СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ПОЛОЖЕНИЯ ЕГО ЦЕНТРА МАСС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING AIRCRAFT WEIGHT, POSITION OF ITS CENTRE OF WEIGHT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к бортовым системам информации.
Известен способ определения массы самолета и положения центра масс [1], заключающийся в определении массы отдельных частей самолета при его изготовлении и размещении этих частей таким образом, что центр масс располагается в определенном месте, между передней и основными стойками шасси (предполагается трехопорное шасси с передней опорой, как наиболее распространенное). При снаряжении самолета, например боеприпасами, и его заправке изменение положения центра масс самолета также известно (определено на заводе при изготовлении).
Масса летательного аппарата и положение его центра масс в этом случае всегда будут известны. Это относится, например, к самолетам-истребителям, к самолетам-штурмовикам и т.п., у которых все варианты снаряжения заранее известны и не меняются с течением времени.
Однако это относится не ко всем летательным аппаратам. Например, транспортные самолеты и вертолеты загружаются каждый раз отличными друг от друга грузами как по массе, так и по распределению его вдоль продольной оси летательного аппарата, что меняет положение центра масс. Известно много случаев, когда из-за перегрузки летательных аппаратов происходили аварии и катастрофы. Достаточно вспомнить катастрофу вертолета с губернатором Красноярского края Лебедем А.И., которая произошла из-за перегрузки. Обычно (и оправданно) стремятся загружать летательный аппарат до максимально допустимой величины, чтобы его эффективно использовать. Однако летчику трудно определить массу загружаемого груза и его распределение вдоль грузовой кабины (информация об этом в кабину летчика не поступает), что не позволяет знать положение центра масс и является недостатком данного способа.
Известен способ определения веса и центра тяжести самолета [2], заключающийся в том, что самолет помещают на платформу, поднимают гидроподъемниками и получают сигналы с датчиков давления о величине нагрузки на каждый из них, а счетно-решающий блок определяет общий вес (массу) самолета и положение центра тяжести (центра масс).
тяг
Хотя понятия «масса» и «сила тяжести» имеют разное значение (масса является мерой инертности тела в поступательном движении и характеризует способность тела взаимодействовать с другими телами, а сила тяжести определяется законом всемирного тяготения и является силой, действующей на тело, вследствие притяжения к Земле, равной по модулю силе реакции и направленной противоположно ей) [4], между ними существует тесная связь. Сила тяготения F, составляющей которой является сила тяжести G, равна [4]:
1
где m - масса летательного аппарата;
2
m - масса Земли;
ν - коэффициент пропорциональности, который называется гравитационной постоянной;
1
2
r - расстояние между массами m и m.
Из формулы видно, что связь между силой тяготения и массой летательного аппарата прямопропорциональная, а так как сила тяжести G летательного аппарата является составляющей силы тяготения, то, следовательно, между массой и силой тяжести летательного аппарата существует прямопропорциональная связь. Поэтому, правомерно при качественном рассмотрении, вместо массы употреблять силу тяжести (для большей наглядности) и наоборот, что и будет авторами использоваться в дальнейшем. И центр масс совпадает с центром тяжести летательного аппарата. Недостатком этого способа является то, что платформа является очень громоздким сооружением и может эксплуатироваться только на стационарных аэродромах. Также процесс определения массы самолета и положения его центра масс занимает значительное время, требует заметных материальных и трудовых затрат. Кроме того, информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс в кабину летчика не поступает.
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому, поэтому и взят за прототип.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения массы летательного аппарата, положения его центра масс и информирование об этом летчика, находящегося в кабине летательного аппарата, в любой момент времени, при нахождении летательного аппарата на земле.
