Оценка управляемости самолета в поперечном канале методами корреляционного анализа

2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 127

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 629.735.015:681.3

ОЦЕНКА УПРАВЛЯЕМОСТИ САМОЛЕТА В ПОПЕРЕЧНОМ КАНАЛЕ МЕТОДАМИ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА

А.С. ЛЕСОВСКИЙ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Кублановым М.С.

Представлено влияние отклонения элеронов на управляемость самолета по крену.

Решение вопросов устойчивости и управляемости современных магистральных самолетов подчинено следующим основным задачам:

• Обеспечение безопасности полета при всех возможных условиях эксплуатации.

Эта задача приобрела особую остроту в связи с непрерывным ростом пассажировместимо-сти магистральных самолетов и возросшими требованиями регулярности полетов. Рациональный выбор схемы самолета, его компоновки и органов управления и использование автоматики создают определенные возможности для повышения безопасности полета. Применение современных средств автоматизации управления позволяет значительно повысить уровень безопасности полета, в частности, за счет уменьшения влияния роли человеческого фактора, сильно сказывавшегося на уровне аварий и катастроф.

• Обеспечение высокой экономичности магистральных самолетов. Выявленные в последние годы возможности увеличения топливной эффективности за счет оптимального выбора параметров магистральных самолетов (центровок, размеров оперений, рациональных схем управления и т.п.) позволяют заметно воздействовать на повышение аэродинамического качества и топливную эффективность магистральных самолетов. Развитие в последние годы средств автоматизации управления позволяет использовать аэродинамические компоновки с высоким аэродинамическим качеством, даже имеющих в ряде случаев неблагоприятные характеристики статической устойчивости. Автоматизация управления позволяет также улучшить экономику самолета за счет снижения действующих нагрузок.

• Обеспечение пилотажных характеристик, соответствующих нормам и требованиям, удовлетворяющих экипаж и пассажиров в части реакции самолета при полете в турбулентной атмосфере. Автоматика и здесь позволяет получить оптимальные решения. Широкое использование автоматики привело к необходимости пересмотра ряда основных положений, принятых ранее при выборе основных параметров самолета, определяющих характеристики устойчивости и управляемости. При этом, как правило, проводятся детальный анализ указанных выше аспектов[5].

Обеспечить данные характеристики на самолете еще недостаточно, необходимо их также поддерживать на определенном уровне в процессе эксплуатации. Для поддержания перечисленных характеристик на заданном производителем уровне необходимо разработать новые подходы и методы для проверки их соответствия. Один из таких подходов предлагается в рассматриваемой работе. Данный подход основан на корреляционном анализе, представленном в работе [1], и предполагает оценку управляемости самолета в процессе эксплуатации, основной идеей которого предполагается нахождение коэффициента корреляции между рулями и параметрами, которые они создают

т у г =----^,

^ ^

где т^ - выборочный смешанный центральный момент; и sy - средние квадратические отклонения параметров х и у соответственно, причем предполагается брать х и у =0, которые уча-

ствуют в определении как выборочного смешанного центрального момента, так и среднеквадратических отклонений.

Выборочный коэффициент корреляции, как и другие выборочные характеристики, является случайной величиной и может принимать различные значения при повторении испытаний. При анализе независимых величин, для которых генеральный коэффициент корреляции р равен нулю, выборочный коэффициент г может заметно отличаться от нуля. В связи с этим проверялась гипотеза об отсутствии корреляции между исследуемыми случайными величинами X и У, т.е. в проверке нулевой гипотезы о равенстве нулю генерального коэффициента корреляции на основании данных выборки.

Причем нахождение коэффициента корреляции происходит не только при нулевом смещении времени, но и при смещении времени между исследуемыми параметрами, что позволит оценить поведение коэффициента корреляции между исследуемыми параметрами в определенном временном лаге, а также найти максимальное по абсолютному значению коэффициента корреляции.

В данной работе предполагается оценить влияние элеронов на управляемость самолета по крену. В качестве исходных данных были взяты результаты летных испытаний (ЛИ) перекладывания по крену для самолета Ту-214 для различных скоростей полета и конфигураций самолета. В настоящее время количественная оценка характеристик продольной устойчивости и управляемости на режимах взлета и захода на посадку оценивается в следующей последова-тельности[2].

