УСТРОЙСТВО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ВЗЛЕТА И ПРОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НАД ВЫСОТНЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ Российский патент 2023 года по МПК G05D1/00 B64C13/00 G01C23/00 

Изобретение относится к области авиационного приборного оборудования и предназначено для формирования в рабочем пространстве летчика, пилотирующего самолет, оповещений в форме текстовых, образных или звуковых сигналов о дальности до точки возможности взлета при наличии высотных препятствий на впередилежащей траектории

В связи с интенсификацией воздушных перевозок и расширением эксплуатационных диапазонов вопросы безопасности авиационной техники становятся все более острыми.

Статистика авиационных происшествий (АП) по материалам последних зарубежных [1-4] и отечественных [5, 6] исследований показывает, что доля АП, обусловленных участием человека в процессе выполнения полетного задания, колеблется в зависимости от методик оценки от 50 до 70%.

Хронологический анализ состояния отечественного парка самолетов также не выявил тенденции к снижению общей аварийности [7]. Анализ показывает, что по мере совершенствования техники доля авиационных происшествий, связанных с недостатками систем самолетов и их характеристик, уменьшилась с 40% до 15%, а доля происшествий, обусловленных отклонениями в работе персонала, в основном экипажа, выросла с 50% до 80%). Такая высокая доля негативных происшествий обусловлена повышенной психологической нагрузкой, скоротечностью процессов и дефицитом времени на принятие решений.

Анализ состояния безопасности полета (БП) на этапе «ВЗЛЕТ» выявил, что основными причинами АП являются:

- ошибочные действия/бездействие экипажа из-за позднего принятия решения на прекращение взлета;

- неудовлетворительное состояние ВПП;

- опасные воздействия внешних факторов;

- отказы силовых установок и систем воздушного судна (ВС).

Анализ статистики АП, зафиксированный за последние 30 лет, и связанный с прекращением взлета, позволяют сделать следующие выводы:

- более половины АП указывают на принятие решения и начала действий экипажа на скорости, превышающей V₁, когда практически невозможно предотвратить выкатывания ВС за пределы ВПП;

- более 30% АП произошли на мокрой, заснеженной или обледеневшей ВПП;

- 25% АП связаны с отказами силовой установки (СУ);

- около 25% прерванных взлетов произошли из-за разрушения пневматиков шасси и других отказов систем ВС.

Из анализа АП, также выявлено, что экипажи ВС допускают систематические ошибки, в частности:

- в установке конфигурации, не соответствующей фактическим метеорологическим условиям, техническому состоянию ВПП, фактической взлетной массе, в том числе и преднамеренную установку механизации в конфигурацию, отличающуюся от требований РЛЭ;

- выполнение взлетов с коротких ВПП, не соответствующих условиям безопасного взлета; - столкновения с рельефом и искусственными препятствиями на воздушном участке взлетной дистанции.

В этой связи становится очевидной необходимость улучшения информационной поддержки пилота, создание дружественной среды взаимодействия пилота с приборным оборудованием кабины, а также разработка методов опережающего и прогнозного оповещения экипажей о характерных событиях на впередилежащей траектории.

В заявляемом изобретении описаны метод и алгоритм прогнозирования движения летательных аппаратов (ЛА) на наземных участках траектории [8-13]. Методологической базой разработок является энергетический подход к управлению пространственным движением ЛА [14-16].

Метод учитывает накопление энергии на впередилежащей траектории, включая воздушный сегмент, и поэтому прогноз возможности безопасного взлета намного опережает момент достижения скорости взлета, требуемой руководством по летной эксплуатации (РЛЭ).

Выполнен большой объем статистических испытаний алгоритмов прогнозирования в широком диапазоне условий на ВПП. Результаты анализа демонстрируют высокую точность и достоверность алгоритмов прогнозирования событий на траектории взлета.

Для улучшения ситуационной осведомленности пилота и визуальной оценки развития ситуации предложен прототип индикатора взлета в кабине пилота.