Технический результат изобретения достигается тем, что масса летательного аппарата и положение его центра масс перед взлетом определяются по сигналам с датчиков давления, например пьезоэлектрических датчиков, располагающихся непосредственно на летательном аппарате, в частности в месте крепления стоек шасси к конструкции летательного аппарата, причем эти сигналы образовываются в виде электродвижущейся силы (ЭДС), прямопропорциональной массе летательного аппарата: чем больше масса, тем больше ЭДС. Но масса летательного аппарата распределяется неравномерно по всем датчикам, то есть стойкам шасси в данном случае, что зависит от положения центра масс летательного аппарата, и эти сигналы с датчиков давления поступают в бортовой процессор, например микроконтроллер, где преобразуются в числовое значение массы летательного аппарата по суммарному значению ЭДС со всех датчиков и присоединением к этой массе известной массы стоек шасси, а по различию значений ЭДС с каждого датчика и известным размерам базы шасси и его колеи определяется численное значение положения центра масс летательного аппарата на его продольной и поперечной осях, после чего сформированные в процессоре сигналы, в виде численных величин массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и поперечной осях, поступают в кабину экипажа на отображаемое устройство, например дисплей, где высвечиваются и позволяют экипажу получать визуально, или в любом другом виде, информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.
Заявляемый способ реализуется в устройстве, в котором масса летательного аппарата преобразуется в электрический сигнал (ЭДС - электродвижущую силу) на датчиках давления, например пьезоэлектрических датчиках, по суммированию которого с нескольких датчиков определяется масса летательного аппарата, а по распределению на этих датчиках - положение его центра масс. Датчики давления устанавливаются в месте соединения стоек шасси с остальной частью конструкции летательного аппарата и воспринимают на себе давление его массы, в результате чего в датчиках образуется ЭДС, пропорциональная давлению на эти датчики: чем больше масса, тем больше давление, тем больше ЭДС. Заранее отградуированные датчики (или на заводе-изготовителе этих датчиков) позволяют по величине ЭДС с них определять давление на них, т.е. усилие со стороны летательного аппарата, соответствующее его массе. Сигналы с датчиков давления поступают на микроконтроллер, где по этим сигналам определяется масса летательного аппарата и положение его центра масс, формируется информационный сигнал, подаваемый на дисплей в кабине летчика. При нахождении на земле летчик в любой момент имеет информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс, т.е. предлагается устройство, в котором все элементы располагаются непосредственно на летательном аппарате и включают в свой состав датчики давления, например
пьезоэлектрические датчики, размещаемые, в частности, в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, процессор, в частности микроконтроллер, и отображающее устройство в кабине экипажа, например дисплей, причем в датчиках давления, при действии на них массы летательного аппарата, образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и боковой осях, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, например дисплей, на котором экипаж, при необходимости, может получить визуально информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Получение информации о массе летательного аппарата с датчиков давления, расположенных на самом летательном аппарате.
2. Определение центра масс летательного аппарата с помощью микроконтроллера (или любого другого устройства), размещенного на борту летательного аппарата.
3. Получение информации о массе летательного аппарата и положении его центра масс экипажем в кабине на дисплее или другом устройстве.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
1. Расположение всех элементов устройства непосредственно на летательном аппарате.
2. Наличие дисплея или любого другого устройства в кабине экипажа, на котором воспроизводится информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс.
3. Связи между известными и новыми элементами устройства. Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивают достижение технического результата изобретения, а именно: получение информации экипажем в кабине летательного аппарата о величине массы этого летательного аппарата и положении его центра масс.
гл
пер
гл.л
гл.пр
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема действия сил на летательный аппарат при его нахождении на земле. На фиг.2 - структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа. Летательный аппарат (фиг.1) имеет силу тяжести G, приложенную в его центре масс (Ц.М.). Центр масс располагается внутри фюзеляжа 1. Снизу к фюзеляжу крепятся стойки шасси: основные стойки 2 и 3, и передняя стойка 4. Сила тяжести G уравновешивается реакциями от земли, действующими на основные стойки N и переднюю стойку N. Реакция на основные стойки состоит из двух составляющих: действующих на левую основную стойку N и на правую основную стойку N.