На высоте Н пол.ср. = 2000^3000 м выполняются установившиеся площадки при работе двигателей на режиме, соответствующем горизонтальному полету. Режимы выполняются в конфигурациях:

- 8з = 25 °, 8пр = 25,° шасси выпущено , в диапазоне скоростей: V пр = 320 км/ч ^ V пр , соответствующей углу атаки а = 11°;

- 8з = 40°, 8пр = 25°, шасси выпущено, в диапазоне скоростей Vпр=290 км/ч ^ V пр, соответствующей углу атаки а = 11 °.

В каждой конфигурации выполняется по 5-6 площадок с шагом 10-15 км/час по скорости. При выполнении площадок каждое значение скорости фиксируется при балансировочном отклонении стабилизатора и близком к нулевому значению усилиях на штурвале в течение 15-25 сек. При выполнении режимов в протоколе фиксируется время и количество топлива в начале и конце выполнения режимов, а также значение отклонения стабилизатора и значение угла атаки, соответствующее каждой выдерживаемой скорости.

Такая процедура принята в типовых программах контрольных облетов самолетов для оценки соответствия летных характеристик, данным РЛЭ. Как видно из данной процедуры не о какой управляемости здесь речи не идет, так как под управляемостью обычно понимают способность самолета выполнять по желанию летчика любой маневр, предусмотренный техническими требованиями к данному типу самолета, притом наиболее просто, с наименьшей затратой энергии летчика (разумеется при условии, что рули обеспечивают летчику возможность беспрепятственно балансировать самолет в полном диапазоне эксплуатационных углов атаки и углов скольжения, а также скоростей полета, высот и чисел М) [4]. Из которого видно, что в типовых программах совершенно не оценивается управляемость самолета, так как не происходит изменение параметров полета от воздействия пилота на органы управления, т. е. по результатам типовых программ оценивается балансировочные значения управляемых поверхностей, а не управляемость. Также в работе [2] предлагается ввести в экспресс-анализ полетной информации алгоритмы для проверки зависимости изменений параметров полета от отклонений органов управления. Эти алгоритмы основаны на корреляционном анализе и вводятся в экспресс-анализ по знаку коэффициента корреляции, т.е. эти алгоритмы в большей степени проверяют знак та-рировочных характеристик параметров, а не управляемость самолета. В случае несоответствия знака коэффициента корреляции установленному выдается сообщение «Проверь знак тариро-вочной характеристики канала записи...».

Пилотирование самолета с индивидуальными особенностями происходит при пониженных запасах устойчивости и управляемости, что снижает уровень безопасности полетов, увеличивает трудности пилотирования в неустановившихся режимах полета.

Вот почему необходимо более детально знать индивидуальные характеристики управляемости самолета, для того чтобы поддерживать управляемость самолета на заданном производителем уровне. На рис. 1-3 приведены некоторые результаты корреляционного анализа из перекладывания самолета из крена в крен для самолета Ту-214.

Рис. 1. Изменение коэффициента корреляции от лага времени между отклонением штурвала по

элеронам и угловой скоростью крена 8 з = 0 °, 8пр = 0 °, Н = 6000 м, Vпр = 450 км / ч

Рис. 2. Изменение коэффициента корреляции от лага времени между отклонением штурвала по

элеронам и угловой скоростью крена

8д = 18°, 8ї6 = 19°, Н = 2000 г , Уїд = 265ё\ / 0 аппе ай ї ои аі Ї

Рис. 3. Изменение коэффициента корреляции от лага времени между отклонением штурвала по

элеронам и угловой скоростью крена 8д = 18°, 8їд = 19°, Н = 3000г , Уїд = 375ёг / 0 аппе ай ї ои аі Ї

На рис. 1 получены результаты корреляционного анализа для самолета Ту-214 в полете по перекладыванию по крену 8з = 0 °, 8пр = 0 °, Н = 6000 м, Vпр = 450 км / ч . Из рис. 1

видно, что данный график напоминает параболу с ярко выраженным максимумом. Точно такие же результаты можно получить для самолета Ту-214, но находящегося в иной полетной конфигурации.

