Применение теоретических методов и математического моделирования для решения прикладных задач взлета и посадки ВС с учетом эксплуатационных особенностей

Высокая эффективность и безопасность полета эксплуатационных подразделений гражданской авиации непосредственно зависят от качества самого ВС и пилота, управляющего им. Если говорить о таком типе ВС как самолет, то его качества характеризуются тремя основными летными свойствами устойчивостью, управляемостью и маневренностью (для транспортного самолета маневренность не играет существенную роль), а также существенно зависят от надежной и безотказной работы конструкции, двигателей и систем самолета [17, 16, 40, 120].

В свою очередь, качества пилота определяются его: теоретической и практической подготовкой, пониманием динамики движения самолета в различных ситуациях и знанием соответствующих инструкций по ЛЭ [26, 37, 38, 60, 65,'66, 86, 89].

Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и НИ для ВС являются важнейшими и тесно связанными между собой, то методы как теоретических, так и экспериментальных исследований обеспечения хороших показателей этих качеств самолетов, относятся к числу достаточно сложных проблем [56, 74, 98]. Все трудности в изучении и иониманшгэтнх проблем вытекают, с одной «стороны, из большого числа параметров. и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полога, а, с другой сюроны, большое число летных и эксплуатационных ограничений, указанные пилоту в инструкции по ЛЭ конкретного типа самолета, определяют предельные режимы полета, пилотирование на которыхтребует повышенного внимания. Поэтому 'в некоторых случаях полета из-за ошибок в пилотировании возможно попадание самолета на критические режимы полета, которые могут усугубляться сложными метеоусловиями,^{отказами} функциональных систем самолета, влиянием гибких конструкций, которые подвержены значительным деформациям в полете, недостатками эффективности рулевых поверхностей и т. д. Это все приводит к дополнительным трудностям в.

Ш Жучков М. Ю. ^ Введение + эксплуатации ВС, к снижению их летно-технических характеристик (ЛТХ) и уровня БП [31, 88, 130, 141, 144].

Наиболее сложными и ответственными с точки зрения обеспечения БП являются режимы взлета, захода на посадку и посадки ВС [70, 71, 74, 94−96], специфика которых обусловлена: существенно нелинейным характером аэродинамических характеристик самолета на больших взлетно-посадочных углах атакиявным проявлением перекрестных связей продольного и бокового движений самолетазначительным влиянием характеристики, так и самолетаналичием принципиально особых этапов движения самолета (в отличие от обычных полетных) — отрыва и касания, а также участков движения ВС по полосебольшим 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 эксплуатационным разбросом параметров в рассматриваемых режимах полёта.

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.

Основы методов расчета взлетно-посадочных характеристик (ВПХ) самолетов были заложены еще в классических трудах Н. Е. Жуковского [39] и В. П. Ветчинкина [23]. К числу первых фундаментальных исследований, позволивших глубоко понять и проанализировать физическую картину явлений, происходящих на взлете и посадке самолета, дать научную основу современных.

Щ Жучков М. Ю. + Введение •)¦ методов расчета динамических характеристик и широкие практические рекомендации по оптимальным приемам пилотирования самолета на этих режимах, необходимо отнести методы и разработки В. С. Пышнова, изложенные в его основополагающих теоретических работах по динамике полета [101]. Большую роль в развитии аналитических и экспериментальных методов изучения ВПХ сыграли труды Б. Т. Горощенко [28] и И. В. Остославского [94−96]. Значительный вклад в дальнейшее развитие методов исследования динамических характеристик самолетов и, в частности, их ВПХ, внесен работами Г. С. Бюшгенса [ 19−21 ] .

