Повышение эффективности летной эксплуатации воздушных судов нового поколения средствами автоматической коррекции посадочной траектории полета

Анализ тенденции развития гражданской авиации (ГА) во всем мире показывает, что основной проблемой, неизменно стоящей в процессе создания и эксплуатации авиационной техники (AT), является проблема постоянного повышения эффективности летной эксплуатации (ЛЭ) и одновременно с этим обеспечения заданного уровня безопасности полетов (БП) воздушных судов (ВС) на различных этапах полета [17, 18, 37]. Повышение эффективности ЛЭ ВС требует обеспечения полетов практически в любую погоду, днем и ночью, в самых различных природно-климатических условиях. Для этого совершенствуется AT, усложняются автоматические устройства, но при этом одновременно усложняется и эксплуатация самолета [44, 81].

Статистика показывает, что большая часть авиационных происшествий (АП) и катастроф (около 70%) связана с «человеческим фактором» — ошибками и неадекватными действиями экипажа и наземного персонала. Ошибки человека могут быть существенно уменьшены путем расширения использования автоматизации сложных задач пилотирования, при выполнении которых человек склонен допускать ошибки, например, выполнение посадки в условиях плохой видимости или компенсация воздействия отказов, требующих быстрой ответной реакции. Автоматические системы, как известно, лишены «чувства страха и усталости», действуют более точно и быстро, не требуют постоянной тренировки для сохранения навыков, им несвойственна забывчивость, но они требуют постоянного контроля и высокой надежности. В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется развитию автоматизации управления самолетом на всех основных режимах полета, введению средств контроля, введение «подсказки» экипажу (экспертных систем управления) правильных действий, особенно в экстремальных условиях, и других средств, призванных при высоком уровне их надежности повысить безопасность полетов. Статистика показывает также, что наибольшее количество происшествий связано с режимом взлета и посадки. В связи с этим, вопросам устойчивости и управляемости на этих режимах, их автоматизации уделяется на современных магистральных самолетах большое внимание [7].

Наиболее сложными и ответственными с точки зрения обеспечения БП по-прежнему являются режимы взлета, захода на посадку и посадки ВС [5, 45, 67—69], специфика которых обусловлена: существенно нелинейным характером аэродинамических характеристик (АХ) самолета на больших взлетно-посадочных углах атакипроявлением существенных перекрестных связей продольного и бокового движений самолетазначительным влиянием близости земли как на АДХ, так и непосредственно на условия пилотирования самолетаналичием особых этапов движения самолета (в отличие от обычных полетных) — отрыва и касания, а также участков движения ВС по взлетно-посадочной полосе (ВПП) — значительным повышением психофизической нагрузки на экипаж в связи с резким возрастанием объема и сложности задач, которые необходимо решить в течение коротких периодов временинеобходимостью применения особых, отличных от используемых в течение всего остального полета, методов пилотирования ВС, требующих большой точности и четкости действий экипажазначительным влиянием внешних атмосферных условийсущественным разбросом эксплуатационных параметров в рассматриваемых режимах полета.

Необходимость решения указанных и многих других вопросов делает задачу исследования движения ВС на режимах взлета и посадки в нормальных и особых случаях полета весьма актуальной. Именно поэтому вполне оправданным является большой объем проводимых в нашей стране и за рубежом исследований, направленных на повышение эффективности ЛЭ и уровня БП ВС на этапах взлета и посадки [7, 8, 19, 20, 31].

По статистическим данным ICAO около 20% всех АП происходит из-за влияния внешней среды. Кроме того, полеты в возмущенной атмосфере в условиях неблагоприятных метеоявлениях приводят к ошибкам в пилотировании, отказам авиационной технике.

Неблагоприятные условия внешней среды приводят к различным по своим воздействиям на ВС последствиям, которые влияют на БП.

Такие явления в атмосфере, как сдвиг ветра (СВ), турбулентность, вертикальные потоки, в том числе с ливневыми осадками, спутный след, изменяют силы и моменты, действующие на ВС, и вызывают его возмущенное движение. А наличие тумана, осадков, низкой облачности затрудняет самолетовождение, выполнение посадки.

Несмотря на достигнутые значительные успехи в метеорологическом обеспечении полетов, автоматизацию основных режимов полета, радиолокационное наблюдение за обстановкой в воздухе, происходят АП и инциденты, связанные с воздействием на ВС возмущений в атмосфере. Со снижением минимума погоды и ростом интенсивности полетов повысилась вероятность попадания ВС в сильный СВ, ливневые осадки, спутный вихревой след [79].

