СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПИЛОТАЖНОМ СТЕНДЕ ПОПАДАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ВИХРЕВОЙ СЛЕД Российский патент 2019 года по МПК G09B9/08 G06F17/00 

Изобретение относится к авиационной технике, пилотажным стендам, авиационным тренажерам и может быть использовано для полунатурного моделирования динамики летательного аппарата при попадании его в вихревой след другого самолета, для проведения оценки воздействия попадания в вихревой след на экипаж и пассажиров, при разработке систем информирования летчика о вихревой опасности и систем директорного управления для уклонения от опасных вихревых зон.

Современный уровень авиационной техники предполагает высокую степень автоматизации при управлении самолетом, однако роль летчика остается значительной, особенно в особых ситуациях, к которым можно отнести попадание летательного аппарата в опасную зону вихревого следа другого самолета.

Обеспечение вихревой безопасности полетов летательных аппаратов является актуальной проблемой. Рост пассажирских и грузовых авиаперевозок приводит к увеличению количества самолетов в ограниченной области воздушного пространства и повышает вероятность опасного сближения воздушных судов. Опасность представляет не только непосредственное столкновение, но и попадание самолета в зону возмущенного потока от другого самолета. При полете в атмосфере самолет создает за собой вихревой след, сворачивающийся в пару мощных вихрей противоположного вращения. Вихревой след долго сохраняется в атмосфере и представляет реальную опасность для самолета, попадающего в него. Для современных сверхтяжелых пассажирских самолетов вихревой след сохраняет свою опасность на расстоянии до 20-40 км за самолетом и может опускаться ниже самолета, его породившего, на 200-300 м. Формирование и эволюцию вихревого следа за самолетом можно наблюдать в небе. Известны случаи авиационных катастроф и происшествий по причине попадания самолета в опасную вихревую зону следа как на режимах взлета и посадки, так и на режиме крейсерского полета. Проблема вихревых следов является актуальной для гражданской авиации с точки зрения, как безопасности полетов, так и пропускной способности воздушного пространства и экономики воздушно-транспортной системы. При этом обучение летчиков пилотированию при попадании в вихревой след в реальном полете невозможно по причинам обеспечения безопасности полета. Применение пилотажных комплексов (стендов, тренажеров) полунатурного моделирования движения самолета для обучения летного состава, отработки систем управления и выработки рекомендаций по выполнению полетов в сложных условиях является эффективным средством повышения безопасности полетов. Возможна визуализация вихревого следа на экране закабинной обстановки.