Современные методы исследования движения ВС на этапах взлета и посадки базируются на системном подходе к проблеме обеспечения БП, который позволяет рассматривать и прослеживать большое число условий связей и факторов, влияющих на возникновение, ход и исход особых ситуаций полета. Системное представление достигается построением единой модели изучаемых явлений и системной организацией исследований. Системная организация означает непрерывное планирование и управление разработкой проблемы БП на взлете и посадке ВС с применением современных методов. Системный подход не требует обязательного рассмотрения всех элементов системы на одинаковом уровне, поскольку для практики все чаще необходимы промежуточные результаты решения проблемы- - выводы и рекомендации, направленные на повышение уровня БП.

Основными методами исследований указанной проблемы в настоящее время являются летный эксперимент и математические средства, включающие аналитические методы и моделирование на ЭВМ и пилотажных стендах. Хотя теоретические основы построения и применения математического моделирования движения ВС сейчас все еще находятся в стадии разработки и становления, тем не менее, как уже показывает практика, математическое моделирование полета самолета является наиболее перспективным методом предварительного определения его характеристик (как дискретных, так и статистико-вероятностных) до начала летных испытаний (ЛИ), в процессе их проведения и по окончании испытаний для распространения полученных в результате испытаний данных на весь объем ожидаемых условий эксплуатации [4, 6, 53, 54, 102−109, 112.-115, 118] .

Успешное создание математических моделей (ММ) движения ВС невозможно без хорошо организованного системного анализа методов, развиваемых в базовых науках (аэродинамике, динамике полета, теоретической механике, теории упругости и автоматике) и позволяющих последовательно по времени определять нагрузки, перемещение самолета, его деформации и.

Ш Жучков М. Ю. + Введение + отклонения рулей. Однако такой общий подход к проблеме разработки ММ делает ее довольно сложнойи трудно обозримой: поставленная задача имеет большую размерность по количеству параметров ВС, режимов его полета и исходных данных. Тем не менее решение именно такой большой и сложной задачи позволяет иметь достаточную гарантию ее определенной достоверности, которая может быть проверена и уточнена лишь по результатам ЛИ.

В истории построения ММ четко выделяются три этапа их создания, которые последовательно связаны с разработкой ММ жесткого аэроупругого и аэроавтоупругого самолета [109, 115, 128].

Заметен неоспоримый прогресс в развитии методов математического моделирования динамики полета жесткого самолета. Наибольший успех здесь достигнут в связи с вводом новых быстродействующих ЭВМ. В настоящее время во многих авиационных организациях разработаны с теми или иными допущениями более полные ММ жесткого самолета, которые позволяют сегодня проводить внедрение комплексного цикла исследований на ЭВМ в практику ЛИ ВС.

Особое место занимают работы Бурдуна И. Е., Боярского Г. И., Ударцева Е. П., Лазнюка П. С., Страдомского О. Ю., Егорова Г. С., Фицнера Л. К., Савина В. С., Моисеева Е. М., Сушко В. В., Ломовского В. «В., Ермакова В. В., Супруна В. М., Пухова В. В., Леонова В. А., Сурина В. П., Пуминовой Г. С., Матвеева Ю. И., Опара А. С., Юша Н. Ф., Кулифеева Ю. Б., Морозова В. И., Брагазина В. Ф., Феногенова Д. А., Шишмарева А. В., Бина Г. Е. и других отечественных и зарубежных ученых.

Характерным для большинства этих работ [ 10, 1 1, 34−36, 79−81, 1 16, 121, 126−128] являются, как отмечалось выше, трудности замыкания общих уравнений движения ВС, которые преодолеваются путем задания законов управления и дополнительных соотношений, полученных из эксперимента. Это оставляет проблему создания адекватных ММ движения самолета по-прежнему открытой и одной из основных [13, 24] .

В последнее время появился целый ряд глубоких научных исследований, посвященных разработкам аэроупругой и аэроавтоупругой моделей самолета. Теоретические и экспериментальные методы исследования указанных моделей весьма сложны, поскольку они требуют для успешного решения проблемы вполне согласованного взаимодействия различных специалистов и выдачи ими исходных данных. Более того, задача значительно усложняется, когда делаются попытки учесть влияния нестационарности обтекания в уравнениях аэроупругости самолета и дополнить их моделями рулевого привода и датчиков.

