информационно-вычислительным системам летательного аппарата, и может быть использовано для определения массы летательного аппарата.

Наиболее близким к изобретению является устройство определения массы летательного аппарата, которое состоит из последовательно соединенных датчиков давления, процессора и отображающего устройства в кабине экипажа, причем процессор выполнен в виде микроконтроллера, отображающее устройство в кабине экипажа выполнено в виде дисплея, датчики давления выполнены в виде пьезоэлектрических датчиков и размещены в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, при этом в датчиках давления при действии на них массы летательного аппарата образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс относительно продольной и поперечной осей, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, выполненное в виде дисплея, на котором отображается информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом, а также на выдачу сигнала запрета вылета летательного аппарата в случае, если текущее значение массы летательного аппарата больше допустимого значения и положение его центра масс перед взлетом не соответствует допустимым значениям [1].

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля диспетчером массы летательного аппарата при взлете.

Технический результат изобретения заключается в повышении безопасности полетов за счет дополнительного контроля массы груза летательного аппарата диспетчером.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве определения массы летательного аппарата, которое состоит из последовательно соединенных датчиков давления, процессора и отображающего устройства в кабине экипажа, причем процессор выполнен в виде микроконтроллера, отображающее устройство в кабине экипажа выполнено в виде дисплея, датчики давления выполнены в виде пьезоэлектрических датчиков и размещены в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, при этом в датчиках давления при действии на них массы летательного аппарата образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс относительно продольной и поперечной осей, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, выполненное в виде дисплея, на котором отображается информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом, а также на выдачу сигнала запрета вылета в случае, если текущее значение массы летательного аппарата больше допустимого значения и положение его центра масс перед взлетом не соответствует допустимым значениям, дополнительно введены блок памяти, передающее устройство, элемент И, первый и второй задатчики сигналов, элемент ИЛИ, приемный канал диспетчера, при этом выход микроконтроллера соединен с первым входом блока памяти, первым входом элемента ИЛИ, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго задатчиков сигналов, а выход соединен с входом передающего устройства, второй вход блока памяти соединен с выходом элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика высоты и выходом второго задатчика, выход передающего устройства по линии бесконтактной связи соединен с входом приемного канала диспетчера, который состоит из приемного устройства, элемента ИЛИ, дисплея и блока памяти, при этом выходы приемного устройства соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами дисплея и блока памяти.

Новыми элементами, обладающими существенными отличиями по устройству, являются блок памяти, первый и второй задатчики сигналов, элемент И, элемент ИЛИ, передающее устройство и приемный канал связи между известными и новыми элементами.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема действия сил на летательный аппарат при его нахождении на земле. На фиг.2 - структурная схема устройства для определения массы летательного аппарата. На фиг.3 - структурная схема приемного канала диспетчера.

Летательный аппарат (фиг.1) имеет силу тяжести G, приложенную в его центре масс (Ц.М.). Центр масс располагается внутри фюзеляжа 1. Снизу к фюзеляжу крепятся стойки шасси: основные стойки 2 и 3 и передняя стойка 4. Сила тяжести G уравновешивается реакциями от земли, действующими на основные стойки N_гл. и переднюю стойку N_пер.. Реакция на основные стойки состоит из двух составляющих: действующих на левую основную стойку N_гл.л. и на правую основную стойку Н_гл.пр..

На каждой стойке шасси, между фюзеляжем и стойкой, установлены датчики давления 5, 6 и 7, например пьезоэлектрические датчики. При давлении на них они вырабатывают сигналы С_гл.л., С_гл.пр. и С_пер. соответственно с датчиков на главной левой, на главной правой и на передней стойках в виде напряжения (ЭДС). База шасси (расстояние между осями колес главных стоек и осью переднего колеса) обозначена через L. Расстояние от центра масс до осей колес основных стоек обозначено через l₁, а до оси переднего колеса - через l₂. Ширина колеи (расстояние между осями главных стоек) обозначена через «а» (вид А, фиг.1). Расстояние от центра масс до оси главной левой стойки обозначено через «a₁», а до оси главной правой стойки - через «а₂».

На фиг.2 датчики давления 5, 6 и 7 обозначены через Д_гл.пр., Д_гл.л. и Д_пер. соответственно датчики на главной правой, на главной левой и передней стойках, с которых поступают сигналы соответственно С_гл.пр., С_гл.л. и С_пер..

