СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВИХРЕВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD FOR PROVISION OF AIRCRAFT FLIGHT VORTEX SAFETY

Предлагаемое изобретение относится к способам обеспечения безопасности эксплуатации летательных аппаратов и может быть использовано для информирования пилотов о попадании летательного аппарата (ЛА) в зону вихревого следа генератора вихрей.
Известен способ мониторинга окружающего пространства (см., например, "Система вихревой безопасности аэропортов", http://www.lsystems.ru/catalog/spec_systems/safety aeroport/ от 07.02.2011), включающий зондирование произвольно выбранного сектора обзора с помощью доплеровского лидара.
Данный способ обеспечивает возможность получения информации об интенсивности и динамике вихревых следов за летательным аппаратом генератором вихрей (ЛА-генератором), а также о пространственном распределении компонент скоростей ветра, интенсивности турбулентности в вихревых следах и о профиле скорости, однако при его применении определяют состояние атмосферы с возможными вихревыми следами в районе аэродрома от ЛА-генератора, а не опасность от вихревого следа ЛА-генератора непосредственно для ЛА-абонента.
Известен способ предотвращения попадания ЛА в вихревой след (см., например, Золотухин В.В. "Моделирование вихревых следов в задачах управления воздушным движением". Международный журнал "Программные продукты и системы", №1,2011 год), включающий в себя следующие этапы:
- получение от ЛА-генератора, попавшего в поле зрения ЛА-абонента полетных данных;
- расчет характеристик вихревого следа: время затухания, протяженность, высота опускания, размеры полуосей вихревого эллипса вихревого следа;
- получение данных о траектории движения за промежуток времени, равный расчетному времени затухания;
- проверка, остается ли ЛА-генератор в поле зрения. Если остается, то провести с ним обмен полетными данными, наблюдать за его вихревым следом (или его частью), находящимся в зоне видимости;
- если ЛА-генератор вне зоны видимости, проверить, исчез ли его вихревой след. Если исчез, алгоритм завершается;
- определение расчетом, приведет ли сохранение текущего курса к попаданию в вихревой след. Если не приведет, продолжить движение текущим курсом;
- проверка, попадет ли ЛА при текущем курсе в вихревой след, выполнить расчет размеров следа в точке пересечения к моменту пересечения. Если исчезнут, продолжить движение текущим курсом, итерация завершается;
- если при расчете выяснится, что вихри в точке пересечения не исчезают, следует выбрать оптимальный маневр, чтобы избежать попадания ЛА-абонента в вихревой след.
С помощью данного способа расчетом определяют размеры вихревого эллипса и его местоположение до момента затухания, и, если при этом ЛА-абонент попадает в рассчитанный вихревой эллипс, то ему предписывают выполнение необходимого маневра. Однако при оценке по этому способу опасности влияния вихревого следа возможны значительные погрешности определения расчетных размеров вихревого эллипса.
Наиболее близким аналогом-прототипом является способ предупреждения от возможного попадания ЛА в опасную зону вихревого следа (см., например, патент РФ №2324203 с приоритетом от 25.07.2003, МПК: G01S 13/95), включающий получение информации о конфигурации, местонахождении и ориентации ЛА относительно инерциальной системы координат в текущий момент времени, получение и сохранение информации о параметрах движения генератора вихрей (ГВ) и его положении, геометрических и массовых характеристиках относительно той же системы координат в текущий момент времени, получение информации о параметрах окружающей среды в области совместного размещения ЛА и ГВ, определение траектории и интенсивности вихревого следа ГВ как совокупности траекторий центров областей завихренности, генерируемых указанным ГВ, в инерциальной системе координат в текущий момент времени, сохранение информации о координатах точек траектории и интенсивности вихревого следа ГВ как совокупности траекторий центров областей завихренности в инерциальной системе координат, выбор времени упреждения, в течение которого ЛА может, по меньшей мере, выполнить маневр изменения траектории полета, обеспечивающий уклонение ЛА от вихревого следа ГВ после предупреждения о возможности попадания в него, вычисление упреждающего расстояния, равного расстоянию, преодолеваемому ЛА за время упреждения, моделируют контрольную плоскость, расположенную в пространстве перед ЛА, и определяют прогнозируемый момент времени полета ЛА через указанную контрольную плоскость в инерциальной системе координат, а также осуществляют для пользователя индикацию события равенства нулю расстояния до опасной зоны вихревого следа указанного ГВ.
Данный известный способ обеспечивает информирование пользователя о возможности опасной ситуации, однако точность нахождения координат выделенной опасной вихревой зоны и соответственно вероятность попадания в нее ЛА определяется точностью расчета характеристик опасной зоны без подтверждения фактическими измерениями.