Ш Жучков М. Ю. + Введение +.

Теории статической аэроупругости и ее практическому применению посвящена обширная литература. Большой вклад в ее развитие внесли Белоцерковский С. М., Ништ М. И., Кашин Г. М., Протопопов В. И., Муравьев Г. Г., Васин И. С., Смирнов А. И., Новицкий В. В., Бисилингкофф Р. JI., Эшли X., Холфмэн Р. JIФын Я. Ц., Фершинг Г., Kussner Н. G., Possio С., Watkins С. Е., Landahl М. Т, Ashlev Н., Lashka В., Kaiman Т. Р и многие другие исследователи. Наиболее обобщающими работами в этом направлении являются монографии [ 12, 14, 55, 76, 123, 128] .

Вместе с тем, при использовании полных аэроупругих и аэроавтоупругих моделей возникает ряд затруднений и, в первую очередь, сложности их реализации на ЭВМ. Поэтому при исследовании только движения ВС, его устойчивости и управляемости в нормальных и особых случаях полета вряд ли целесообразно использовать громоздкие аэроупругие и аэроавтоупругие модели. В этой случае лучше воспользоваться упрощенными моделями, учитывающими аэроупругость конструкции ВС путем введения соответствующих поправок в управлении движения и использовать их в инженерной практике [7, 12, 22, 118, 128] .

К настоящему времени уже опубликовано достаточно много материалов, посвященных решению частных задач движения ВС в нормальных условиях взлета и посадки [102, 196, 109, 1 14]. Но особого внимания требуют материалы, касающиеся особых случаев при взлете и посадке, в частности, вопросов инженерного обеспечения БП, связанных с анализом отказов двигателей и систем, влиянием внешней среды и ошибочными действиями экипажа [1 1, 35, 53, 54]. Отсутствие на сегодняшний день надежных результатов по данным вопросам во многом объясняется недостаточным использованием при математическом моделировании движения ВС современных теоретических методов анализа и синтеза особых условий полета и статистических методов планирования численных экспериментов, что значительно затрудняет интерпретацию результатов проведенных исследований.

В этих условиях трудно выделить среди множества факторов определяющие, а среди большого объема противоречивых данных достоверные.

Подводя итоги анализа недостатков существующих методов исследования повышения эффективности ЛЭ и уровняБП ВС в особых случаях взлета и посадки, можно заключить, что они не позволяют в полной мере реализовать все преимущества математического моделирования движения самолёта и требуют их совершенствования, что и нашло отражение в рассматриваемой диссертационной работе. Таким образом, в предлагаемой работе решается имеющая важное в ГА.

Ш Жучков М. Ю. + Введение значение проблема повышения эффективности ЛЭ и уровня БП ВС в нормальных и особых случаях взлета и посадки за счет использования математического моделирования движения ВС, создания новых и применения современных теоретических методов исследования особых случаев полета с целью разработки на этой основе рекомендаций по совершенствованию техники пилотирования.

Решение указанной проблемы позволяет существенно расширить и углубить уровень изучения динамических свойств ВС в сложных условиях взлета и посадки при сохранении или уменьшении объема ЛИ, а также выдавать до проведения ЛИ рекомендации по обеспечению безопасности и регулярности полетов, расширению летных ограничений и делать заключения по соответствию нормам летной годности гражданских транспортных самолетов (НЛГС).

Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в Московском Государственном Техническом Университете гражданской авиации (МГТУ ГА) в период 1993;1998 гг.

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

Цель работы и задачи исследования. Цель работы — внедрение в систему математического моделирования движения ВС современных математических методов решения задач большой размерности для получения более широкой и надежной информации о полетах ВС в особых случаях взлета и посадки и повышения их качества путем эффективного использования ЭВМ и современных математических методов при уменьшении объема ЛИ, что приводит к экономии финансовых и людских ресурсов.