Влияние СВ на полет самолета заключается в том, что в условиях резкого изменения скорости и (или) направления ветра изменяются условия обтекания самолета набегающим потоком (воздушная скорость, углы атаки, скольжения), изменяется аэродинамическая сила, что приводит к нарушению равновесия действующих на ВС сил и моментов. Вследствие инерции массы самолета и запаздывания в изменении режима работы двигателей не представляется возможным быстро восстановить воздушную скорость. Переходный процесс по восстановлению режима полета требует определенного времени, за которое самолет существенно отклоняется от заданной траектории в зависимости от СВ, времени его воздействия и запаздывания по его парированию.

СВ наиболее опасен на взлете и посадке, когда запасы по высоте, скорости и времени принятия решения крайне ограничены. Резкое уменьшение встречного ветра или возрастание попутного приводит к уменьшению воздушной скорости и большой просадке самолета, а располагаемое время полета с высоты, например 100. 150 м на посадке соизмеримо с потребным временем для парирования просадки за счет изменения режима работы двигателей. Опасность СВ заключается также и в том, что он пока не прогнозируется и не измеряется непрерывно в районе аэродрома, поэтому для пилота он может оказаться неожиданным и неопределенным.

Исходя из выше изложенного становится очевидным, что современные пилоты все чаще и чаще сталкиваются со сложными метеоусловиями (СВ, турбулентность атмосферы, ливневые осадки, туман и т. д.), так как повышается частота выполнения полетов с одновременным понижением допустимого минимума погоды. Более того, известны случаи, когда экипажи ВС принимали решение об отклонении от плана полета и следовании на запасной аэродром. Но к моменту прибытия на запасной аэродром фактическая погода ухудшалась до значения ниже минимума, и экипажи ВС при отсутствии возможности выполнения автоматической посадки и в условиях ограниченного количества топлива были вынуждены совершать посадки на грани человеческих возможностей.

В диссертационной работе решается важная для ГА проблема повышения эффективности ЛЭ и уровня БП ВС на этапах захода на посадку и посадки средствами автоматической коррекции траектории полета через непосредственное управление подъемной силой крыла. Основными органами управления указанной системы являются внутренние секции интерцепторов. Система автоматической коррекции траектории полета (САКТ) способна как улучшить и облегчить траекторное управление ВС путем значительного уменьшения времени переходного процесса по восстановлению заданного режима полета, так и предотвратить развитие аварийной ситуации при выполнении посадки в условиях ограниченной видимости, когда пилоты не способны визуально оценить пространственное положение ВС и параметры его движения относительно ВПП. Так же применение данной системы при выполнении захода на посадку и посадки с одним отказавшим двигателем позволяет значительно упростить технику пилотирования ВС в условиях возмущенной атмосферы и сдвига ветра. Принцип работы системы автоматической коррекции траектории полета заключается в возможности изменять аэродинамическое качество самолета в широком диапазоне за короткий интервал времени, что позволяет значительно повысить степень маневренности транспортных самолетов в условиях неспокойной атмосферы. Так же появляется возможность корректировать траекторию выравнивания самолета во время посадки, в случае, когда управляющие воздействия экипажа не являются адекватными для конкретной ситуации, то есть возрастает вероятность грубой посадки, или посадки со значительным перелетом входного торца ВПП (более 600 м).

Решение указанной проблемы позволит существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств ВС на этапах захода на посадку и посадки в неблагоприятных условиях внешней среды, а также повысить уровень по обеспечению безопасности и регулярности полетов и расширить ожидаемые условия эксплуатации ВС.

Ниже приводится краткая характеристика целей, задач, основных результатов диссертационной работы и ее содержание.

Цель работы: расширить диапазон эксплуатационных условий для выполнения захода на посадку и посадки современных транспортных самолетов, а так же повысить уровень БП путем реализации логики совмещенного управления экипажа и системы автоматической коррекции траектории полетаупростить задачу траекторного управления ВС при полете по глиссаде и на посадке в условиях возмущенной атмосферысущественно повысит комфорт для пассажиров и экипажа.

Объектом исследования является динамика управляемого движения самолета ТУ — 204 с реализацией логики активной коррекции траекторного движения ВС на этапах полета по глиссаде и выравнивании.

Анализ руководящей и технической документации по ЛЭ ВС на этапах захода на посадку и посадки позволил сформулировать следующие конкретные задачи исследования: разработка алгоритмов управления внутренними секциями интер-цепторов на этапах полета по глиссаде, выравнивания и посадки, исследование с помощью системы математического моделирования динамики полета ВС и пилотажного стенда поведения самолета при заходе на посадку и посадки в атмосферных условиях повышенной опасности с работающей системой автоматической коррекции траектории полета,.

У разработка рекомендаций и предложений по обеспечению безопасной ЛЭВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях атмосферных явлений повышенной опасности (АЯПО).