Кроме этого, для реализации данного метода потребуется установка дорогостоящих лидаров на каждый ЛА и создание объединенных в единую информационную систему систем, размещенных на ЛА, кораблях, аэродромах, пунктах управления воздушным движением и т.д., что сопряжено с необходимостью значительных финансовых затрат и в ряде случаев нецелесообразно.
Задача изобретения состоит в разработке высокоточного способа обеспечения вихревой безопасности полета ЛА за счет получения информации о параметрах вихревого следа перед ЛА-абонентом непосредственно его бортовой системой измерений, что с момента проявления первых признаков наличия вихревых образований перед ЛА-абонентом позволит предупредить пилотов об опасности попадания в вихревой след ЛА-генератора вихрей и, используя экспериментально полученные данные и информацию от ЛА-генератора вихрей, определить наибольшее значение ожидаемой величины действующего на ЛА-абонент возмущающего момента крена М и внести с его учетом коррективы в систему управления ЛА-абонентом.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе обеспечения вихревой безопасности полета, включающем передачу ЛА-генератором вихревого следа информации о создаваемом им вихревом следе, скорости полета, координатах, времени передачи путем радиосвязи "борт-борт" в радиовещательном режиме и/или в режиме "точка-точка" и последующий прием этой информации ЛА-абонентом или ЛА-абонентами, соответствующий ЛА-абонент производит текущие, соответствующие параметрам приходящего к нему вихревого следа от ЛА-генератора вихревого следа расчеты величины действующего на него возмущающего момента крена и измерения вихревой обстановки перед ЛА-абонентом, по результатам которых также проводит расчеты возмущающего момента крена, а затем производит сравнение величин возмущающего момента крена, рассчитанных по результатам этих измерений, с величинами возмущающего момента крена, полученных расчетом на основании переданной информации с ЛА-генератора вихревого следа, при этом требуемые для определения вихревой обстановки перед ЛА-абонентом данные получают путем измерений с помощью датчиков статического давления, устанавливаемых в передних "критических" точках его крыльев, причем наибольшее из вычисленных значений возмущающего момента крена выбирают как ожидаемое воздействие вихревого следа на ЛА-абонент и выбранную величину в качестве корректирующей вводят в систему управления ЛА-абонента.
1
1
При этом рассчитываемые величины, характеризующие создаваемый ЛА-генератором вихревого следа вихревой след - тангенциальную скорость , статическое давление P, а также величину возмущающего момента крена M, действующего при этом на крыло ЛА-абонента, вычисляют из соотношений:
где:
2
- изменение циркуляции, [м/с];
2
- начальная циркуляция, [м/с];
m - масса ЛА-генератора вихревого следа, [кг];
2
g - ускорение свободного падения, [м/с];
1
3
ρ - плотность атмосферного воздуха в зоне нахождения ЛА-генератора вихревого следа, [кг/м];
1
L - размах крыла ЛА-генератора вихревого следа, [м];
- скорость полета ЛА-генератора вихревого следа, [м/с];
2
γ=0,82q/l, [м/с];
q - турбулентность, [м/с];
- расстояние между вихрями ЛА-генератора вихревого следа, [м];
r - радиус вихря от ЛА-генератора вихревого следа, [м];
- радиус ядра вихря от ЛА-генератора вихревого следа, [м];
- начальный радиус ядра вихря от ЛА-генератора вихревого следа, [м];
- турбулентная вязкость этого вихря;
1
ν - турбулентная вязкость атмосферного воздуха;
b - хорда крыла ЛА-абонента, [м];
- скорость полета ЛА-абонента, [м/с];
2
3
ρ - плотность атмосферного воздуха в зоне нахождения ЛА-абонента, [кг/м];
2
L - размах крыла ЛА-абонента, [м];
z - координата, [м]; t - время, [сек],
2
а тангенциальную скорость вихря  и величину действующего на крыло ЛА-абонента возмущающего момента крена М определяют из соотношений:
2
где Р - измеряемое статическое давление, а остальные обозначения соответствуют указанным ранее.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности эксплуатации ЛА в полете за счет высокоточного получения информации о параметрах вихревого следа перед ЛА-абонентом непосредственно его бортовой системой измерений, оповещения в режиме реального времени о попадании соответствующего ЛА-абонента в зону вихревого воздействия ЛА-генератора вихревого следа и учета влияния этого воздействия в виде возмущающего момента крена.