В настоящее время в мировой практике используются различные виды пилотажных стендов и авиационных тренажеров для осуществления способов полунатурного моделирования полета самолетов. Известен тренажер Линка (Меерович Г.Ш. и др. Авиационные тренажеры и безопасность полетов. М.: Воздушный транспорт, 1991, с. 15), представляющий собой упрощенный макет одноместного самолета с кабиной, закрепленной на универсальном шарнире, позволяющий осуществлять способ имитации полета самолета с изменяющимися углами тангажа, крена и рыскания. В тренажере предусмотрено присутствие инструктора, осуществляющего контроль пилотирования по заданной программе. Однако в этих тренажерах не предусмотрена реализация способа имитации аварийных ситуаций и отработка действий пилота в таких ситуациях. Известен способ отработки процедур пилотирования, навыков управления на различных этапах полета или в определенных «нештатных» ситуациях, реализованный в комплексном авиационном тренажере (там же, с. 28-31), содержащем кабину для экипажа с приборными досками, снабженными имитаторами необходимых штатных приборов, систему управления, рабочие места для пилотов, систему имитации внешней закабинной обстановки, систему подвижности, вычислительный комплекс, пульт инструктора и командира полета. Однако в данном способе в программе обучения пилота не предусмотрена имитация аварийных ситуаций. Известны способы моделирования на пилотажных стендах динамики самолета при попадании в вихревой след (D. Vechtel, "Curved wake vortices encounter simulations with pilots-in-the-loop", WakeNet3-Europe Workshop on Models and Mehods for Wake Vortex Encounter Simulations, Berlin, June, 2010.; D. Bieniek, R. Luckner, "Simulation of Aircraft Encounters with Perturbed Vortices Considering Unsteady Aerodynamic Effects", WakeNet-Europe 2013 Workshop, Bonneuil-sur-Marne, May 15, 2013; D. Vechtel, "Is the assumption of straight vortices valid for encounter hazard assessment?", WakeNet-Europe 2014 Workshop, Bretigny-sur-Orge, May 13, 2014.; D. Bieniek, R. Luckner, "Investigation of Aircraft Encounters with Deformed Wake Vortices -Models, Methodology and Exemplary Results", WakeNet-Europe 2015 Workshop, Amsterdam, April 21-22, 2015.). Однако в этих работах исследована динамика самолета при попадании в вихревой след на взлетно-посадочных режимах и не рассмотрены вопросы представления летчику информации об опасных вихревых зонах и формирования траекторий уклонения и облета этих зон.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ, реализованный в устройстве "Тренажер авиационный" (RU 2324982 С2 G09B 9/08 (2006.01)), в котором имитируют условия работы летчика в макете кабины летательного аппарата, моделируют динамику летательного аппарата и работу его систем в реальном масштабе времени, моделируют эволюцию вихревого следа за самолетом-генератором вихрей с учетом состояния турбулентной атмосферы, определяют дополнительные силы и моменты, действующие на летательный аппарат при попадании в вихревой след, визуализируют на дисплее опасные зоны вихревого следа, производят оценку опасности возмущений в заданной точке пространства. Недостатком прототипа являются предлагаемые в изобретении операции определения упреждающего расстояния, моделирования контрольной плоскости, расположенной в пространстве перед летальным аппаратом перпендикулярно направлению его движения на упреждающем расстоянии от летательного аппарата, которые рассчитаны в основном на взлетно-посадочные режимы, когда самолеты находятся в следе друг за другом. На крейсерских высотах траектория самолета может проходить ниже траектории самолета-генератора вихрей под углами, близкими к прямому, в этом случае нельзя определить координаты точки пересечения траектории вихревого следа генератора вихрей с указанной контрольной плоскостью в прогнозируемый момент времени пролета летательного аппарата через нее. Кроме того, не предусмотрена возможность визуализации вихревых следов на экране внекабинной обстановки, что, как показало моделирование на пилотажном стенде, затрудняет отработку режимов попадания летательного аппарата в опасную зону. Также не предполагается использование информации о диапазонах контрольных параметров полета, таких как углы курса ψ и крена γ (для маневра по горизонтали), высоты Н и вертикальной скорости Vy (для маневра по вертикали) для принятия решения о характере маневра летательного аппарата, который приведет к уклонению от опасных вихревых следов или попаданию в них. Оценку опасности в прототипе предлагается производить по возмущениям в заданной точке пространства по установленному критерию опасности дополнительных действующих на летательный аппарат аэродинамических сил и моментов, индуцируемых вихревыми возмущениями, однако известно, что на степень дискомфорта экипажа и пассажиров от динамического воздействия влияют не только инициируемые в точке приращения перегрузки, но и скорость их изменения.

Технический результат заявленного способа заключается в расширении возможностей пилотажных стендов для обучения приемам пилотирования в условиях вихревой опасности, для оценки воздействия попадания в вихревой след на экипаж и пассажиров, для отработки систем информирования летчика об опасных вихревых зонах и разработке систем директорного управления для уклонения от попадания в опасные вихревые зоны.

Указанный технический результат достигается созданием способа моделирования на пилотажном стенде попадания летательного аппарата в вихревой след самолета-генератора вихрей, в котором имитируют условия работы летчика в макете кабины летательного аппарата, имитаторами перегрузок и угловых ускорений, моделируют динамику летательного аппарата и работу его систем в реальном масштабе времени, моделируют эволюцию вихревого следа за самолетом с учетом состояния турбулентной атмосферы и роста неустойчивости вихрей, определяют дополнительные силы и моменты, действующие на летательный аппарат при попадании в вихревой след, представляют визуальную информацию экипажу о риске попадания в опасную зону одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом на горизонтальном кадре показывают положение самолета-генератора вихрей и горизонтальное сечение опасной зоны вихревого следа на высоте полета летательного аппарата, а также прогнозируемую траекторию полета летательного аппарата в координатах, связанных с самолетом-генератором вихрей, на вертикальном кадре показывают сечение опасной зоны вихревого следа вертикальной цилиндрической поверхностью, проходящей через прогнозируемую траекторию полета летательного аппарата, определяют диапазоны контрольных параметров полета, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону, и представляют их на навигационном дисплее в виде директорной информации, определяют приращения перегрузок по траектории полета и производят оценку степени дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров. Степень дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров определяют в виде взвешенной суммы интегралов от квадратов приращений перегрузок, пропущенных через изодромный фильтр с постоянной времени равной 3 с.

