УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛЕТЧИКА В ВЫСОТНОМ ПОЛЕТЕ

Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике, а именно к системам автоматизированного контроля, управления и спасания летательного аппарата и экипажа.
Из существующего уровня техники известна бортовая активная система безопасности полетов (патент на изобретение RU №2223542, опубл. 10.02.2004 г.), содержащая блоки функциональных измерителей и измерения биомедицинских параметров, соединенные через блок приема и сбора информации с блоком анализа и управления, к которому подключен выходной блок, отличающаяся тем, что в нее введены соединенная с блоком анализа и управления электронно-вычислительная машина и соединенные с ней бортовая цифровая вычислительная машина, пульт управления системой, оптико-прицельный навигационный комплекс, система сигнализации о пожаре, связанная с электронно-вычислительной машиной система дистанционного управления, соединенные с блоком приема и сбора информации система контроля бортового радиоэлектронного оборудования, система оборудования общего назначения и система измерителей массы, соединенная с оптико-прицельным навигационным комплексом и электронно-вычислительной машиной система датчиков уровня топлива, при этом блок приема и сбора информации и выходной блок соединены с электронно-вычислительной машиной и бортовой цифровой вычислительной машиной, а оптико-прицельный навигационный комплекс и система сигнализации о пожаре соединены с входящей в состав выходного блока системой автоматического управления, причем система дистанционного управления связана с пультом управления системой.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение безопасности высотных полетов за счет прогнозирования работоспособности летчика и передачи прогнозной оценки в бортовую цифровую вычислительную машину летательного аппарата для учета при реализации управления им.
Решение технической задачи достигается тем, что устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете включает подключенные через блок приема и сбора информации к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата блоки: определения величины перепада давления в кабине, сбора информации о профиле полета, анализа исправности гермокабины, анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры, диагностики состояния комплекта кислородного оборудования - выходы которых подключены к входу блока расчета оценки работоспособности летчика, выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение безопасности высотных полетов за счет обеспечения прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете в реальном времени и возможности учета прогностических оценок в законах управления летательным аппаратом, системой обеспечения жизнедеятельности и защитным снаряжением его экипажа.
Сущность разработанного устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете поясняется фигурой (фиг. - Схема функциональной взаимосвязи компонентов устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете), на которой схематично обозначены:
1 - Бортовая система регистрации параметров полета летательного аппарата.
2 - Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете.
3 - Бортовая цифровая вычислительная машина.
4 - Блок приема и сбора информации.
5 - Блок анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры.
6 - Блок диагностики состояния комплекта кислородного оборудования.
7 - Блок определения величины перепада давления в кабине.
8 - Блок сбора информации о профиле полета.
9 - Блок анализа исправности гермокабины.
10 - Вычислитель.
11 - Блок расчета высоты полета.
12 - Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при исправной гермокабине.
13 - Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при неисправной гермокабине.
14 - Блок расчета концентрации кислорода.
15 - Блок расчета избыточного давления.
16 - Блок расчета трахеального давления.
17 - Блок расчета резервного времени сохранения работоспособности.
18 - Блок расчета оценки работоспособности летчика
Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете (см. фиг., 2), характеризующееся тем, что оно включает подключенные через блок приема и сбора информации (4) к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата (1) блоки: анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры (5), диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6), определения величины перепада давления в кабине (7), сбора информации о профиле полета (8), анализа исправности гермокабины (9) - выходы которых подключены к входу вычислителя (10), выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине (3) летательного аппарата.
Функционирование разработанного устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете заключается в следующем.
1) Вход устройства подключают к информационной шине бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата (1), а его выход - к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата (3).
2) Данные с информационной шины (1) поступают в блок приема и сбора информации (4) устройства.
3) На основе анализа поступивших данных блок анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры (5) формирует на выходе бинарный кортеж X, состоящий из трех элементов:
1
2
3
X=<x, x, x>,
1
2
2
3
где х= {1, если переключатель «100% О» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}, x= {1, если переключатель «Авария» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}, х= {1, если переключатель «ВУШ» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}.