Основная идея диссертационной работы состоит в том, чтобы в основу разработки рекомендаций и предложений по обеспечению БП ВС на этапах захода на посадку и посадки в АЯПО положить математическое моделирование комплексных управляющих воздействий и испытания на пилотажном стенде, как наиболее дешевые и доступные, а дорогостоящие и трудновыполнимые летные эксперименты использовать лишь для уточнения и контроля расчетных результатов, подтверждения их достоверности и точности.

В качестве методов исследования в работе использовался широкий спектр методов математического моделирования динамики управляемого полета самолета ТУ — 204 и испытания на пилотажном стенде.

Научная новизна работы заключается в том, что на комплексной основе анализа АП, использования математического моделирования и пилотажного стенда в задачах ЛЭ:

— разработан метод совмещенного управления экипажа и системы автоматической коррекции траектории полета (САКТ) на этапе захода на посадку и посадки;

— выполнен всесторонний анализ применения САКТ на этапе захода на посадку в условиях атмосферных явлений повышенной опасности, отказов авиационной техники, и ошибок в технике пилотирования на выравнивании;

— предложена и обоснована техника пилотирования ВС на этапах захода на посадку и посадки в условиях прогнозируемого СВ с применением САКТ.

Достоверность результатов решения поставленных задач подтверждается: идентификацией ММ по данным ЛИ самолета ТУ — 204- адекватностью результатов вычислительных экспериментов (ВЭ) данным ЛИ самолета ТУ-204, оцененной с помощью статистических критериев точности и непротиворечивостиидентификацией ММ пилотажному стенду самолета ТУ — 204.

Практическая ценность работы состоит в том, что она позволяет:

У существенно сократить время переходного процесса ВС, связанного с воздействие СВулучшить управляемость ВС путем уменьшения влияния инертности самолета и времени приемистости двигателейуменьшить значение вертикальной перегрузки при выполнении посадкизначительно уменьшить максимальное значение амплитуды колебаний вертикальной скорости снижения и угла тангажа при полете по глиссаде в возмущенной атмосферепредотвратить развитие аварийной ситуации в случаях, когда пилот допускает грубые ошибки в технике пилотирования на посадке.

Апробация работы. Основные материалы выполненных исследований и отдельные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедральных семинаров в МГТУГА (г.Москва) в период 2000—2003 гг., на научно-техническом семинаре в АНТК имени А. Н. Туполева 2003 г., а также обсуждались на международных научно-практических конференциях в период 1999—2003 гг.: МГТУ ГА (г.Москва), ЕАТК ГА (г.Егорьевск).

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, имеют научное, практическое и учебно-методическое значение, что подтверждается их использованием и внедрением в НИР и учебный процесс на кафедре аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов (АКПЛА) Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА), в Ульяновском высшем авиационном училище гражданской авиации (УВАУ ГА) для подготовки лётного состава и эксплуатации самолёта Ту-204, в АНТК имени А. Н. Туполева для совершенствования алгоритмов работы АСШУ, в авиакомпании «Аэрофлот» при повышении квалификации экипажей на этапах захода на посадку и посадки в атмосферных условиях повышенной опасности.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и перечня сокращений. Основная часть работы изложена на 155 страницах машинописного текста, всего работа содержит 71 рисунок, 9 таблиц и 104 библиографических названий (из них 21 — на иностранных языках). Общий объем работы 169 страниц.

Выводы по главе 4.

1. Приведены критерии нормативных документов, по которым производится оценка безопасного выполнения посадки.

2. Представлен алгоритм работы интерцепторного управления на этапе выравнивания самолета, который учитывает как удаление места приземления ВС от торца ВПП, так и вертикальную скорость снижения на выравнивании. Суммарный сигнал на внутренние секции интерцепторов представляется в виде:

Sffirri =SHHTi-l '(^фак1 V^Н (Нфак1 «^зад} К^Vy '(^уфак1 зад!).

3. Выполнено математическое моделирование посадок с различным значением параметра Lu, который характеризует технику пилотирования и проведено исследование влияния подключенного интерцепторного управления на параметры посадки. Выявлено, что система автоматической коррекции траектории полета способствует уменьшению вертикальной перегрузки в момент касания самолетом ВПП при любом значении параметра Ьц и не приводит к необходимости применять особые методы пилотирования.

4. Проведен анализ влияния интерцепторного управления на параметры посадки ВС в случае, когда пилот допускает ошибки в технике пилотирования на этапе выравнивания. Применение системы автоматической коррекции траектории полета позволило сократить длину воздушного участка на 420 м и уменьшить угол тангажа в момент посадки.

5. Представлены результаты математического моделирования посадок в условиях различных профилей СВ и получены следующие преимущества использования системы автоматической коррекции траектории полета:

— уменьшается вертикальная перегрузка в момент касания ВПП;

— сокращается длина воздушного участка и как следствие, сокращается посадочная дистанция самолета;

— уменьшается значение амплитуды колебаний вертикальной скорости и угла тангажа на глиссаде;

— отклонение РВ для выдерживания заданной траектории полета имеет более линейный характер и снижен потребный расход РВ;

— при наличии переменного бокового ветра снижается боковое смещение ВС от осевой линии ВПП в процессе пробега.