Влияние скорости полета можно оценить из ЛИ по перекладыванию по крену для самолета Ту-214 для следующих полетных конфигураций, которые схожи между собой, но отличаются значением скорости полета. Первая полетная конфигурация 8( = 18°, 8гд = 19°,

Н = 3000г , V.iд = 375ёг / ^, 0 аппе ай г ой а( г сравнивается со второй полетной конфигурацией, где 8( = 18°, 8гд = 19°, Н = 2000г , Vlд = 265ёг /^, шасси выпущено. Корреляционный анализ проводился между отклонениями штурвала управления элеронов и угловой скоростью крена, результаты которого приведены на рис 2, 3. Очевидно, что с увеличением скорости полета при неизменной конфигурации самолета график становится более узким и увеличивается максимальный по абсолютному значению коэффициент корреляции.

Из рис. 1, 2 и 3 видно, что самолет с выпущенным шасси и 8з = 18° ,8пр = 19° имеет меньшее по абсолютному значению максимальное значение коэффициента корреляции, также заметно смещение вершины в сторону большего значения лага.

Из ЛИ по перекладыванию самолета по крену в частности для самолета с выпущенным шасси и 8( = 18°, 81д = 19°, Н=2000м, Vпр=265 км/ч перекладка самолета из крена -30° до 30°

происходила за больший промежуток времени, чем у самолета 8( = 0°,

8гд = 0°, Н = 6000 г , Vгд = 450ёг / ^ , что отражено на рис. 4.

Рис. 4. Изменение угла крена во времени при перекладывании самолета по крену

для двух режимов полетов

Следовательно, по графикам коэффициента корреляции от лага времени можно судить об управляемости самолета в поперечном канале при управлении только элеронами. Это особенно актуально в настоящее время, так как управляемость оценивается летчиком-испытателем субъективно, с выставлением оценок, при этом каждый пилот имеет свои индивидуальные навыки и опыт представления о том, как должен вести себя самолет.

Приведенные графики корреляционного анализа показывают, что основной орган управления самолетом вдоль продольной оси Ох - элероны воздействуют на самолет с некоторым запаздыванием, так как максимальное значение по абсолютному значению коэффициента корреляции получается смещенным относительно нулевого лага.

Выводы

В данной работе приведен подход по определению индивидуальных характеристик управляемости самолета по крену при управлении только элеронами, основанный на записях МСРП. Субъективное мнение пилота и его действия не могут повлиять на результаты корреляционного анализа, т. к. корреляция ищется между отклонением штурвала по элеронам и угловой скоростью крена.

Графики коэффициента корреляции от лага времени во всех полетных конфигурациях представляются в виде параболы с ярковыраженным максимумом функции. Это говорит о том, что самолет с запаздыванием реагирует на действия пилота. Поэтому в производстве и в процессе эксплуатации необходимо поддерживать лаг, отвечающий максимальному значению коэффициента корреляции в определенных пределах, иначе пилот будет чувствовать себя неуверенно и все это может привести к авиационному происшествию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лесовский А.С. Применение корреляционного анализа для оценки управляемости самолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 124, 2007.

2. Масленникова Г.Е. Методы оценки и сохранения летных характеристик экземпляра воздушного судна в процессе эксплуатации: Дисс. на соискание уч. степ. д-р техн. наук. - М., 2006.

3. Степнов М.Н., Шаврин А.В. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. - М.: Машиностроение, 2005.

4. Котик М.Г., Павлов А.В., Пашковский И.М., Щитаев Н.Г. Летные испытания самолетов. - М.: Машиностроение, 1968.

5. Под редакцией Бюшгенса Г.С. Аэродинамика и динамика полета магистральных самолетов. - М-Пекин.: Издательский отдел ЦАГИ, 1995.

ESTIMATION CONTROL OF AIRCRAFT IN THE LATERAL-CONTROL CHANNEL WITH

METOD OF CORRELATION ANALYSIS

Lesovsky A.S.

Influence of ailerons on aircraft controllability on bank is represented.

Сведения об авторе

Лесовский Андрей Сергеевич, 1983 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - аэродинамика и динамика полета, математическое моделирование.