4) На основе анализа поступивших данных блок диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6) формирует на выходе бинарный кортеж Y, состоящий из пяти элементов:
1
2
3
4
5
Y=<y, y, y, y, y>,
1
2
3
4
5
где y= {1, если зафиксировано событие «Отсутствует кислород» и 0 - в противном случае}, y= {1, если зафиксировано событие «Отказ кислородно-дыхательной аппаратуры» и 0 - в противном случае}, y= {1, если зафиксировано событие «Кислородная маска не подсоединена» и 0 - в противном случае}, y= {1, если зафиксировано событие «Компенсатор натяга кислородной маски не подсоединен» и 0 - в противном случае}, y= {1, если зафиксировано событие «Отказ высотного компенсирующего костюма» и 0 - в противном случае}.
5) На основе анализа поступивших данных блок определения величины перепада давления в кабине (7) формирует на выходе величину перепада давления в кабине летательного аппарата (Δp, Па).
6) На основе анализа поступивших данных блок сбора информации о профиле полета (8) формирует на выходе описание профиля полета летательного аппарата в виде последовательности пар: высота полета (ее, как правило, определяют с дискретностью 100 м) - время полета на этой высоте (в секундах).
7) На основе анализа поступивших данных блок анализа исправности гермокабины (9) формирует на выходе бинарный сигнал z={1, если зафиксировано событие «Гермокабина летательного аппарата исправна» и 0 - в противном случае}.
8) На основе информации с выходов блоков (5)-(9) вычислитель (10) осуществляет расчет оценки работоспособности.
n
9) Блок расчета высоты полета (11) осуществляет расчет величины атмосферного давления (р, Па) от текущей высоты полета (высоты над уровнем моря h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и р, Па с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:
,
i
i-1
i-1
n
i
где h и h - узлы интерполяции, a h≤h<h.
10) Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при исправной гермокабине (12) активируется при появлении на выходе блока анализа исправности гермокабины (9) сигнала z=1 и осуществляет расчет:
k
к
- «высоты» в кабине (h, м) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и h, м с учетом режима регуляции давления в гермокабине конкретного летательного аппарата, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:
,
i
i-1
i-1
n
i
где h и h - узлы интерполяции, a h≤h≤h.
к
к
- барометрического давления в кабине (р, Па) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и h, м с учетом режима регуляции давления в гермокабине конкретного летательного аппарата, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:
,
i
i-1
i-1
n
i
где h и h - узлы интерполяции, а h≤h<h.
12) Блок расчета концентрации кислорода (14) осуществляет расчет концентрации кислорода в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата (с, ед.) по формуле:
,
где c(h) - функциональная зависимость концентрации кислорода в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата (с, ед.) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения с, ед. и h, м, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:
,
i
i-1
i-1
n
i
где h и h - узлы интерполяции, h≤h<h.
ИД
13) Блок расчета избыточного давления (15) осуществляет расчет избыточного давления (р, Па) в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м):
ИД
ИД
ИД
5
где р(h) - функциональная зависимость избыточного давления (р, Па) в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата от высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения р, Па и h, м, учитывая исправность/неисправность высотного компенсирующего костюма (определяемую по значению сигнала y с выхода блока диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6)), с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:
,
i
i-1
i-1
n
i
где h и h - узлы интерполяции, a h≤h<h.
mp
Блок расчета трахеального давления (16) осуществляет расчет парциального давления кислорода в трахеальном воздухе (p, Па) по формуле:
mp
кабины
ИД
P=с(р-47+р).
мin
mod
max
mp
15) Блок расчета резервного времени сохранения работоспособности (17) осуществляет расчет минимального (t, с), модального (t, с) и максимального (t, с) значений резервного времени сохранения работоспособности по величине парциального давления кислорода в трахеальном воздухе (p, Па) по формулам:
,
,
.
min
mod
max
этaпa
16) Блок расчета оценки работоспособности летчика (18) осуществляет расчет вероятности потери работоспособности (w, ед.) по величинам минимального (t, с), модального (t, с) и максимального (t, с) значений резервного времени сохранения работоспособности и длительности этапа полета (t, с), получаемого с выхода блока блок сбора информации о профиле полета (8), на основе алгоритма кусочно-линейной интерполяции усеченного нормального распределения:
,
где Φ - функция Лапласа (таблица ее значений, являющаяся стандартной, хранится во внутренней памяти блока расчета оценки работоспособности летчика).
