Способ моделирования динамики полета летательного аппарата Российский патент 2024 года по МПК G09B9/08 G06G7/72 

Изобретение относится к области полунатурного моделирования динамики полета летательных аппаратов на пилотажных стендах и тренажерах.

Для исследования устойчивости и управляемости летательных аппаратов в настоящее время широко используются пилотажные стенды (RU 2249856 C1, RU 108685 U1, RU 94025128 A1, RU 2737246 C2 и др.), в состав которых входят системы подвижности кабины (RU 2321073 C1, RU 2129305 C1, F.M.Nieuwenhuizen, H.H.Bülthoff, “The MPI cybermotion Simulator: A Novel Research Platform to Investigate Human Control Behavior” Jornal of Computing Science and Engineering Vol.7, No.2, June 2013, pp.122-131), позволяющие воспроизводить линейные перегрузки и угловые ускорения (далее - акселерационные сигналы), действующие на летчика в полете. Амплитудно-фазовые частотные характеристики (АФЧХ) исполнительной части таких систем, как правило, обеспечивают наилучшее качество воспроизведения входного сигнала на частотах пилотирования (0.1-1.5 Гц), при этом на частотах выше 2-3 Гц АФЧХ имеет значительное снижение амплитудной характеристики (порядка 6 дБ/декаду). При моделировании критических режимов полета важным аспектом является воспроизведение аэродинамического бафтинга. Частотный диапазон такого сигнала лежит значительно выше частот пилотирования (2.5-8 Гц), поэтому его воспроизведение на пилотажных стендах и тренажерах с использованием классических подходов к преобразованию перегрузок и угловых ускорений в заданные перемещения кабины в настоящий момент вызывает значительные сложности.

Известен способ преобразования поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений в заданные перемещения кабины пилотажного стенда или тренажера за счет пропускания сигналов перегрузок и угловых ускорений через набор фильтров верхних и нижних частот со своими коэффициентами усиления и ограничениями входного сигнала (Conrad, B., Schmidt, S.F.: A study of techniques for calculating motion drive signals for flight simulators. NASA CR-114345 (1971), Bjorn Canrad, J.G. Douvillier, S.F. Schmidt, Washout circuit design for multi-degrees-of-freesom moving base simulators, Proceedings of the AIAA Visual and Motion Simulation Conference, Palo Alto (CA), 10 September 1973, vol.12, 1973) и получения на выходе сигналов заданного положения кабины пилотажного стенда/тренажера, поступающего в исполнительную часть системы подвижности. В рамках такой структуры, при попытке воспроизведения сигналов бафтинга, воспроизводимый сигнал будет иметь значительно меньшую амплитуду по сравнению с задаваемым из блока математической модели сигналом, за счет снижения амплитудной характеристики системы подвижности на частотах, характерных для бафтинга. При этом, увеличение коэффициента усиления для входного сигнала бафтинга не приведет к увеличению воспроизводимого сигнала бафтинга, так как сигнал бафтинга пропускается в том числе через ограничитель входного сигнала, настроенный на уровень входного сигнала, характерный для сигнала на частотах пилотирования. Поэтому, в рамках существующей структуры алгоритмов управления движением кабины не удается добиться удовлетворительного качества воспроизведения сигнала бафтинга.

Кроме того, известен способ (Reid, L., Nahon, M.A.: Flight simulation motion-base drive algorithms: part 1. Developing and testing equations. University of Toronto, Technical report (1985), Reid, L., Nahon, M.A.: Flight Flight simulation motion-base drive algorithms: part 2. Selecting the system parameters. University of Toronto, Technical report (1986), Reid, L., Nahon, M.: Flight simulation motion-base drive algorithms. Part 3: Pilot evaluations (1986)), отличающийся от (Conrad, B., Schmidt, S.F.: A study of techniques for calculating motion drive signals for flight simulators. NASA CR-114345 (1971), Bjorn Canrad, J.G. Douvillier, S.F. Schmidt, Washout circuit design for multi-degrees-of-freesom moving base simulators, Proceedings of the AIAA Visual and Motion Simulation Conference, Palo Alto (CA), 10 September 1973, vol.12 (1973)) наличием фильтра низких частот в канале координированных наклонов кабины для воспроизведения низкочастотного сигнала линейного движения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является «Способ управления движениями пилотажного тренажера и пилотажный тренажер, реализующий такой способ» (RU 2425409 C2), включающий, воспринимаемые пилотом линейные и угловые ускорения, вследствие чего угловая скорость крена и угловая скорость рыскания, а также боковая перегрузка, вычисляемые в соответствии с моделью имитируемого летательного аппарата в центре тяжести имитируемого летательного аппарата, преобразуются в линейное и угловое положение кабины тренажера с учетом линейного выноса кабины летчика относительно центра тяжести самолета, и включает в себя вычисление угла крена кабины тренажера в соответствии с углом крена имитируемого летательного аппарата путем коррекции первоначально вычисленного значения угла крена с коэффициентом коррекции, пропорциональным поперечной перегрузке, кроме того, разлагают перегрузку, действующую в поперечном канале в месте расположения летчика в имитируемом летательном аппарате, на первую составляющую и вторую составляющую, причем первая составляющая связана с перегрузкой в центре тяжести имитируемого летательного аппарата, а вторая составляющая имеет первый член, связанный с ускорениями, обусловленными угловым движением рыскания, и второй член, связанный с угловым движением крена. Такой способ позволяет хорошо имитировать перегрузки и угловые скорости в кабине летчика, но не оказывает влияния на полосу пропускания системы подвижности пилотажного стенда или тренажера, а значит не позволяет воспроизводить сигнал бафтинга.