Известно устройство «Бортовая интегрированная система информационной поддержки экипажа и когнитивный формат представления полетной информации на этапе "взлет" многодвигательного воздушного судна» (RU 2550887 С2, 20.05.2015). Бортовая система предназначена для информационной поддержки на этапах предполетной, предстартовой подготовки и на воздушном участке полной взлетной дистанции за счет значительного повышения уровня ситуационной (информационной) осведомленности и служит для обеспечения экипажа полной, достоверной, актуальной, непротиворечивой и интерактивной информацией. В упомянутом устройстве с целью повышения уровня интеллектуальной поддержки экипажа используется активация визуального (образного) мышления, позволяющая разгрузить ментальную деятельность экипажа.

Недостатком известного устройства является то, что на его входы поступают только текущие обобщенные координаты объекта, что не позволяет сообщать экипажу информацию о предстоящих событиях и принимать опережающие действия.

Техническим результатом устройства является формирование на экране пилотажного прибора оповещений о величине скорректированной прогнозной дальности до точки принятия решения на траектории резерва качения до обреза ВПП, ее координаты и дальности до достижения скорости подъема носового колеса и резерва качения самолета до обреза ВПП в форме текстовых или графических сообщений, что расширяет информационные возможности бортового оборудовании самолетов гражданской авиации, позволит повысить ситуационную осведомленность пилота в условиях атмосферных возмущений сложной структуры, тем самым снизить стрессовые нагрузки в критических ситуациях и в итоге уменьшить вероятность летных происшествий.

Технический результат устройства достигается тем, что устройство энергетического метода прогнозирования траектории взлета и пролета летательного аппарата над высотным препятствием содержит блок 1 связи с бортовым измерительным оборудованием, блок 2 вычисления прогнозной дальности до точки принятия решения на траектории, блок 3 вычисления коэффициента коррекции при разных скоростях качения самолета, блок 4 вычисления скорректированной дальности до точки принятия решения, блок 5 вычисления координаты точки принятия решения, блок 6 вычисления резерва качения самолета до обреза ВПП, при этом выходы блока 1 соединены с входами блоков 2, 3, 5, 6 и блока 7, выходы блока 2 поступают на входы блока 4, а выходы блока 3 подаются на блок 4, а выходы блоков 4, 5, 6 и 7 подаются на экран КПП.

Фиг. 1 Структура способа прогнозирования.

Фиг. 2. Прототип индикатора взлета в кабине пилота.

Описание энергетического метода прогнозирования траектории взлета и пролета ЛА над высотным препятствием.

Математической формулировкой энергетического подхода к управлению полетом является уравнение баланса энергий, расширенное на наземные режимы движения. В символьной форме обобщенное уравнение записывается в виде:

Это уравнение устанавливает количественные соотношения между источником энергии и всеми ее потребителями. Уравнение записано в форме приращений удельной энергии движения:

где h - геометрическая высота, V - инерциальная скорость полета, m - масса самолета

Единицей измерения удельной энергии служит метр, поэтому она называется также энергетической высотой. Уравнение содержит члены: ΔH_E- приращение энергетической высоты, - удельная работа двигателя, - затраты энергии на преодоление силы лобового сопротивления, - работа ветра. Для каждого члена уравнения баланса энергий в наших работах [14, 15] получены интегральные выражения

где θ - угол наклона траектории; V_B - воздушная скорость; Р_н - тяга двигателя, нормированная весом самолета; D_H - нормированная равнодействующая всех внешних сил; α_в - угол атаки крыла; ϕ_дв - угол установки двигателя. Множитель f_w называется фактором ветра. Он имеет выражение в котором W_x и W_y - горизонтальная и вертикальная составляющие ветра.

Новый член отражающий процесс поглощения энергии на преодоление механических сил торможения, представлен в форме:

где k_торм - обобщенный нормированный коэффициент торможения, равный отношению суммарной силы сопротивления со стороны шасси к весу самолета.