На фиг.1 представлена диаграмма изменения статического давления (разрежения), образующегося за обтекаемым телом вихря от максимального (в центре вихря) до атмосферного (на краю вихря) с уменьшением по мере увеличения расстояния от источника, на фиг.2 показана картина взаимодействия вихревого следа от ЛА-генератора вихревого следа с набегающим потоком у ЛА-абонента, на фиг.3 представлена схема элементов поверхности крыла ЛА, встречающими набегающий поток первыми, по сравнению с другими элементами поверхности ЛА.
При полете в атмосфере ЛА создает вихревой след, который может представлять опасность для других воздушных судов. Так, по данным В.В.Вышинского, А.Л.Стасенко, опубликованным в статье «Физические модели, численные и экспериментальные исследования аспектов авиационной экологии и безопасности полетов» Труды МФТИ, 2009, том 1 №3Б, в летном эксперименте при полете самолета A310 со скоростью 230 м/с на расстоянии 7500 метров за ним, статическое давление составило 3650 Па, при этом тангенциальная скорость вихря, подсчитанная по формуле  равна 32 м/с, в связи с чем появляется возмущающий момент крена. Появление возмущающего момента крена фиксируется на борту ЛА и в систему управления подается сигнал на изменение режимов работы силовой установки и механизации крыла. Например, если не происходит изменение высоты, то парирование момента крена осуществляется увеличением оборотов одного из двигателей до компенсации появившегося момента крена. Как показано в отчете ФГУП "ГосНИИАС" "Моделирование теплообмена в неоднородном турбулентном потоке", образующийся за обтекаемым телом вихрь имеет статическое давление (разрежение), изменяющееся от максимального (в центре вихря) до атмосферного (на краю вихря) с уменьшением по мере увеличения расстояния от источника (фиг.1).
Вихревой след от ЛА-генератора вихревого следа, имеющий области пониженного давления, "подходит" к ЛА-абоненту (фиг.2), взаимодействует с набегающим потоком, вследствие чего изменяются его аэродинамические характеристики, и может появиться возмущающий момент крена. Степень изменения аэродинамических характеристик и величина возмущающего момента крена зависит от условий полета, геометрических и весовых характеристик ЛА, состояния атмосферы.
Предлагаемый способ обеспечения вихревой безопасности полета ЛА решает эту проблему за счет информирования экипажа ЛА-абонента о попадании в вихревой след от ЛА-генератора на основании информации от ЛА-генератора вихревого следа и выполнения на борту ЛА-абонента измерений статического давления в передних "критических" точках (фиг.3) в режиме реального времени. При этом все ЛА в полете, в режиме реального времени осуществляют дискретные измерения статического давления Р в передних "критических" точках с помощью, например, приемников статического давления (см., например, Испытания и обеспечение надежности авиационных двигателей и энергетических установок / Под ред. И.И.Онищика: Учебник для вузов. - Издание второе, исправленное и дополненное. - М.: Изд-во МАИ, 2004, с.68), и, если установлено наличие понижения давления по сравнению с давлением окружающей атмосферы, то это свидетельствует о попадании в вихревое образование.
∑
i
∑
i
∑
4
4
1
3
Передние "критические" точки - это элементы поверхности ЛА, первыми по сравнению с другими элементами поверхности ЛА встречающие набегающий поток. Количество передних "критических" точек ЛА-абонента, где необходимо измерение статического давления для оценки факта попадания в вихревой след, определяется для каждого ЛА в зависимости от его геометрических и летно-технических характеристик, например, следующим образом. Поверхности крыльев ЛА разделяются на n участков, подъемная сила каждого из которых одинакова и равна , где F - суммарная подъемная сила. Принимаем, что F это такая часть F, которая может компенсироваться системой автоматического управления ЛА. Как правило, F=0,2F. Тогда n=5 и, следовательно, (фиг.3) . Чтобы обоснованно определить наличие вихревого следа на длине С, необходимо выполнить не менее двух измерений в точках / С и /С (фиг.3).
1
2
1
2
При этом заинтересованные пользователи воздушного пространства осуществляют радиосвязь "борт-борт": каждый ЛА-генератор вихревого следа по радиовещательному каналу многостанционного доступа и/или по радиосвязи "точка-точка" передает информацию о своих параметрах и условиях полета, а ЛА-абонент принимает эту информацию, выполняет расчет тангенциальной скорости  давления  и также выполняет расчет возмущающего момента крена M по этой информации, а на основании экспериментов осуществляет расчетную оценку возмущающего момента крена М, после чего производит сравнение значений M и М, и выбирают наибольшее из этих значений, определяя по нему ожидаемое воздействие вихревого следа на конструкцию ЛА-абонента, причем выбранную величину в качестве корректирующей вводит в систему управления своего самолета.