СПОСОБ СИГНАЛИЗАЦИИ ПРИВОДНЕНИЯ И ВЗЛЕТА С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ САМОЛЕТА-АМФИБИИ
METHOD OF AMPHIBIAN TAKEOFF/LANDING SIGNALING

Изобретение относится к гидроавиации, в частности к самолетам-амфибиям (СА). Предназначено для автоматических систем управления посадкой на водную поверхность и взлетом с нее, приводящих в действие поверхности управления в зависимости от уровня гидродинамического воздействия среды на днище лодки и высоты движения СА.
Применение таких систем, как показано в материалах патента РФ №2268157 (МПК B60F 3/00, B64C 35/00, B64C 13/16) «Система управления углом тангажа СА при движении по воде в режиме глиссирования», способствует исключению из практики управления движением СА ситуаций, связанных с отказами или с «человеческим фактором» при глиссировании по водной поверхности, когда СА может выйти на углы хода, близкие к граничным.
Таким образом, преимущественной областью использования изобретения являются существующие и вновь создаваемые авиационные системы автоматического управления движением СА.
Известны способы, направленные на повышение уровня автоматизации процессов управления движением летательных аппаратов, с целью исключения из практики управления их движением ситуаций, связанных с отказами или с «человеческим фактором». Эти способы заключаются в получении из внешней среды данных, их обработке и последующей передаче сигналов в контур управления движением СА.
К ним может быть отнесена «Система раннего измерения турбулентности перед летательным аппаратом» по патенту РФ №2373554 (МПК G01S 17/95). Изобретение относится к системе раннего измерения турбулентности перед летательным аппаратом. Техническим результатом изобретения является измерение скорости ветра впереди летательного аппарата на расстоянии, достаточном для того, чтобы успеть привести в действие поверхности управления летательного аппарата с опережением по времени. Поэтому для определения моментов перехода СА из воздушной среды в водную и наоборот система использоваться не может.
На основе емкостного датчика сверхмалых высот полета гидросамолета, описанного в патенте РФ №2196077 (МПК B64D 43/00, G01F 23/26) и отнесенного авторами к области авиационного приборостроения, также можно реализовать способ определения моментов перехода из водной среды в воздушную и из воздушной в водную с целью приведения в действие поверхностей управления при обеспечении посадки на водную поверхность и при отрыве от нее при взлете. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе показания датчика существенно зависят от условий внешней среды, в частности, от влажности воздуха.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является техническое решение, основанное на способе оценки электропроводности среды и принятия решения о том, какой из сред соответствует измеренная электропроводность. Данное решение, описанное в патенте США №7350751 (МПК B64C 25/54) «Шасси с системой противодействия переворачиванию самолета при посадке на воду» и заключающееся в осуществлении непосредственного контакта с окружающей средой и регистрации изменения среды по результатам оценки ее свойств при переходе из воздушной среды в водную и наоборот, принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном способе используется свойство среды - электропроводность, которое может изменяться в широких пределах в зависимости не только от окружающей среды (вода или воздух), но и от содержания (или отсутствия) в воде различных примесей (невозможность правильной идентификации среды при работе в водоемах с пресной водой, например, на озере Байкал) ее агрегатного состояния (обледенение). Следствием этого является большая вероятность принятия неправильного решения о нахождении (или ненахождении) днища лодки СА в водной среде.
В результате известное техническое решение не может быть использовано в автоматических системах управления СА, предназначенных для приведения в действие поверхностей управления при обеспечении посадки на водную поверхность и при отрыве от нее при взлете.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании способа сигнализации приводнения и взлета с водной поверхности СА, лишенного вышеизложенных недостатков, в котором обеспечивается повышение достоверности сигнализации момента касания днищем лодки СА водной поверхности при переходе из воздушной среды в водную, отрыва днища лодки от водной поверхности при взлете с воды, а также нахождения на плаву и в воздухе.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, примененном в изобретении «Шасси с системой противодействия переворачиванию самолета при посадке на воду» по патенту США №7350751, в котором путем непосредственного контакта с окружающей средой и регистрации ее изменения по результатам оценки свойств среды при переходе из воздушной среды в водную и наоборот, измеряют и сравнивают высоту перемещения СА с верхним и нижним порогами заданного диапазона высот и гидродинамическое воздействие среды на днище лодки СА с заданным порогом вибраций, причем если значение измеренной высоты находится между нижним и верхним порогами, то при значении гидродинамического воздействия выше порога вибраций принимается решение «Вода», при значении гидродинамического воздействия ниже порога вибраций - решение «Воздух», и независимо от значения гидродинамического воздействия при значении измеренной высоты выше верхнего порога принимается решение «Воздух», а при значении высоты ниже нижнего порога - решение «Вода».