В осложненных условиях на этапе разбега при пониженной тяговооруженности по причине отказа двигателей или в условиях высокогорья, или при повышенной температуре воздуха, или при предельных полезных нагрузках необходимо оценить и сообщить пилоту возможность самолета осуществить разбег до взлетной скорости в пределах ВПП чтобы набрать достаточную высоту для пролета над препятствиями в виде искусственных сооружений или естественных возвышений рельефа местности по курсу взлета.

В момент пролета над препятствием самолет должен иметь скорость не ниже минимальной скорости устойчивого горизонтального полета V₂, известной для каждого типа самолетов. Таким образом, полная энергия движения в момент преодоления препятствия Е_Нпреп должна содержать необходимый минимум кинетической составляющей и запас потенциальной составляющей, которая и определяют достижимую высоту Н_преп пролета над препятствием:

Величина полной накопленной энергии в конце какого-либо маневра складывается из текущих кинетической и потенциальной составляющих и работы всех внешних сил F_i, на траектории маневра. Траектория подлета к препятствию длиной S включает наземный и воздушный участки. При малых углах набора высоты, длина пространственной траектории близка к ее проекции. Тогда спрогнозированная накопленная энергия на пути:

где - сумма всех внешних сил: тяги двигателя, аэродинамического сопротивления, трения качения и торможения. Это уравнение непосредственно связывает энергетическое состояние объекта управления и длину траектории для достижения этого состояния. В предлагаемом методе результирующая сила естественным образом вычисляется через продольное ускорение a(t)

которое на борту обычно определяется по измеряемой перегрузке n_x

Приравнивая выражения для необходимой (1) и прогнозной (2) энергий с учетом эквивалентной замены (3) и измерений (4), в процессе разбега можно найти длину впередилежащего участка траектории, необходимого для накопления недостающей полной энергии:

Заметим, что это выражение инвариантно относительно массы. В точке траектории, где прогнозируемая длина этого участка обнуляется, прогнозная величина энергии будет достаточной для пролета над препятствием с требуемой скоростью. Эта точка названа точкой принятия решения (ТПР) о безопасном взлете:

Координата этой точки:

X_ТПР(t)=X(t)+D_ТПР(t)

Отличительной особенностью энергетического метода прогнозирования является то, что в текущем прогнозе учитывается полная энергия, приобретаемая самолетом на воздушном сегменте за пределами наземного участка.

В отличие от методики взлета, предписываемой руководствами по летной эксплуатации, метод прогнозирования полной энергии с учетом ее прироста на воздушном участке указывает на возможность взлета не в момент достижения скорости принятия решения, а намного раньше и в координатах дальности, привязанных к взлетной полосе.

Для повышения ситуативной осведомленности весьма полезным считается знание запаса, или резерва, дальности до обреза взлетной полосы в точке принятия решения. Величина резерва также прогнозируется в процессе разбега:

L_рез(t)=L_ВПП-X(t)-D_ТПР(t)

Энергетический метод прогнозирования позволил получить прогнозную оценку еще одной характерной точки на траектории разбега. Для каждого типа самолета существует минимальная скорость на разбеге V_r, при которой разрешен подъем передней стойки шасси для разворота самолет на взлетный угол тангажа. Эта скорость зависит от его взлетной массы, конфигурации крыла и регламентируется техническими условиями на самолет. В нештатных ситуациях пилот должен оценивать не только возможность продолжения взлета, но и положение самолета на полосе, в котором можно начинать подъем передней стойки. Длина дистанции от текущего положения самолета до достижения скорости подъема вычисляется по формуле:

Объективная оценка этой дальности, в отличие от интуитивной, улучшает ситуативную осведомленность пилота и снижает предпосылки для ошибочных действий. В процессе разбега пилоту может выдаваться сообщение о дальности до точки подъема передней стойки. Момент обнуления этой дальности служит сигналом готовности для начала разворота самолета на взлетный угол тангажа.