В дальнейшем способ поясняется прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг. 1 приведена схема основных элементов пилотажного стенда, на фиг. 2 приведена схематизация встречи летательного аппарата с опасной зоной вихревого следа, на фиг. 3 показано отображение вихревой обстановки с элементами информации о значениях контрольных параметров полета, которые ведут к попаданию в опасную зону с использованием штатного навигационного дисплея.

На фиг. 1 показаны: 1 - имитаторы условий работы летчика: макет кабины с пилотажно-навигационными приборами, рычагами управления, имитаторами загрузки этих рычагов, имитаторами внешней визуальной обстановки, имитаторами перегрузок, угловых ускорений и акустических воздействий; 2 - математическая модель динамики летательного аппарата и работы его систем в реальном масштабе времени; 3 - пульт управления работой пилотажным стендом и ходом эксперимента; 4 - средства регистрации и обработки экспериментальных данных; 5 - модуль эволюции вихревого следа за самолетом-генератором с учетом состояния турбулентной атмосферы и роста неустойчивости вихрей; 6 - модуль определения дополнительных сил и моментов, обусловленных влиянием вихревого следа; 7 - модуль системы визуализации вихрей на экране внекабинной обстановки и опасных вихревых зон на навигационном дисплее.

На фиг. 2 показаны: 8 - самолет-генератор вихрей, 9 - опасная зона вихревого следа (содержащая вихри с вероятностью более 0.95), 10 - летательный аппарат (ЛА), 11 - прогнозируемая траектория ЛА (относительно самолета-генератора вихрей 8), 12 -горизонтальная плоскость на высоте полета ЛА, 13 - цилиндрическая вертикальная поверхность, проходящая через прогнозируемую траекторию ЛА 11, 14 - сечение опасной зоны вихревого следа 9 вертикальной цилиндрической поверхностью 13, 15 - сечение опасной зоны вихревого следа 9 горизонтальной плоскостью 12.

На фиг. 3 показаны: 16 - маркер самолета-генератора (подвижный) в текущий момент времени; 17 - маркер ЛА (неподвижный); 18 - фигура (подвижная) горизонтального сечения опасной зоны вихревого следа; 19 - горизонтальный след (подвижный) прогнозируемой траектории сближения ЛА с опасной зоной вихревого следа; 20 - шкала углов курса полета ЛА; 21 - шкала отклонений по вертикали относительно текущей высоты полета ЛА; 22 - нулевая отметка (неподвижная), показывающая текущее положение ЛА по высоте; 23 - подвижный сегмент, показывающий размах по высоте вертикального сечения опасной зоны вихревого следа при полете ЛА по прогнозируемой траектории сближения 19; 24 - верхняя граница (подвижная) вертикального сечения опасной зоны вихревого следа, отсчитываемая от текущей высоты полета ЛА; 25 - нижняя граница (подвижная) вертикального сечения опасной зоны вихревого следа, отсчитываемая от текущей высоты полета ЛА; 26 - указатель текущего курса ЛА; 27 - подвижный сегмент углов курса ЛА, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону; 28 и 29 - границы сегмента углов курса ЛА, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону; 30 - шкала вертикальных скоростей; 31 - подвижный сегмент значений текущей вертикальной скорости, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону; 32 и 33 - нижняя и верхняя границы сегмента вертикальных скоростей, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону; 34 - подвижный маркер текущего значения вертикальной скорости ЛА; 35 - нулевая отметка вертикальной скорости(Vу=0); 36 - поперечный профиль ЛА (подвижный); 37 - круговая шкала углов крена; 38 - отметка нулевого крена (γ=0); 39 - подвижный сектор углов крена, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону; 40 и 41 - границы сектора углов крена, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону.