Устройство для определения массы летательного аппарата содержит первый 5, второй 6 и третий 7 датчики, микроконтроллер 8, дисплей 9, блок 10 памяти, передающее устройство 11, элемент И 12, первый 13 и второй 14 задатчики сигналов, согласующее устройство 15, приемный канал 16 диспетчера, при этом выходы первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами микроконтроллера 8, выход которого соединен с входом дисплея 9, первым входом блока 10 памяти, первым входом элемента ИЛИ 15, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого 13 и второго 14 задатчиков сигналов, а выход соединен с входом передающего устройства 11, второй вход блока 10 памяти соединен с выходом элемента И 12, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика высоты и выходом второго 14 задатчика, выход передающего устройства бесконтактной связью связан с приемным каналом 16 диспетчера, который состоит из приемного устройства 17, элемента ИЛИ 18, дисплея 19 и блока 20 памяти, при этом выходы приемного устройства 17 соединены с входами элемента ИЛИ 18, выход которого соединен с входами дисплея 19 и блока 20 памяти.

Устройство работает следующим образом.

На земле, когда летательный аппарат не движется, то суммы проекций всех сил на каждую из координатных осей и суммы их моментов относительно этих осей равны нулю [3]. Проекции сил, действующих на летательный аппарат, будут только на ось У. На остальные оси эти проекции будут равны нулю. Сумма проекций сил на ось У соответствует выражению:

Σ_Fiy=0; N_гл.+N_пер.-G=0;

N_гл.=N_гл.л.+N_гл.пр.

Тогда N_гл.л.+N_гл.пр.+N_пер.-G=0.

Или

Таким образом, масса G летательного аппарата определяется в соответствии с выражением (1).

Моменты будут действовать только относительно осей X и Z, а относительно оси У они будут равны нулю.

Сумма моментов относительно оси X определяется в соответствии с выражением:

Σm_х=0; -N_гл.л.·_а1+N_гл.пр.·а₂=0

Отсюда

Расстояние «а» известно (колея шасси).

Тогда a₂=a-a₁.

Подставляем в (2) и получаем:

N_гл.пр.(a-a₁)=N_гл.л.·а₁.

Или N_гл.пр.·а-N_гл.пр.·а₁=N_гл.л.·а₁.

Или N_гл.пр.·a-a₁(N_гл.пр.+N_гл.л.).

Или N_гл.пр.·a=a₁·N_гл..

Отсюда

Т.е. положение центра масс в поперечном направлении определяется формулой (3).

Сумма моментов относительно оси Z определяется следующим образом:

Σ_mz=0; -N_гл.·l₁+N_пер.·l₂=0;

Отсюда

База шасси L известна. Тогда l₂=L-l₁.

Подставляем в (4) и получаем:

N_пер.(L-l₁)=N_гл.·l₁.

Или N_пер.·L-N_пер.·l₁=N_гл.·l₁.

Или N_пер.·L=l₁(N_пер.+N_гл.).

Отсюда

Уравнение (5) определяет положение центра масс в продольном направлении летательного аппарата.

Таким образом, используя уравнение (1), определяется масса летательного аппарата М (сила тяжести G). Значения реакций М_гл.л., N_гл.пр. и N_пер. определяются по величинам сигналов (ЭДС) С_гл.л., С_гл.пр. и С_пер. с датчиков давлений 5, 6 и 7. Эта масса должна быть меньше или равной ее предельному значению М_пред. (G_пред.), т.е. М≤М_пред. (G<G_пред.) или N_гл.л.+N_гл.пр.+N_пер.≤G_пред.. Значение G_пред. для каждого летательного аппарата известно.

По уравнению (5) определяется положение центра масс вдоль продольной оси летательного аппарата. Величина l₁ должна быть меньше L, т.е. l₁<L. Если положение центра масс выходит за пределы базы шасси, то нарушается продольная устойчивость при разбеге.

По уравнению (3) определяется положение центра масс в поперечном направлении. Желательно, чтобы значение «a₁» было близко к половине величины «а», т.е.

иначе появляется крен.