Коррекция прогноза дальности

Прогноз движения ЛА, основанный на текущих значениях его координат, не может совпадать с реальным процессом, т.к. все силы меняются или под действием возмущений, или в соответствии с регламентирующими требованиями правил выполнения полетов. На этапе взлета основной силой является тяга двигателя, на которую наибольшее влияние оказывает скорость разбега. Для компенсации этого влияния в структуру алгоритма прогнозирования введен мультипликативный корректирующий член:

Коэффициент коррекции k_кор учитывает падение тяги с ростом скорости, в виде: где VP - скорость разбега; V₂ - скорость устойчивого горизонтального полета; k₀ и k₁ - настроечные коэффициенты, формирующие k_кор.

Описание. На входной блок 1 поступают все необходимые сигналы от датчиков на объекте, с его выхода часть переменных подается на блок 2, в котором вычисляется прогнозное значение дальности до точки принятия решения, другая часть переменных поступает на блок 3, в котором вычисляется коэффициент коррекции, который передается в блок 4, на выходе которого образуется скорректированная величина дальности до точки принятия решения, которая в блоке 6 формирует сигнал оповещения пилота о имеющемся резерве резерва качения до обреза взлетно-посадочной полосы, кроме того, в блоке 5 вычисляется координата точки принятия решения, а в блоке 7 вычисляется дальность до достижения скорости подъема носового колеса.

Устройство формирования сигнала оповещения пилота о дистанции торможения самолета содержит блок 1 связи с бортовым измерительным оборудованием, блок 2 вычисления прогнозной дальности до точки принятия решения на траектории, блок 3 вычисления коэффициента коррекции при разных скоростях качения самолета, блок 4 вычисления скорректированной дальности до точки принятия решения, блок 5 вычисления координаты точки принятия решения, блок 6 вычисления резерва качения самолета до обреза ВПП, при этом выходы блока1 соединены с входами блоков 2, 3, 5, 6 и блока 7, выходы блока 2 поступают на входы блока 5, а выходы блока 3 подаются на блок 4, выходы блоков 4, 5, 6 и подаются на экран КПП (Фиг. 1).

Для отработки навыков пилотирования при информационной поддержке разработан прототип индикатора движения самолета в реальном времени по ВПП и на воздушном участке. Вариант такого индикатора приведен на фиг. 2.

В окне индикатора формируются графики заданных и реальных значений основных параметров полета - высоты и скорости. На высотной траектории изображен символ самолета в его текущем положении. Условно изображены ВПП и препятствие. Индицируются прогнозные отметки характерных событий, а именно, дальностей до точки возможности принятия решения на взлет (ДТПP), точки достижения регламентной скорости принятия решения (DV1) и точки отрыва носового колеса (DVr). Показываются также численное значение этих координат. Для оперативного анализа результатов моделирование взлета может быть выполнено в ускоренном времени.

Список литературы

1. Statistical Summary of Commercial Jet Airplane Accidents. Worldwide Operations 1959-2017. October 2018. Boeing. URL: http://www.boeing.com/news/techissues/pdf/statsum.pdf.

2. Shappel S., Boquet A., Wiegmann D. Human Error and Commercial Aviation Accidents: An Analysis Using the Human Factors Analysis and Classification System // Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. May 2007. DOI: 10.1518/001872007X312469.

3. Orasanu J., Martin L. Errors in Aviation Decision Making: A Factor in Accidents and Incidents //NASA Ames Research Center. doi=10.1.1.434.3878&rep=rep1&type=pdf.

4. Pinder S.D. Aircraft Takeoff Performance Monitoring in Far-Northern Regions: An Application of the Global Positioning System. Ph.D. thesis, University of Saskatchewan. 2002.

5. Erusalimskiy M.A. Analysis of a decision-making about rejection or continuation of takeoff in flight accident and incidents // Aviation Explorer, 07.11.2011. URL: http://www.aex.ru/docs/4/2011/11/7/1447.