Способ осуществляется следующим образом. В процессе моделирования с пульта 3 задают информацию о конфигурации, местонахождении и ориентации летательного аппарата 10 в начальный момент времени, информацию о положении, геометрических и массовых характеристиках и о параметрах движения генератора вихрей 8, задают информацию о параметрах окружающей среды в области размещения летательного аппарата и генератора вихрей и передают ее в модули 1, 2 и 5. В модуле 5 определяют, с помощью методов, основанных на использовании предварительно обученных искусственных нейронных сетей (ИНС, см. Приложение), в режиме реального времени геометрию области опасной зоны вихревого следа 9 (по основным параметрам эволюции вихревого следа), в которой, с учетом неопределенности определения параметров атмосферы (компонентов ветра, степени турбулентности атмосферы) с вероятностью, близкой к единице (более 0.95), располагается вихревой след от самолета генератора вихрей и параметры вихрей в сечениях опасной зоны вихревого следа. На экране закабинной обстановки с помощью модуля 7 отражают визуальную информацию о самолете генераторе 8 и вихревом следе (см. Приложение), на навигационном дисплее представляют пространственную картину вихревой опасности, определенным образом сформированными кадрами по горизонтали и вертикали, что соответствует стереотипу пилотирования на крейсерских режимах полета и удобно при формировании маневра уклонения от встречи с вихревой зоной, т.е. рассматривают информацию только в 2-х плоскостях. Формируют горизонтальный кадр сечением воздушного пространства на высоте полета летательного аппарата 12, что является естественным для крейсерских режимов полета, обычно выполняемых на постоянной высоте, кадр показывает маркер самолета-генератора вихрей 16 и фигуру (подвижную) горизонтального сечения опасной зоны вихревого следа 18, а также горизонтальный след (подвижный) прогнозируемой траектории сближения ЛА с опасной зоной вихревого следа 19. Формируют вертикальный кадр сечением опасной вихревой зоны следа 9 цилиндрической поверхностью 13, образованной вертикальными направляющими (прямыми), проходящими через прогнозируемую траекторию полета летательного аппарата, что позволяет мгновенно оценить возможность попадания ЛА в интервал высот, содержащих вихревой след. Определяют в координатах, связанных с генератором вихрей, траекторию сближения с опасной зоной вихревого следа 11 и отображают проекцию на горизонтальное сечение опасной зоны вихревого следа 9 в относительных координатах, связанных с самолетом-генератором вихрей. Определяют области контрольных параметров полета, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону путем регулярного расчетного прогнозирования и отображают их летчику на соответствующих индикаторах 27, 28, 29, 31, 39. Описание формирования отображения опасных вихревых зон и областей контрольных параметров полета, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную вихревую зону на штатном навигационном дисплее, приведено в Приложении. В результате в каждый текущий момент времени летчик получает директорную информацию о том, попадет ли в дальнейшем полете его летательный аппарат в опасную вихревую зону или не попадет. Таким образом, облегчается отработка режимов моделирования попадания летательного аппарата в вихревой след на пилотажном стенде - летчику в каждый момент времени достаточно удерживать контрольные параметры движения в заданных областях. В рассматриваемом предложенном способе в качестве контрольных параметров приняты утлы курса ψ и крена γ (для маневра по горизонтали), высота Н и вертикальная скорость Vy (для маневра по вертикали). Для имитации воздействия возмущений от вихревого следа на летательный аппарат с помощью модуля 6 определяются дополнительные аэродинамические силы и моменты, обусловленные влиянием вихревого следа, значения которых передаются в модель динамики летательного аппарата 2 и на имитатор условий работы летчика 1 для имитации перегрузок в вертикальном и боковом каналах и угловых скоростей крена, как основных акселерационных сигналов, характерных для попадания в вихревой след. На основе полученных приращений перегрузок по траектории полета в модуле 4 производят оценку степени дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров. Степень дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров определяют в виде взвешенной суммы интегралов от квадратов приращений перегрузок, пропущенных через изодромный фильтр с постоянной времени равной 3 с.