Устройство работает следующим образом. С датчиков давления 5, 6 и 7 (Д_гл.пр., Д_гл.л., Д_пер.) снимаются сигналы (ЭДС) С_гл.пр., С_гл.л. и С_пер. (фиг.2), пропорциональные усилиям, действующим на эти датчики (пропорционально N_гл.пр., N_гл.л. и N_пер.), которые пропорциональны массе летательного аппарата (его силе тяжести): чем больше масса летательного аппарата, тем больше сигналы С_гл.пр., С_гл.л., С_пер.. Эти сигналы поступают на микроконтроллер 8, который преобразует их в сигналы «масса летательного аппарата М», «Центр масс l₁» (положение центра масс на продольной оси летательного аппарата), «Центр масс a₁» (положение центра масс на поперечной оси самолета) по следующему алгоритму.

1. Каждый сигнал С_гл.пр., С_гл.л., С_пер. преобразуется в массу m₁, m₂, m₃ соответственно.

2. Суммируются все массы, образуя массу летательного аппарата M=m₁+m₂+m₃+m_ш, где m_ш - масса всех стоек шасси (она известна заранее).

3. Формируется сигнал «Масса летательного аппарата М» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа. Если М>М допустимое, то вылетать с такой массой запрещается. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.

4. Формула (5) преобразуется в формулу:

5. Формируется сигнал «Центр масс l₁» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.

Если l₁<L, то на дисплее высвечивается значение l₁ зеленым цветом.

Самое благоприятное значение с точки зрения продольной устойчивости летательного аппарата на разбеге (и пробеге, если посадка с грузом), т.е. .

Если l₁ близка к 0,1 L и менее или к 0,9 L и более, то следует экипажу обратить особое внимание на возможность вылета с таким расположением центра масс или повышенное внимание на управление на этих режимах. Если l₁≤0·L или l₁>L, то вылет с таким расположением центра масс невозможен: очень велика вероятность катастрофы. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.

6. Формула (3) преобразуется в формулу:

7. Формируется сигнал «Центр масс a₁» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.

Наиболее благоприятное положение центра масс, когда , т.е. центр масс находится в плоскости, продольной оси летательного аппарата, и крена в этом случае не будет при отрыве летательного аппарата от земли. Если a₁<0·a или a₁>a, то вылет с таким расположением центра масс запрещается, так как случайное попадание одной из стоек шасси в яму или на бугорок может накренить летательный аппарат на разбеге и привести к катастрофе. Если 0,5a<a ₁<0,5a, то летчик должен быть готов парировать крен при отрыве летательного аппарата от земли.

При a ₁<0·a и a ₁>a на дисплее 9 загорается красный сигнал - вылет запрещается.

Таким образом, перед вылетом летчик нажимает на дисплее соответствующую кнопку, чтобы узнать массу летательного аппарата и расположение его центра масс. Если М>M допустимое, l₁≤0·L или l₁≥L, a₁<0·a или a₁>a, то на дисплее загорается красный сигнал (по какой из названных причин, летчик определит по численному значению М, l₁, a₁). В остальных случаях значения этих величин высвечиваются другим (не красным) цветом, и летчик, находясь в кабине летательного аппарата, получает эту информацию. Информация о массе летательного аппарата и расположении центра массы поступает дополнительно в блок 10 памяти и через элемент ИЛИ на вход передающего устройства 11.

Передающее устройство 11 обеспечивает передачу информации о номере летательного аппарата, его массе и расположении его центра масс, о времени передачи диспетчеру.

Первый 13 задатчик сигналов формирует сигнал, соответствующий номеру летательного аппарата, а второй 14 задатчик формирует сигнал, соответствующий времени передачи информации, данные сигналы поступают на второй и третий входы элемента ИЛИ 15, на первый вход которого поступает сигнал, соответствующий массе и расположению его центра масс.

Приемное устройство 17 принимает данные сигналы и через элемент ИЛИ 18 передает их на дисплей 19 и в блок 20 памяти для хранения.

Диспетчер в зависимости от данной информации принимает решение на запрет или разрешение взлета летательного аппарата.

Кроме того, в блоке 10 памяти происходит суммирование перевозимого груза и фиксация времени взлета летательного аппарата.

При взлете летательного аппарата с датчика высоты сигнал поступает на первый вход элемента И 12, на второй вход которого поступает сигнал с выхода второго 14 задающего устройства. С выхода элемента И 12 сигнал поступает на второй вход блока 10 памяти.

Таким образом, обеспечивается повышение безопасности полета за счет дополнительного контроля диспетчером массы и центровки груза.