Главными задачами работы являлись: применение и анализ общей системы математического моделирования движения ВС на этапах взлета и посадкиреализация в системе математического моделирования современных теоретических методов и алгоритмов на основе методов планирования эксперимента и теории катастроф для решения задач большой размерности, оценки эффективности ЛЭ и уровня БП ВСобоснование и разработка методов оценки адекватности математического моделирования движения ВС на взлете и посадке;

Ш Жучков М. Ю. + Введение исследование с помощью системы математического моделирования особых случаев полета ВС на этапах взлета и посадки для совершенствования РЛЭразработка рекомендаций и предложений по обеспечению безопасной ЛЭ ВС в особых случаях взлета и посадки.

Основная идея’диссертационной работы состоит в том, чтобы в основу разработки рекомендаций по обеспечению БП ВС в особых случаях взлета и посадки положить математические средства, как наиболее дешевые и доступные, а дорогостоящие летные эксперименты использовать лишь для уточнения и контроля расчетных результатов, подтверждения их достоверности и точности.

Методы исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий методы численных решений интегральных и дифференциальных уравнений, теории функций и функционального анализа, матричной алгебры, методы классификации и идентификации, теории катастроф, вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в применении методов планирования эксперимента для принципиальной возможности осуществления сложного многофакторного вычислительного эксперимента по определению безопасных условий взлета и посадки, применении методов теории катастроф к совокупному анализу результатов вычислительных экспериментов по особым случаям взлета и посадки, применении обоснованных методик оценки адекватности математического моделирования движения ВС в виде готовых алгоритмов оценки точности, непротиворечивости и достоверности, определении предельных безопасных границ факторов взлета и посадки ВС в сложных внешних условиях, с учетом отказов систем, расширяющих диапазон ожидаемых условий эксплуатации конкретных типов ВС, рекомендациях и предложениях к руководящей документации по ЛЭ конкретных типов ВС на этапах взлета и посадки в сложных метеоусловиях.

Достоверность результатов исследований подтверждается:

Ш Жучков М. Ю. •)¦ Введение +.

1. Непосредственным сопоставлением численных расчетов с летным экспериментом на этапах взлёта и посадки.

2. Непротиворечивостью численных расчетов летному эксперименту с помощью статистических критериев типа Пирсона, Аббе и т. д.

3. Критериями устойчивости и управляемости самолета в переходных процессах при фиксированных «дачах» рулей.

Положения, выносимые на защиту. теоретическое обоснование и рекомендации по применению математического моделирования движения ВС на этапах взлета и посадки для оценки эффективности ЛЭ и уровня БП ВСметоды проверки достоверности и точности результатов математического моделированияиспользование метода оптимального планирования численного эксперимента и алгоритма обработки результатов математического моделирования взлета и посадки ВС, позволяющего существенно сократить затраты времени и средств при постановке сложного численного экспериментаприменение метода теории катастроф для решения задач математического моделирования динамики полета ВС с использованием анализа совокупности особых условий полета с целью выявления и анализа критических ситуацийобоснование использования теоретической модели состояния ВПП, позволяющей определить боковые и продольные силы колес шасси на влажной и скользкой ВПП в зависимости от коэффициента сцепления при заданном коэффициенте трениярезультаты теоретических исследований движения ВС в особых случаях взлета и посадки с помощью системы математического моделирования.

Практическая ценность работы состоит в том, что внедренные теоретические методы применительно к системе математического моделирования движения ВС позволяют:

1. Исследовать особенности ЛЭ ВС как в нормальных, так и в особых случаях взлета и посадки.

2. Обеспечивать экономию топлива за счет сокращения объема ЛИ.

3. Проводить анализ особых условий эксплуатации ВС на взлете и посадке, которые выходят за рамки разрешенных, с целью разработки атласа предельных эксплуатационных возможностей самолета.