17) Рассчитанную оценку вероятности потери работоспособности (w, ед.) передают в бортовую цифровую вычислительную машину (3) для дальнейшего использования в законах управления летательным аппаратом и системой обеспечения жизнедеятельности его экипажа.
Таким образом, описанные элементы заявляемого устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете функционально взаимосвязаны и находятся в конструктивном единстве, а совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники. Поэтому, по мнению заявителей, заявляемое устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете представляет собой новое техническое решение, относящееся к классу систем автоматизированного контроля, управления и спасания летательного аппарата и экипажа.
Корректность разработанного подхода к прогнозированию работоспособности летчика в высотном полете подтверждена при решении нескольких задач в рамках исследований по гранту Российского фонда фундаментальных исследований «Исследования по совершенствованию технологий адаптивного управления человеко-машинными системами, эксплуатирующимися в условиях высокого риска развития гипоксических состояний оператора» (№12-08-01273-а).
В частности при расследовании катастрофы самолета Су-27п, выполнявшим полет после замены двух двигателей в простых метеоусловиях. В период с 15:49:17 по 15:51:51 (чч:мм:сс) полета на этапе «разгон Маха» произошла быстрая потеря работоспособности летчика. Причиной быстрого (в течение 1-1,5 мин) и выраженного нарушения работоспособности летчика, по-видимому, стало воздействие высотных факторов полета и, в первую очередь, выраженной степени кислородного голодания (гипоксии).
Причиной резкого снижения кислородного обеспечения могла быть взрывная декомпрессия, осложненная нештатной работой кислородного оборудования и высотного снаряжения. Однако, принимая во внимание тот факт, что летчик находился в защитном снаряжении (ВКК-6, ЗШ-7 и КМ-34Д серии 2), гарантирующем защиту от баротравмы легких и сохранение работоспособности в течение 3 мин при разгерметизации кабины этого типа летательных аппаратов (и, прежде всего, при взрывной декомпрессии) во всем диапазоне высот считалось, что наряду с фактором разгерметизации действовал и другой опасный фактор -нарушение правил эксплуатации защитного снаряжения и системы обеспечения жизнедеятельности. Возможные причины авиационного происшествия проанализированы с помощью математической модели заявляемого устройства, в результате чего, на основании рассчитанных прогностических оценок работоспособности летчика в высотном полете установлено, что кабина самолета была разгерметизирована (моделирование условий полета с герметичной кабиной показало, что величина парциального давления кислорода в трахеальном воздухе в течение полета остается в коридоре нормы и величина w остается равной нулю), а разрыв высотного компенсирующего костюма привел бы к катастрофе только в сочетании с какой-либо другой причиной, поскольку полет с негерметичной кабиной и разорванным высотным компенсирующим костюмом при отсутствии других повреждений системы обеспечения жизнедеятельности в рассматриваемых условиях не являлся опасным. Поэтому катастрофа произошла вследствие одной из следующих физиологически эквивалентных причин: негерметичное прилегание кислородной макси к лицу из-за ее смещения вследствие пилотажной перегрузки, неподсоединение штуцера кислородной маски и компенсатора натяга защитного шлема, выход из строя компенсированного клапана выдоха. Эти обстоятельства отражены в акте расследования катастрофы.
Если бы заявляемое устройство было установлено на борту летательного аппарата, то катастрофу можно было бы предотвратить, своевременно получив прогнозную оценку работоспособности летчика в полете, на основании которой дать сигнал летчику или обеспечить включение автопилота с автоматическим выводом самолета в горизонтальный полет на высоте 3000 м до восстановления работоспособности летчиком.
Заявляемое устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете является промышленно применимым, поскольку может быть реализовано предприятиями (организациями) авиационной промышленности при промышленном производстве информационно-измерительных, вычислительных, информационных систем и программно-аппаратных комплексов летательных аппаратов.