Задачей заявленного способа является устранение вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом заявленного способа является повышение достоверности полунатурного моделирования критических режимов полета за счет качественного воспроизведения аэродинамического бафтинга, повышение эффективности наземных исследований характеристик устойчивости и управляемости за счет расширения круга задач, исследуемых на наземных пилотажных стендах, повышение эффективности тренировки летного состава на пилотажных тренажерах и повышение безопасности полета.

Технический результат достигается признаками способа моделирования динамики полета летательного аппарата на пилотажном стенде или тренажере, включающего преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений и получение на выходе сигналов заданного линейного и углового положения кабины пилотажного стенда или тренажера, поступающих в исполнительную часть системы подвижности. Преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений происходит за счет пропускания сигналов перегрузок и угловых ускорений через фильтры верхних частот для линейного продольного канала, линейного вертикального канала, линейного бокового канала, углового канала по крену, углового канала по тангажу, углового канала по рысканию и фильтры нижних частот для углового канала по крену и углового канала по тангажу. При этом, каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала. Дополнительно из блока математической модели самолета подают два сигнала для бафтинга - сигнал бафтинга в линейном вертикальном канале и сигнал бафтинга в линейном боковом канале. Эти сигналы пропускают через фильтры верхних частот, при этом каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала. Полученные сигналы суммируют с сигналами, полученными на выходах с фильтров верхних частот в линейном вертикальном и линейном боковом каналах соответственно.

Наземные средства имитации полета можно разделить на две группы: пилотажные стенды и пилотажные тренажеры (авиационные тренажеры).

Пилотажные тренажеры и пилотажные стенды сходны по своей структуре. Принципиальным является то, что все элементы как пилотажного стенда, так и пилотажного тренажера объединены в замкнутый контур управления, аналогичный реальному замкнутому контуру самолет-летчик. Принципиальное различие заключается в назначении пилотажных стендов и пилотажных тренажеров, что находит свое отражение в конкретном облике их составляющих элементов. Пилотажный тренажер в части управления полетом является аналогом конкретного самолета и средством обучения летчика пилотированию этим самолетом. Поэтому кабина экипажа должна быть оборудована в точном соответствии с конкретным самолетом-прототипом. Вычислитель динамики самолета по быстродействию, объему памяти и другим параметрам должен быть достаточным для воспроизведения процесса движения конкретного самолета, но иметь в этой части минимальную избыточность по соображениям минимальной стоимости. Тот же принцип действует в отношении аппаратуры регистрации и диагностики результатов полетов, которая должна быть минимально достаточной для оценки процесса и результатов обучения. Из изложенного следует, что возможности изучения динамических характеристик летчика на пилотажном тренажере сильно ограничены. Существенно большими возможностями в этом отношении обладают пилотажные стенды, которые предназначены для экспериментального исследования и отработки технических решений в области ручного управления самолетом (требования к пилотажным характеристикам самолетов, выбор характеристик устойчивости и управляемости проектируемых конкретных самолетов, отработка принципов функционирования конкретных автоматических систем управления) [А.В.Ефремов, А.В.Оглоблин, А.Н.Предтеченский, В.В.Родченко / Летчик как динамическая система, Москва, Машиностроение, 1992, стр.283-284].

Таким образом, целесообразно применение заявленного способа как на пилотажных стендах с целью повысить реалистичность моделирования критических режимов полета и, соответственно, эффективность наземных исследований устойчивости и управляемости летательных аппаратов, так и на пилотажных тренажерах с целью повышения качества и эффективности подготовки летного состава по предотвращению попадания самолета в сваливание, и, в случае сваливания, по выводу самолета из сваливания в нормальный полет.