4. Решать задачи эффективности и оптимизации режимов полета ВС для получения дополнительной информации к существующим РЛЭ и выработки первой редакции новых РЛЭ перспективных ВС, которая будет уточняться результатами ЛИ.

5. Дает возможность совершенствовать НЛГС как вновь создаваемых ВС, так и находящихся в эксплуатации.

6. Разрабатывать рекомендации и предложения экипажам ВС по выполнению взлета и посадки в различных ненормальных условиях.

Реализация и внедрение результатов работы. Материалы выполненных исследований докладывались на заседаниях и кафедральных семинарах в МГТУ ГА /1993;99 гг./, ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, Москва, а также обсуждались на межотраслевых семинарах, научно-технических конференциях.

Основные результаты диссертационной работы были использованы в летных подразделениях ГА при обучении экипажей технике пилотирования, а также разработках четырех хоздоговорных НИР. Эти результаты нашли использование в отраслевых учебных пособиях по курсам аэродинамики и динамики полета ЛА, в курсах лекций по указанным дисциплинам.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на трех международных конференциях (март 1994 г., май 1996 г., апрель 1999 г.), а также обсуждались на ежегодных отраслевых и вузовских научно-технических конференциях и семинарах.

Публикация. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, полученные результаты в период 1993;1999 гг. отражены в восьми отчетах по научно-исследовательской работе МГТУ ГА.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, списка сокращений и двух приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах машинописного текста, всего работа содержит 75 рисунков, 19 таблиц и 146 библиографических названий (из них 16 — на иностранных языках), общий объем работы 253 страницы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. С помощью внедрения в систему математического моделирования математических методов планирования вычислительного эксперимента и анализа их результатов на основе теории катастроф проведена широкая серия численных экспериментов с целью расширения условий эксплуатации ВС на этапах взлета и посадки в сложных метеоусловиях.

2. Результаты численных расчетов движения ВС в особых случаях взлета и посадки с помощью внедренных математических методов показывают, что имеется реальная возможность расширения области эксплуатации ВС в сторону пониженных коэффициентов сцепления и больших, чем указанные в РЛЭ, значений боковой составляющей скорости ветра.

3. С помощью методов теории планирования численного эксперимента по результатам математического моделирования получены диаграммы предельных значений скорости бокового ветра и коэффициента сцепления колес шасси с ВПП для различных типов ВС на этапах взлета и посадки. Представленная методика позволяет уточнить область безопасных значений совокупности факторов, осложняющих условия эксплуатации, и тем самым оценить возможность расширения границы ожидаемых условий эксплуатации ВС ГА.

4. С помощью математического моделирования прерванных и продолженных взлетов ВС на скользкой ВПП (// = 0,3) при различной температуре атмосферы получены для самолета Ил-86 дистанции прерванного и продолженного взлета с максимальной взлетной массой при отказе критического двигателя. Располагая возможностью использования внедренныхя математических методов оказалось возможным выявить, что уменьшение скорости принятия решения У] без изменения Уи и т^ может обеспечить на скользкой ВПП требуемую дистанцию прерванного взлета в пределах располагаемой на аэродромах класса А.

5. На основании предложенных результатов вычислительных экспериментов можно сделать вывод о необходимости продолжения научно-технического сопровождения отработки РЛЭ самолета Ил-96Т с помощью математического моделирования для дополнения соответствующих разделов на основании более глубокого исследования возможности безопасного полета в условиях разнообразных внешних факторов с целью обоснования возможности пересмотра границ ожидаемых условий эксплуатации.

6. На основе методов теории катастроф проведен анализ критических ситуаций полета ВС с точки зрения обеспечения БП и возможного расширения эксплуатационных ограничений. Показано, что исследование бифуркационного множества в плоскости рассматриваемых параметров дает возможность выявить такие совокупности значений фазовых координат и параметров движения ВС, при которых нарушается плавное протекание той или иной функции параметров движения и возможны скачкообразные их изменения.