Источники информации

1. Патент РФ №2400405, от 27.09.2010 г.

3. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 1970. - с.117.

4. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - М.: Наука, 1989. - С.42, 51-53.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к бортовым информационно-вычислительным системам летательного аппарата. Устройство для определения массы летательного аппарата содержит последовательно соединенные пьезоэлектрические датчики давления, размещенные в местах крепления стоек шасси, процессор и отображающее устройство в кабине экипажа. Также имеются передающее устройство, элемент И, два задатчика сигналов, датчик высоты и приемный канал диспетчера, который состоит из приемного устройства, элемента ИЛИ, дисплея и блока памяти. Решение направлено на повышение безопасности полетов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения массы летательного аппарата содержит последовательно соединенные датчики давления, процессор и отображающее устройство в кабине экипажа, причем процессор выполнен в виде микроконтроллера, отображающее устройство в кабине экипажа выполнено в виде дисплея, датчики давления выполнены в виде пьезоэлектрических датчиков и размещены в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, при этом в датчиках давления при действии на них массы летательного аппарата образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс относительно продольной и поперечной осей, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, выполненное в виде дисплея, на котором отображается информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом, и запрете вылета в случае, если текущее значение массы летательного аппарата больше допустимого значения и положение его центра масс перед взлетом не соответствует допустимым значениям, отличающееся тем, что введены блок памяти, передающее устройство, элемент И, первый и второй задатчики сигналов, элемент ИЛИ, приемный канал диспетчера, при этом выход микроконтроллера соединен с первым входом блока памяти, первым входом элемента ИЛИ, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго задатчиков сигналов, а выход соединен с входом передающего устройства, второй вход блока памяти соединен с выходом элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом датчика высоты и выходом второго задатчика сигналов, выход передающего устройства по линии бесконтактной связи соединен с входом приемного канала диспетчера, который состоит из приемного устройства, элемента ИЛИ, дисплея и блока памяти, при этом выходы приемного устройства соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами дисплея и блока памяти.

2. Устройство для определения массы летательного аппарата по п.1, отличающееся тем, что алгоритм функционирования микроконтроллера заключается в преобразовании сигналов с выходов датчиков давления С_гл.пр, С_гл.л, С_пер микроконтроллером соответственно в сигналы m₁, m₂, m₃, определение массы летательного аппарата осуществляется на основе суммирования всех значений масс М=m₁+m₂+m₃+m_ш, где m_ш - масса всех стоек шасси, положение центра масс относительно продольной и поперечной осей летательного аппарата, формировании сигнала «Масса летательного аппарата М» и выдаче его на дисплей, находящийся в кабине экипажа, сравнении текущей массы летательного аппарата с допустимым значением, выдаче сигнала запрета вылета при М>М допустимое, определении координаты центра массы вдоль продольной оси летательного аппарата в соответствии с выражением где L - база шасси летательного аппарата, формировании сигнала «Центр масс l₁» и выдаче его на дисплей, находящийся в кабине экипажа, сравнении полученного значения со значением L, выдаче рекомендаций экипажу о возможности взлета при условии, если положения центра массы вдоль продольной оси меньше базы шасси летательного аппарата l₁<L, при этом положение центра массы летательного аппарата является оптимальным в случае , на дисплее высвечивается зеленым цветом значение l₁, если l₁ близка к 0,1 L и менее или к 0,9 L и более, то экипажу следует обратить особое внимание на возможность вылета с таким расположением центра масс или повышенное внимание на управление на этих режимах, выдаче рекомендаций летчику вылет запрещен, если l₁≤0 или l₁>L, на дисплее загорается красный цвет, определении координат центра массы вдоль поперечной оси летательного аппарата в соответствии с выражением где а - колея шасси летательного аппарата, формировании сигнала «Центр масс а₁» и выдаче его на дисплей, находящийся в кабине экипажа, сравнении полученной координаты со значением а, выдаче рекомендаций летчику о возможности взлета при условии a₁<a и на дисплее высвечивается значение а₁ зеленым цветом, при этом значение положения центра масс вдоль поперечной оси является наиболее оптимальным при условии если 0,5a<a₁<0,5a, то летчик должен быть готов парировать крен при отрыве летательного аппарата от земли, выдаче рекомендаций летчику о невозможности взлета, если a₁<0·a или a₁>a, и на дисплее загорается красный цвет.