6. Проведен вычислительный эксперимент выполнения посадки при возникновении отказа двигателя на высоте 120 м в условия отсутствия ветра. Из результата эксперимента можно заключить, что работа системы САКТ не вступает в противоречие с управляющими воздействиями экипажа. Параметры траекторного движения ВС практически не изменились, потребные отклонения РВ и режим работы двигателя остались без изменений.

7. Представлены результаты математического моделирования посадки в условиях вертикального СВ при возникновении отказа двигателя на высоте 120 м. В ходе математического моделирования получены следующие преимущества применения системы САКТ:

— уменьшается вертикальная перегрузка на посадке;

— сокращается значение максимального бокового смещения ВС от осевой линии ВПП при полете на глиссаде и в процессе пробега;

— уменьшается значение амплитуды колебаний вертикальной скорости и угла тангажа;

— сокращается значение максимального отклонения ВС от глиссады.

8. Выполнен анализ работы интерцепторного управления на глиссаде в условиях вертикального восходящего потока воздуха. Показано, что применение системы САКТ облегчает задачу траекторного управления ВС, повышает маневренность самолета и повышает уровень комфорта для пассажиров и экипажа.

9. Выполнена статистическая обработка результатов математического моделирования посадок в условиях различных по интенсивности и профилю СВ. Выявлено, что применение системы САКТ существенно снижает вероятность грубой посадки в сложных условиях полета.

Ю.Разработаны рекомендации экипажу при выполнении полета по глиссаде в условиях СВ различного характера на ВС с системой автоматической коррекции траектории полета.

Заключение

.

1. Обзор авиационных происшествий и инцидентов ВС, связанных со СВ, показал, что самыми опасными этапами полета является заход на посадку и посадка. Рассмотрены причины возникновения СВ. Проанализированы наиболее типичные ошибки в технике пилотирования современных транспортных самолетов на этапе выравнивания и посадки.

2. Проведенный анализ изменения аэродинамических характеристик самолета ТУ — 204 при использовании внутренних секций интерцепторов на этапе снижения по глиссаде и посадки показал, что применение интерцепторов не вызывает уменьшение диапазона эксплуатационных углов атаки. Применение интерцепторов на указанных выше этапах не вызывает нарушений требований нормативных документов (НЛГС, РЛЭ) в части сохранения тридцатипроцентного запаса скорости захода на посадку от скорости сваливания ВС.

3. Применение системы автоматической коррекции траектории полета на этапе снижения ВС по глиссаде в условиях СВ позволило получить следующие положительные результаты:

— сокращается максимальное значение отклонения ВС от глиссады;

— уменьшается среднее квадратическое значение амплитуда колебаний угла тангажа на 14%;

— уменьшается среднее квадратическое значение амплитуды колебаний вертикальной скорости снижения на 13%;

— сокращается потребное отклонение РВ (штурвальной колонки) для парирования порывов ветра и выдерживания заданной траектории полета;

— при полете на одном двигателе в условиях переменного (по направлению и значению) ветра уменьшается боковое отклонение ВС от линии курса как на глиссаде, так и в процессе пробега по ВПП.

4. Использование системы автоматической коррекции траектории полета на этапе выравнивания позволяет получить следующие результаты:

— предотвратить развитие аварийной ситуации в случаях, когда пилоты совершают ошибки в технике пилотирования как в условиях ограниченной видимости, так и в ПМУ;

— уменьшить как дистанцию воздушного участка в процессе выравнивания, так и длину пробега ВС;

— уменьшить вертикальную перегрузку в момент касания самолетом поверхности ВПП;

— в условиях бокового ветра уменьшить максимальное смещение ВС от осевой линии ВПП;

— значительно снизить вероятность грубой посадки в условиях неспокойной атмосферы.

5. Работа системы автоматической коррекции траектории полета на этапах, указанных в пунктах 3. и 4. позволяет: упростить задачу пилотирования ВС в атмосферных условиях повышенной опасности и при возникновении отказа двигателя;

— повысить уровень БП на указанных этапах полета;

— повысить комфорт для пассажиров и экипажа во время полета в неспокойной атмосфере и непосредственно на посадке.

Таким образом, благодаря появлению и внедрению бортовых вычислительных устройств на современных транспортных самолетах стало возможным создавать и использовать различного рода многофункциональные электронные системы, которые направлены как на повышение уровня БП, так и на расширение диапазона условий ЛЭВС. Применение системы автоматической коррекции траектории полета позволит существенно расширить рамки эксплуатационных условий отечественных транспортных самолетов с одновременным сохранением высокого уровня БП и эффективности летной эксплуатации ВС.