гл.л
гл.пр
пер
1
2
1
2
На каждой стойке шасси, между фюзеляжем и стойкой, установлены датчики давления 5, 6 и 7, например пьезоэлектрические датчики. При давлении на них они вырабатывают сигналы С, С и С соответственно с датчиков на главной левой, на главной правой и на передней стойках в виде напряжения (ЭДС). База шасси (расстояние между осями колес главных стоек и осью переднего колеса) обозначена через L. Расстояние от центра масс до осей колес основных стоек обозначена через l, а до оси переднего колеса - через l. Ширина колеи (расстояние между осями главных стоек) обозначена через «а» (вид А, фиг.1). Расстояние от центра масс до оси главной левой стойки обозначено через «a», а до оси главной правой стойки - через «а».
гл.пр
гл.л
пер
гл.пр
гл.л
пер
На фиг.2 датчики давления 5, 6 и 7 обозначены через Д, Д и Д соответственно датчики на главной правой, на главной левой и передней стойках, с которых поступают сигналы соответственно С, С и С. В структурную схему также входит микроконтроллер 8 и дисплей 9 в кабине летчика.
Работа по определению массы летательного аппарата и положения его центра масс предлагаемым способом заключается в следующем.
На земле, когда летательный аппарат не движется, то суммы проекций всех сил на каждую из координатных осей и суммы их моментов относительно этих осей равны нулю [3]. Проекции сил, действующих на летательный аппарат, будут только на ось «У». На остальные оси эти проекции будут равны нулю.
Составим сумму проекций сил на ось «У»:
iy
гл
пер
ΣF=0. N+N-G=0;
гл
гл.л
гл.пр
N=N+N.
гл.л
гл.пр
пер
Тогда: N+N+N-G=0.
Или:
По этому уравнению определяется масса летательного аппарата G. Моменты будут действовать только относительно осей «X» и «Z», а относительно оси «У» они будут равны нулю.
Составим сумму моментов относительно оси «X»:
x
гл.л
1
гл.пр
2
Σm=0; - N·a+N·а=0
Отсюда:
Расстояние «а» известно (колея шасси).
2
1
Тогда: а=а-a.
Подставляем в (2) и получаем:
гл.пр
1
гл.л
1
N(a-a)=N·a.
гл.пр.
гл.пр
1
гл.л
1
Или: N·а-N·a=N·a.
гл.пр
1
гл.пр
гл.л
Или: N·а=a(N+N).
гл.пр
1
гл
Или: Nа=a·N.
Отсюда:
Т.е. положение центра масс в поперечном направлении определяется формулой (3).
Составим сумму моментов относительно оси «Z»:
z
гл
1
пер
2
Σm=0. -N·l+N·l=0;
Отсюда:
2
1
База шасси L известна. Тогда l=L-l.
Подставляем в (4) и получаем:
пер
1
гл
1
N(L-l)=N·l.
пер
пер
1
гл
1
Или: N·L-N·l=N·l.
пер
1
пер
гл
Или: N·L=l(N+N).
Отсюда
Уравнение (5) определяет положение центра масс в продольном направлении летательного аппарата.
гл.л
гл.пр
пер
гл.л
гл.пр
пер
пред
пред
пред
пред
гл.л
гл.пр
пер.
пред
пред
Таким образом, используя уравнение (1), определяется масса летательного аппарата М (сила тяжести G). Значения реакций N, N и N определяются по величинам сигналов (ЭДС) С, С и С с датчиков давлений 5, 6 и 7. Эта масса должна быть меньше или равной ее предельному значению М (G) т.е. М≤М (G≤G). Или N+N+N≤G. Значение G для каждого летательного аппарата известно.
1
1
По уравнению (5) определяется положение центра масс вдоль продольной оси летательного аппарата. Величина l должна быть меньше L, т.е. l<L. Если положение центра масс выходит за пределы базы шасси, то нарушается продольная устойчивость при разбеге.