Благодаря введению в известный способ совокупности существенных отличительных признаков, предлагаемый способ обеспечивает повышение достоверности сигнализации момента касания днищем лодки СА водной поверхности при переходе из воздушной среды в водную, отрыва днища лодки СА от водной поверхности при взлете с воды, а также нахождения на плаву и в воздухе.
Сущность предлагаемого способа поясняется на чертеже, где:
1 - радиовысотомер;
2 - датчик вибраций;
3 - блок цифровой обработки сигналов.
Способ сигнализации приводнения и взлета с водной поверхности самолета-амфибии, в котором путем непосредственного контакта с окружающей средой и регистрации ее изменения по результатам оценки свойств среды при переходе из воздушной среды в водную и наоборот измеряют и сравнивают высоту перемещения СА с верхним и нижним порогами заданного диапазона высот и гидродинамическое воздействие среды на днище лодки СА с заданным порогом вибраций, причем если значение измеренной высоты находится между нижним и верхним порогами, то при значении гидродинамического воздействия выше порога вибраций принимается решение «Вода», при значении гидродинамического воздействия ниже порога вибраций - решение «Воздух», и независимо от значения гидродинамического воздействия при значении измеренной высоты выше верхнего порога принимается решение «Воздух», а при значении высоты ниже нижнего порога - решение «Вода», осуществляется следующим образом.
Сигналы с выходов радиовысотомера 1 и датчика вибраций 2 одновременно поступают на соответствующие входы блока цифровой обработки сигналов 3. В блоке цифровой обработки сигналов 3 сигналы, поступающие с выходов радиовысотомера 1 и датчика вибраций 2, одновременно преобразуются в цифровые отсчеты. После цифровой обработки в блоке 3 формируются сигналы принятия решений «Воздух» или «Вода», поступающие на выход блока цифровой обработки сигнала 3, откуда они могут быть переданы во внешние устройства.
ВП
Для сигнала, поступающего с выхода радиовысотомера 1, пропорционального высоте перемещения (ВП) СА и обозначаемого в дальнейшем как U, в блоке цифровой обработки сигналов 3 осуществляется вычисление математического ожидания (МО) по формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>О</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>K</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                             (1)</mtext></mrow></mstyle></mrow>
ВП
ВП
ВП МО
где К=Т·F - количество отсчетов на интервале вычисления U;
ВП
i - номер отсчета U;
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub></mrow>
ВП
- i-й отсчет U;
ВП
ВП МО
T - временной интервал для вычисления U;
ВП
ВП
F - частота следования отсчетов U.
ГДВ
ГДВ СКО
Для сигнала, поступающего с выхода датчика вибраций 2, пропорционального уровню гидродинамического воздействия (ГДВ) на днище лодки СА на участке от предреданной части до кормы и обозначаемого в дальнейшем как U, в блоке цифровой обработки сигналов 3 осуществляется вычисление среднего квадратического отклонения (СКО) напряжения U по формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mtext> СКО</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><msub><mi>В</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mtext> МО</mtext></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                             (2)</mtext></mrow>
где
ГДВ
ГДВ
ГДВ СКО
N=T·F - количество отсчетов на интервале вычисления U;
ГДВ
i - номер отсчета U;
ГДВ
U - i-й отсчет сигнала датчика вибраций ГДВ;
ГДВ МО
-
U математическое ожидание сигнала, поступающего с выхода радиовысотомера 1, рассчитываемое по формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>О</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>K</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><msub><mi>В</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                      (3)</mtext></mrow></mstyle></mrow>
ГДВ СКО
ВП МО
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><msub><mi>В</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo>.</mo></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>−</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
В блоке цифровой обработки сигналов 3 вычисленное значение U сравнивается с установленным заранее пороговым значением напряжения вибраций
, соответствующим уровню вибраций днища лодки СА, возникающих при касании днищем лодки СА водной поверхности, а вычисленное значение U - с установленными заранее усредненными значениями напряжений
, соответствующего граничной высоте нахождения СА на плаву, и
, соответствующего высоте отрыва от водной поверхности при взлете и касании ее при посадке при максимально допустимом для эксплуатации СА волнении. Эти значения высот устанавливаются по показаниям радиовысотомера.