7. По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации и предложения по обеспечению безопасной ЛЭ ВС на взлете и посадке в условиях опасных внешних воздействий среды и при отказах АТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен анализ влияния различных факторов и условий, влияющих на БП ВС на этапах взлета и посадки. Показано, что при исследованиях вопросов повышения эффективности ЛЭ и обеспечения БП ВС на взлете и посадке обязательному рассмотрению и учету подлежат все факторы и условия, связанные с инженерным обеспечением БД ВС (состояние ВС и отказы АТ, состояние внешней среды и действия экипажа при управлении ВС). Это требует большого объема летных испытаний и вычислительного эксперимента, поэтому диктует требование внедрения новых математических методов планирования экспериментов и анализа их результатов.

2. Предложена система математического моделирования нормальных и особых случаев взлета и посадки ВС, позволяющая реализовывать сложные ММ транспортных самолетов с высокой степенью точности и достаточной достоверности. Описана степень универсальности и ¦ унификации примененных базовых ММ движения ВС и используется для их решения устойчивый метод предсказания коррекции, имеющий второй порядок аппроксимации и точности с повышенным быстродействием счета.

3. Показано, что предложенные в работе методы проверки достоверности и точности системы математического моделирования движения ВС могут успешно применяться для оценок непротиворечивости априорных математических моделей движения ВС экспериментальным данным. Рассмотрены различные методы и приведены конкретные примеры расчетов.

4. Использован метод оптимального планирования для упрощения численного эксперимента и алгоритм обработки результатов математического моделирования взлета и посадки ВС, п о з в о ля ю щ и е существенно сократить затраты времени и средств при анализе влияния эксплуатационных факторов.

9 ПА.

5. Развиты методы теории катастроф и разработана методика их применения в системе математического моделирования применительно к задачам особых случаев полета ВС с целью выявления критических ситуаций.

6. Выполнен большой численный эксперимент по решению прикладных задач с помощью используемой системы математического моделирования движения ВС на взлете и посадке в сложных метеоусловиях и при отказах систем с целью определения возможности расширения ожидаемых условий эксплуатации. Показана реальная возможность включения в программу ЛИ исследований движения ВС при пониженных коэффициентах сцепления и больших, чем указанные в РЛЭ, значений боковой составляющей скорость ветра.

7. Предложен эффективный метод оценки влияния сложных метеоусловий на .БП ВС. С помощью этого метода, построенного на основе детерминированной ММ взлета и посадки ВС и вероятностных характеристик случайных отказов AT, получены диаграммы предельных значений факторов метеоусловия, позволяющие проводить оценки возможности расширения области ожидаемых условий эксплуатации ВС.

8. Выявлены дополнительные возможности расширения ожидаемых условий эксплуатации ВС без ухудшения показателей БП. Проведен анализ критических ситуации полета ВС с точки зрения обеспечения БП и возможного расширения эксплуатационных ограничений на основе методов теории катастроф. Определены такие совокупности значений фазовых: координат и параметров движения ВС, при которых возможны их качественные перестройки.

9.i: Сформулированы и даны выводы и рекомендации, полученные на.

Ь — основании численного моделирования движения ВС на этапах взлета и посадки в сложных метеоусловиях и при отказах AT.

Полученные в работе решения позволяют значительно расширить фронт работ для повышения информации о поведении ВС в сложных условиях взлета и посадки при сохранении или уменьшении объема летных испытаний, а также выдавать рекомендации по обеспечению безопасности и регулярности полетов, расширению летных ограничений и соответствию нормам летной годности гражданских самолетов.

Некоторые результаты исследовании были переданы в ГосНИИ ГА, А К им. C.B. Ильюшина, ВВИА им. Н. Е. Жуковского, МГТУ ГА и летные подразделения ГА для использования вработе, что подтверждается соответствующими актами внедрения.