1
По уравнению (3) определяется положение центра масс в поперечном направлении. Желательно, чтобы значение «a» было близко к половине а величины «а», т.е.  - иначе появляется крен.
гл.пр
гл.л
пер
гл.пр
гл.л
пер
гл.пр
гл.л
пер
гл.пр
гл.л
пер
1
1
Устройство работает следующим образом. С датчиков давления 5, 6 и 7 (Д, Д, Д) снимаются сигналы (ЭДС) С, С и С, (фиг.2), пропорциональные усилиям, действующим на эти датчики (пропорционально N, N и N), которые пропорциональны массе летательного аппарата (его силе тяжести): чем больше масса летательного аппарата, тем больше сигналы С, С, С. Эти сигналы поступают на микроконтроллер 8, который преобразует их в сигналы «масса летательного аппарата М», «Центр масс l» (положение центра масс на продольной оси летательного аппарата), «Центр масс a» (положение центра масс на поперечной оси самолета) по следующему алгоритму:
гл.пр
гл.л
пер
1
2
3
1. Каждый сигнал С, С, С переводится в массу, например m, m, m соответственно.
1
2
3
ш
ш
2. Суммируются все массы, образуя массу летательного аппарата М=m+m+m+m, где m - масса всех стоек шасси (она известна заранее).
3. Формируется сигнал «Масса летательного аппарата М» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа. Если М>М допустимое, то вылетать с такой массой запрещается. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.
4. Формула (5) преобразуется в формулу:
1
5. Формируется сигнал «Центр масс l» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.
1
1
1
Если l<L, то на дисплее высвечивается (когда надо) значение l, например, зеленым цветом. Самое благоприятное значение  с точки зрения продольной устойчивости летательного аппарата на разбеге (и пробеге, если посадка с грузом), т.е. l0,5L.
1
1
1
Если l близка к 0,1 L и менее или к 0,9 L и более, то следует экипажу обратить особое внимание на возможность вылета с таким расположением центра масс или повышенное внимание на управление на этих режимах. Если l≤0·L или l>L, то вылет с таким расположением центра масс невозможен: очень велика вероятность катастрофы. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.
6. Формула (3) преобразуется в формулу:
1
7. Формируется сигнал «Центр масс a» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.
1
1
1
Наиболее благоприятное положение центра масс, когда , т.е. центр масс находится в плоскости продольной оси летательного аппарата, и крена в этом случае не будет при отрыве летательного аппарата от земли. Если a<0·а или a>а, то вылет с таким расположением центра масс запрещается, так как случайное попадание одной из стоек шасси в яму или на бугорок может накренить летательный аппарат на разбеге и привести к катастрофе. Если 0,5а<a<0,5а, то летчик должен быть готов парировать крен при отрыве летательного аппарата от земли.
1
1
1
1
1
1
1
1
При a<0·а и a>а на дисплее 9 загорается красный сигнал - вылет запрещается. Таким образом, перед вылетом летчик нажимает на дисплее соответствующую кнопку, чтобы узнать массу летательного аппарата и расположение его центра масс. Если М>m допустимое, l≤0·L или l≥L, a<0·а или a>а, то на дисплее загорается красный сигнал (по какой из названных причин, летчик определит по численному значению М, l, a. В остальных случаях значения этих величин высвечиваются другим (не красным) цветом, и летчик, находясь в кабине летательного аппарата, получает эту информацию. Затем он выключает дисплей (когда снимет с него эти показания).
Использование заявляемого изобретения позволяет летчику получить быстро информацию о массе летательного аппарата и расположении его центра масс, находясь в кабине экипажа, что делает вылет, дальнейший полет и посадку безопасными.
Источники информации
1. Основы конструкции самолетов / Под ред. Туркина К.Д. - М.: Военное издательство, 1974. - С 129.
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1015567 от 22.10.81 г.
3. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 1970. -С.117.
4. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - М.: Наука, 1989. - С.42, 51-53.