Без учета погрешности показаний радиовысотомера значение высоты СА, находящегося на взлетно-посадочной полосе с выпущенным в нормальное положение шасси, принимается равным 0 м.
Когда шасси убраны и днище СА касается невзволнованной водной поверхности, показания радиовысотомера для СА, например, Бе-200 оказываются равными примерно минус 1 м; при скорости перемещения по воде менее 60 км/ч показания радиовысотомера, в зависимости от запаса топлива на борту СА и др. полезной нагрузки, могут достигать минус 2 м.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>−</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
Тогда для принятия решения о том, что днище лодки СА «уверенно» находится в водной среде,
может быть установлено соответствующим высоте минус 1,5 м, что будет соответствовать погружению днища на 0,5 м.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
Для принятия решения о том, что днище лодки СА «уверенно» уже находится в воздушной среде при взлете или еще находится в воздушной среде при посадке, введен порог
. С учетом высоты волн, при которой допускается эксплуатация СА Бе-200, равной от 1,2 м до 1,5 м, и указанной выше высоты касания невзволнованной водной поверхности, равной по показаниям радиовысотомера минус 1 м, значение этого порога могло бы быть установлено равным 0,5 м. Однако, с целью обеспечения работоспособности способа в экстренных случаях при большей высоте волн, целесообразно установить порог равным 1,5 м.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>−</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
и
существенно зависят от массогабаритных характеристик и эксплуатационных особенностей СА и уточняются в ходе эксплуатации.
Способ характеризуется использованием таких общеизвестных средств, как датчик вибраций и радиовысотомер.
ВП
ГДВ
Отсчеты напряжений U и U, снимаемых с радиовысотомера 1 и датчика вибраций 2 соответственно, поступают в блок цифровой обработки сигналов 3.
набл.ГДВ
набл.ВП
В блоке цифровой обработки сигналов 3 на скользящих временных интервалах длительностью Т и Т одновременно производятся вычисления по формулам (1), (2) и (3).
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>−</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><msub><mi>В</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo>.</mo></mrow></msub></mrow>
Результаты вычислений по формулам (1) и (2) в блоке цифровой обработки сигналов 3 одновременно сравниваются с установленными заранее значениями напряжений, соответствующими заданным высотам перемещения СА
и
, и установленным заранее значением напряжения, соответствующим заданному уровню вибраций
.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mtext> </mtext><mi>С</mi><mi>К</mi><mi>О</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>−</mo></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>М</mi><mi>О</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>М</mi><mi>О</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>−</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
ГДВ СКО
При совпадении условий
и
в блоке цифровой обработки сигналов 3 вырабатывается решение «Вода». При выполнении условия
решение «Вода» принимается независимо от значения U.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mtext> СКО</mtext></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Д</mi><msub><mi>В</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>−</mo></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>М</mi><mi>О</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>+</mo></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mo>.</mo><mo>+</mo></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow>
ГДВ СКО
При совпадении условий
и
в блоке 3 цифровой обработки сигналов вырабатывается решение «Воздух». При выполнении условия
решение «Воздух» принимается независимо от значения U.
Решения «Воздух» и «Вода» поступают на выход блока цифровой обработки сигналов 3 для передачи их во внешние устройства для индикации принятого решения и в автоматические системы управления посадкой на водную поверхность и взлета с нее.
Использование каждой из упомянутых выше математических операций трудностей реализации не вызывает и в отдельности известно. Однако установленная новая совокупность этих операций и порядок их выполнения являются причиной получения нового технического результата.
Преимущество изобретения состоит в том, что обеспечивается повышение достоверности сигнализации моментов касания днищем лодки СА водной поверхности при переходе из воздушной среды в водную и отрыва днища лодки от водной поверхности при взлете с воды, а также нахождения на плаву и в воздухе. В результате повышения достоверности упомянутой сигнализации повышается эффективность использования демпфера тангажа с оптимизированным для гашения гидродинамических моментов законом управления, предназначенного для борьбы с продольными колебаниями СА при движении в контакте с водной поверхностью. Такой демпфер включен в систему управления аэродинамического руля высоты СА Бе-200; он работает в режиме минимизации угловой скорости тангажа при движении СА по волне в режиме глиссирования и снижает влияние ошибок пилотирования на режимах глиссирования. При этом за счет уменьшения раскачки СА повышается мореходность, т.е. появляется возможность эксплуатации СА при большей высоте волн, что отмечено в материалах патента РФ №2268157 (МПК B60F 3/00, B64C 35/00, B64C 13/16) «Система управления углом тангажа самолета-амфибии при движении по воде в режиме глиссирования».