Схематично способ представлен на фиг.1, где:

- продольная перегрузка, сформированная в блоке математической модели самолета;

- приращение нормальной перегрузки, сформированное в блоке математической модели самолета;

- боковая перегрузка, сформированная в блоке математической модели самолета;

- угловое ускорение крена, сформированное в блоке математической модели самолета;

- угловое ускорение рыскания, сформированное в блоке математической модели самолета;

- угловое ускорение тангажа, сформированное в блоке математической модели самолета;

- вклад бафтинга в нормальную перегрузку;

- вклад бафтинга в боковую перегрузку;

- приращение нормальной перегрузки, воспроизводимое на пилотажном стенде/тренажере;

- боковая перегрузка, воспроизводимая на пилотажном стенде/тренажере;

X_каб, Y_каб, Z_каб - линейные перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера;

ϑ_каб, γ_каб, ψ_каб - угловые перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера.

Линейный продольный канал включает 1 фильтр верхних частот и преобразует сигнал продольной перегрузки, поступающей из блока математической модели самолета в сигнал заданного продольного перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Линейный вертикальный канал включает сумму 2 фильтров верхних частот, преобразующих сигнал приращения нормальной перегрузки и сигнал бафтинга для вертикального канала в сигнал заданного вертикального перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Линейный боковой канал включает сумму 2 фильтров верхних частот, преобразующих сигнал боковой перегрузки и сигнал бафтинга для бокового канала в сигнал заданного бокового перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Угловой канал крена включает сумму фильтра верхних частот и фильтра нижних частот, преобразующих боковую перегрузку и угловое ускорение крена в сигнал заданного углового положения кабины пилотажного стенда/тренажера по крену, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Угловой канал тангажа включает сумму фильтра верхних частот и фильтра нижних частот, преобразующих продольную перегрузку и угловое ускорение тангажа в сигнал заданного углового положения кабины пилотажного стенда/тренажера по тангажу, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Угловой канал рыскания включает 1 фильтр верхних частот и преобразует угловое ускорение рыскания в сигнал заданного углового положения кабины пилотажного стенда/тренажера по рысканию, передаваемый в исполнительную часть системы подвижности.

Блок с дополнительными каналами для бафтинга отмечен пунктирной линией.

Реализация способа осуществляется в среде моделирующего комплекса пилотажного стенда/тренажера в цепи: Блок математической модели самолета - исполнительная часть системы подвижности, посредством включения параллельно с каналами для формирования вертикального и бокового перемещения кабины пилотажного стенда/тренажера дополнительного блока для воспроизведения бафтинга с двумя фильтрами верхних частот 3-го порядка:

где:

- передаточные функции фильтров верхних частот для вертикального и бокового каналов для воспроизведения бафтинга;

- масштабные коэффициенты фильтров верхних частот для вертикального и бокового каналов для воспроизведения бафтинга;

- постоянные времени фильтров верхних частот второго порядка для вертикального и бокового каналов для воспроизведения бафтинга;

- постоянные времени фильтров верхних частот первого порядка для вертикального и бокового каналов для воспроизведения бафтинга;

- демпфирование фильтров верхних частот для вертикального и бокового каналов для воспроизведения бафтинга;

- оператор Лапласа.

Выражение для воспроизводимых перегрузок в вертикальном и боковом каналах для классической структуры алгоритмов управления движением кабины имеет следующий вид:

где:

, - передаточные функции фильтров верхних частот, имеющих ту же структуру, что и фильтры для воспроизведения бафтинга, но отличающиеся фактическими значениями коэффициентов усиления, ограничениями максимальной амплитуды входного сигнала, постоянными времени фильтров верхних частот,и демпфированием фильтров верхних частот:

где:

- масштабные коэффициенты фильтров верхних частот для вертикального и бокового каналов для воспроизведения линейных перегрузок с характерными для пилотирования частотами;

- постоянные времени фильтров верхних частот второго порядка для вертикального и бокового каналов для воспроизведения линейных перегрузок с характерными для пилотирования частотами;

- постоянные времени фильтров верхних частот первого порядка для вертикального и бокового каналов для воспроизведения линейных перегрузок с характерными для пилотирования частотами;

- демпфирование фильтров верхних частот для вертикального и бокового каналов для воспроизведения линейных перегрузок с характерными для пилотирования частотами;

С учетом предлагаемого способа, выражения для вертикального и бокового каналов преобразуются к виду:

+

Заявленный способ опробирован на пилотажном стенде ПСПК-102 ЦАГИ и используется при проведении стендовых исследований, связанных с выходом на большие углы атаки самолетов транспортной категории. Для демонстрации работоспособности заявленного способа сигнал бафтинга подавался с частотой 4.5 Гц в вертикальном канале и 7.4 Гц в боковом канале, что соответствует частотам бафтинга для типичного среднемагистрального самолета транспортной категории. В случае, если сигнал бафтинга подавался на систему подвижности через штатные линейный вертикальный и линейный боковой каналы совместно с перегрузками, возникающими вследствие движения самолета от управляющих действий летчика, уровень воспроизведенного системой подвижности сигнала бафтинга был на порядки ниже задаваемого и недостаточным для того, чтобы дать летчику дополнительную предупреждающую информацию о выходе на большие углы атаки и о приближении к сваливанию самолета.