Дополнение пилотажного стенда модулями для имитации воздействия вихревого следа, его визуализации и директорной информацией позволяет отрабатывать способы облета опасных вихревых зон, разрабатывать системы информационной поддержки экипажа, методы обучения летного состава действиям при попадании в вихревой след и оценивать динамическое воздействие на экипаж и пассажиров при пролете через вихревой след или при осуществлении маневра уклонения от опасной зоны. В заявленном способе используется стохастическая модель эволюции вихревого следа, что приводит к различным формам вихрей в зависимости от состояния турбулентной атмосферы. Такой подход наиболее близок к реальному полету, когда невозможно дважды повторить один и тот же вход в вихревой след. Применение искусственных нейронных сетей обеспечивает реализацию режима реального времени и возможность использования более совершенных программ расчета аэродинамики самолета в вихревом следе. Анализ случаев попадания пассажирского самолета в вихревой след показал, что существующие системы подвижности пилотажных стендов позволяют в реальном масштабе воспроизводить перегрузки, соответствующие практически всем наиболее опасным сценариям попадания в вихревой след. В предлагаемом способе дополнительные модули, включаемые в состав стенда, не затрагивают основные исходные данные и бортовые алгоритмы (Data Package), которые описывают математическую модель самолета и которые являются интеллектуальной собственностью создателя самолета. Такое решение позволяет использовать предлагаемый способ моделирования на пилотажном стенде попадания летательного аппарата в вихревой след другого самолета для различных пилотажных стендов и тренажеров в качестве дополнительной опции. Отработанные на пилотажном стенде решения в последующем реализуются в составе оборудования авиационных тренажеров.

Апробация с участием летчиков на пилотажном стенде ЦАГИ с системой подвижности подтвердила достижение технического результата заявленного способа, заключающегося в расширении возможностей пилотажных стендов для моделирования пилотирования в условиях вихревой опасности, в проведении оценки воздействия попадания в вихревой след на экипаж и пассажиров, в отработке систем информирования летчика об опасных вихревых зонах и в разработке систем директорного управления для уклонения от попадания в опасные вихревые зоны.

Изобретение относится к способу моделирования на пилотажном стенде попадания летательного аппарата в вихревой след. Для этого имитируют условия работы летчика в макете кабины летательного аппарата, моделируют динамику летательного аппарата и работу его систем в реальном масштабе времени, моделируют эволюцию вихревого следа за самолетом-генератором вихрей, определяют дополнительные силы и моменты, возникающие при попадании летательного аппарата в вихревой след, производят оценку опасности возмущений, визуализируют на дисплее опасные зоны одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, положение самолета, прогнозируемую траекторию полета, определяют и представляют на дисплее диапазоны контрольных параметров полета, ведущих к попаданию летательного аппарата в опасную зону вихревого следа, определяют приращение перегрузок по траектории полета, производят оценку степени дискомфорта воздействий на экипаж и пассажиров. Обеспечивается расширение возможностей при обучении приемам пилотирования в условиях вихревой опасности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ моделирования на пилотажном стенде попадания летательного аппарата в вихревой след, в котором имитируют условия работы летчика в макете кабины летательного аппарата, моделируют динамику летательного аппарата и работу его систем в реальном масштабе времени, моделируют эволюцию вихревого следа за самолетом-генератором вихрей с учетом состояния турбулентной атмосферы, определяют дополнительные силы и моменты, действующие на летательный аппарат при попадании в вихревой след, визуализируют на дисплее опасные зоны вихревого следа, производят оценку опасности возмущений в заданной точке пространства, отличающийся тем, что эволюцию вихревого следа за самолетом-генератором моделируют с учетом роста неустойчивости вихрей, визуализируют на дисплее опасные зоны вихревого следа одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом на горизонтальном кадре показывают положение самолета-генератора вихрей и горизонтальное сечение опасной зоны вихревого следа на высоте полета летательного аппарата, а также прогнозируемую траекторию полета летательного аппарата в координатах, связанных с самолетом-генератором вихрей, на вертикальном кадре показывают сечение опасной зоны вихревого следа вертикальной цилиндрической поверхностью, проходящей через прогнозируемую траекторию полета летательного аппарата, определяют диапазоны контрольных параметров полета, которые ведут к попаданию летательного аппарата в опасную зону вихревого следа, и представляют их на дисплее, определяют приращения перегрузок по траектории полета и производят оценку степени дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень дискомфорта динамического воздействия на экипаж и пассажиров определяют в виде взвешенной суммы интегралов от квадратов приращений перегрузок, пропущенных через изодромный фильтр с постоянной времени равной 3 с.