6. Глубокая М.Г. Бортовая система поддержки принятия решений на этапе взлета пассажирского самолета. // Техника воздушного флота, т. LXXXII, №1 (690), 2008 - С. 21-30.

7. Кофман В.Д., Полтавец В.А., Теймуразов Р.А. Сравнительный анализ безопасности полетов отечественных и зарубежных самолетов // Транспортная безопасность и технологии. 2005. №4(5).

8. Shevchenko A.M. Some Means for Informational Support of Airliner Pilot // 5th Int. Scientific Conf. on Physics and Control (Physcon 2011). Leon, Spain. 2011. Sept. 5-8. P. 1-5. URL: http://lib.physcon.ru/doc?id=78f90e41e746/.

9. Шевченко A.M., Павлов Б.В., Начинкина Г.Н. Метод прогнозирования взлета самолета при наличии высотных препятствий // Изв. Южного федерального ун-та. Техн. науки. / Изд-во ТТИ ЮФУ. 2012. №3. С. 167-172.

10. Шевченко A.M., Солонников Ю.И., Начинкина Г.Н. Разработка и исследование метода прогнозирования взлета самолета // Проблемы управления. 2012. №6. С. 63-68.

11. Kuznetsov A., Shevchenko A., Solonnikov Ju. The Methods of Forecasting Some Events During the Aircraft Takeoff and Landing // 19^th IF AC Symposium on Automatic Control in Aerospace (ACA2013). Germany. 2013. Proceedings. P. 183-187.

12. Шевченко A.M. Энергетический метод прогнозирования дистанции торможения воздушных судов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, №6. С. 424-430. DOI: 10.17587/mau. 19.424-430.

13. Кербер О.Б., Начинкина Г.Н., Солонников Ю.И., Шевченко A.M. Методы улучшения ситуационной осведомленности экипажа воздушного судна на взлетно-посадочных режимах // Авиакосмическое приборостроение. 2016. №5. С. 33-47.

14. Борисов В.Г., Начинкина Г.Н., Шевченко A.M. Энергетический подход к управлению полетом // Автоматика и телемеханика. 1999. №6. С. 59-70.

15. Kurdjukov А.Р., Nachinkina G.N., Shevtchenko A.M. Energy approach to flight control // AIAA Conf. Navigation, Guidance & Control. AAIA Paper 98-4211. Boston, 1998, pp. 543-553.

16. Шевченко A.M., Павлов Б.В., Начинкина Г.Н. Применение энергетического подхода для проектирования систем управления полетом // Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления (ВСПУ 2014). М: ИПУ РАН. 2014. С. 3417-3430.

Группа изобретений относится к способу и устройству энергетического метода прогнозирования траектории взлета и пролета летательного аппарата над высотным препятствием. Для прогнозирования траектории прогнозируют расстояние до характерных точек на впередилежащей траектории летательного аппарата при взлете, разрабатывают алгоритм расчета расстояния до точки принятия решения о возможности взлета при наличии высотных препятствий по курсу, вводят коррекцию результатов первичного прогноза, формируют информационное сообщение в поле зрения пилота. Устройство содержит вычислительные блоки для реализации способа. Обеспечивается уменьшение вероятности летных происшествий. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство прогнозирования траектории взлета и пролета летательного аппарата над высотным препятствием, характеризующееся тем, что содержит блок (1) связи с бортовым измерительным оборудованием, блок (2) вычисления прогнозной дальности до точки принятия решения на траектории, блок (3) вычисления коэффициента коррекции при разных скоростях качения самолета, блок (4) вычисления скорректированной дальности до точки принятия решения, блок (5) вычисления координаты точки принятия решения, блок 6 вычисления резерва качения самолета до обреза ВПП, при этом выходы блока (1) соединены с входами блоков (2), (3), (5), (6) и блока (7), выходы блока (2) поступают на входы блока (4), выходы блока (3) подаются на блок (4), а выходы блоков (4), (5), (6) и (7) подаются на экран КПП.