В случае использования заявляемого способа, были выбраны следующие параметры фильтров:

продольный канал

ВЧ: K_xh=0.3, T_xh=0.7, ξ_xh=0.7, τ_xh=2;

НЧ: K_xh=0.3, T_xh=0.7, ξ_xh=0.7;

вертикальный канал

ВЧ: K_yh=0.3, T_yh=0.7, ξ_yh=0.7, τ_yh=3;

ВЧ для бафтинга: K_ybuff=1.0, T_ybuff=0.2, ξ_ybuff=0.7, τ_ybuff=3;

боковой канал

ВЧ: K_zh=0.3, T_zh=0.7, ξ_zh=0.7, τ_zh=10;

ВЧ для бафтинга: K_zbuff=2.5, T_zbuff=0.2, ξ_zbuff=0.7, τ_zbuff=10;

НЧ: K_zl=0.3, T_zl=0.7, ξ_zl=0.7;

канал крена

ВЧ: K_wx=0.3, T_wx=0.7, ξ_wx=0.7;

канал тангажа

ВЧ: K_wz=0.3, T_wz=0.7, ξ_wz=0.7;

канал рыскания

ВЧ: K_wy=0.3, T_wy=0.7, ξ_wy=0.7.

При использовании таких параметров суммарная амплитудно-частотная характеристика фильтров верхних частот в вертикальном канале получила вид, приведенный на фиг.2, а для бокового канала вид, приведенный на фиг.3. Таким образом удалось добиться желаемого уровня воспроизводимого сигнала бафтинга как в вертикальном, так и в боковом каналах, что подтверждается приведенными на фиг.4 и фиг.5 графиками спектральных характеристик сигналов нормальных и боковых перегрузок, задаваемых из блока математической модели самолета и воспроизведенными системой подвижности перегрузками для вертикального и бокового каналов соответственно. Полученные результаты подтверждают указанный технический результат.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить реалистичность моделирования критических режимов полета и, соответственно, эффективность наземных исследований устойчивости и управляемости летательных аппаратов на пилотажных стендах и эффективность тренировки летного состава на пилотажных тренажерах и повысить безопасность полета.

Предложен способ моделирования динамики полета летательного аппарата на пилотажном стенде или тренажере, включающий преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений и получение на выходе сигналов заданного линейного и углового положения кабины пилотажного стенда или тренажера, поступающих в исполнительную часть системы подвижности. Преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений происходит за счет пропускания сигналов перегрузок и угловых ускорений через фильтры верхних частот для линейного продольного канала, линейного вертикального канала, линейного бокового канала, углового канала по крену, углового канала по тангажу, углового канала по рысканию и фильтры нижних частот для углового канала по крену и углового канала по тангажу, при этом каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала. Дополнительно из блока математической модели самолета подают два дополнительных сигнала для бафтинга - сигнал бафтинга в линейном вертикальном канале и сигнал бафтинга в линейном боковом канале, эти сигналы пропускают через фильтры верхних частот, при этом каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала, после чего полученные сигналы суммируют с сигналами, полученными на выходах с фильтров верхних частот в линейном вертикальном и линейном боковом каналах соответственно. 5 ил.

Способ моделирования динамики полета летательного аппарата на пилотажном стенде или тренажере, включающий преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений и получение на выходе сигналов заданного линейного и углового положения кабины пилотажного стенда или тренажера, поступающих в исполнительную часть системы подвижности, причем преобразование поступающих из блока математической модели самолета сигналов перегрузок и угловых ускорений происходит за счет пропускания сигналов перегрузок и угловых ускорений через фильтры верхних частот для линейного продольного канала, линейного вертикального канала, линейного бокового канала, углового канала по крену, углового канала по тангажу, углового канала по рысканию и фильтры нижних частот для углового канала по крену и углового канала по тангажу, при этом каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала, отличающийся тем, что из блока математической модели самолета подают два дополнительных сигнала для бафтинга - сигнал бафтинга в линейном вертикальном канале и сигнал бафтинга в линейном боковом канале, эти сигналы пропускают через фильтры верхних частот, при этом каждый фильтр имеет свой ограничитель входного сигнала и усилитель входного сигнала, после чего полученные сигналы суммируют с сигналами, полученными на выходах с фильтров верхних частот в линейном вертикальном и линейном боковом каналах соответственно.