СПОСОБ ИНДИКАЦИИ ТЕКУЩЕЙ И ПРОГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ВОЗДУШНОЙ ДОЗАПРАВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD FOR DISPLAYING CURRENT AND PROGNOSTIC INFORMATION DURING AIR REFUELING OF AIRCRAFTS

Изобретение относится к области авиации, в частности к дозаправке топливом летательных аппаратов (ЛА) в полете.
Уровень техники
При дозаправке самолета в полете необходимо обеспечить как успешную дозаправку, так и безопасность полета.
Ключевым является вопрос безопасности. Основными факторами, влияющими на безопасность, при дозаправке являются: попадание ЛА (далее ЛА-абонент) в опасные зоны вихревых следов генераторов вихрей ЛА-заправщика, точность воздушной навигации, выброс топлива и попадание его в двигатель, а также метеоусловия - ветер, сдвиг ветра, стратификация, турбулентность и др. Каждый из этих факторов может привести к катастрофе. Наиболее важным фактором безопасности при дозаправке является вихревая безопасность.
Для осуществления потенциальной возможности оптимизации безопасных расстояний между летательными аппаратами в процессе заправки, является выбор режимов полета, обеспечивающих заданный уровень безопасности. В настоящее время для решения задачи дозаправки пилоту предоставляется информация о положении вихревого следа и о положении ЛА-абонента и относительного положения ЛА-заправщика относительно него в прогнозируемый момент времени.
Перспективным путем повышения безопасности полета является представление пилоту в реальном масштабе времени информации о прогнозируемом положении вихревых следов, попадание в которые может привести к летному происшествию. Так, известна система предупреждения о турбулентности следа, предназначенная для размещения на борту летательных аппаратов, предусматривающая информирование экипажа ЛА-абонента о потенциальном входе в вихревой след другого ЛА только тогда, когда система определит, что вход указанного ЛА вихревой след произойдет через определенный промежуток времени (Patent US 6177888 B1, 08.09.1999).
Система обеспечивает индикацию о близости к объему вихревого следа, когда расстояние или время до такого входа становится меньше заданного порога. При этом ширину и высоту объема вихревого следа вычисляют в каждой точке из множества точек вдоль траектории вихревого следа в виде функции расстояния между ЛА.
Известен способ и устройство создания визуальных отображений вихревых следов путем математического моделирования их на основе характеристик ЛА, генерирующего вихревой след, с учетом влияния атмосферных условий, в частности скорости и направлению ветра, температуре воздуха, в выверке полученных данных со справочной таблицей или моделировании вихревого следа с визуализацией положения и его траектории относительно ЛА-заправщика, на состояние вихревого следа (Patent US 5845874 А, 29.10.1996). При этом в устройстве использован быстрореагирующий дисплей, на котором осуществляют визуализацию смоделированных вихревых следов от каждого ЛА, находящегося вблизи указанного ЛА-абонента.
В патенте RU 2477893 С1, 30.09.2011 представлен способ обеспечения вихревой безопасности полета летательного аппарата. Способ включает передачу ЛА-заправщиком информации о создаваемым вихревом следе, скорости полета, координатах, времени передачи путем радиосвязи «борт-борт» и последующий прием этой информации ЛА- абонентом, при этом ЛА-абонент производит текущие, соответствующие параметрам приходящего к нему вихревого следа от ЛА-заправщика расчеты величины действующего на него возмущающего момента крена и измерения вихревой обстановки перед ЛА- абонентом, проводит расчеты возмущающего момента крена, проводит сравнение величин возмущающего момента крена, рассчитанных по результатам этих измерений, с величинами возмущающего момента крена, полученных расчетом на основании переданной информации ЛА-заправщиком, при этом требуемые для определения вихревой обстановки перед ЛА-абонентом данные получают путем измерений с помощью датчиков статического давления, устанавливаемых на «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. В изобретении вопрос отображения информации вихревой безопасности для ЛА-абонента не обсуждается.
В патенте «Способ обеспечения безопасности заправки топливом в полете и устройство для его осуществления» (патент RU 2575301 С1, 18.08.2014) для безопасности заправки топливам в полете перед подачей топлива через заправочную штангу с воронкой на самолете выдвигают турбулизаторы для интенсивного перемешивания потока воздуха и топлива в случае его утечки. Устройство обеспечения безопасности содержит турбулизаторы с высотой, выступающей за пограничный слой на высоту не более трети расстояния между поверхностью самолета и нижней кромкой воздухозаборника двигателя, установленные в зоне максимальных скоростей на пути вероятного разлива топлива. Вопросы индикации не обсуждаются.
Наиболее близким к заявляемому является «Способ и система предупреждения о возможности попадания летательного аппарата в опасную зону вихревого следа генератора вихрей» (патент RU 2324203 С2, 25.07.2003), где представлены способ и система предупреждения о возможности попадания летательного аппарата в опасную зону вихревого следа генератора вихрей. Способ заключается в предупреждении пользователя о предполагаемом попадании ЛА-абонента в опасные зоны вихревых следов генераторов вихрей. Система включает анализ окружающей ЛА-абонент среды, определение траектории и интенсивность вихревых следов генераторов вихрей, находящихся в окрестности ЛА-абонента, координат точек пересечения вихревых следов с контрольной плоскостью и геометрических параметров их опасных зон на основе заданного пользователем критерия опасности. Смоделированная контрольная плоскость расположена на упреждающем расстоянии в направлении движения ЛА-абонента, рассчитанного на основе выбранного времени упреждения, достаточного для совершения ЛА-абонентом уклоняющего маневра. При этом система формирует в контрольной плоскости область повышенного внимания, область прогнозируемых положений ЛА-абонента и опасные зоны вихревых следов в прогнозируемый момент времени. Далее она отслеживает события пересечения области повышенного внимания и/или области прогнозируемых положений ЛА-абонента с опасными зонами вихревых следов и с помощью устройств индикации и устройства визуализации обеспечивает привлечение внимания пользователя к этому событию.
Однако, необходимо отметить, что в рассмотренных патентах не рассматривается индикация во время дозаправки при одновременном учете безопасности и точности воздушной навигации, т.е. обеспечения факта стыковки заправочных узлов.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение заключается в повышении безопасности при дозаправке ЛА за счет расчета и отображения не только текущей, но и прогностической информации об относительном движении воронки шланга ЛА-заправщика и конца заправочной штанги ЛА-абонента при воздушной дозаправке летательного аппарата.
В настоящей заявке на изобретение предлагаются расчет и индикация основных управляющих параметров при решении задачи управления ЛА-абонентом на режиме воздушной дозаправки. Ручное управление ЛА-абонента на режиме воздушной дозаправки в условиях вихревого воздействия возможно с использованием индикации о текущей и прогностической полетной информации, индикации текущего и требуемого положений воронки ЛА-заправщика, линии прогнозируемых требуемых положений (ЛПТП) воронки с учетом движения обоих самолетов, индикации прогнозируемых боковой и вертикальной ошибок управления самолетом в процессе выведения его в состояние дозаправки и в процессе дозаправки.
На пилотажном информационном кадре многофункционального индикатора (МФЦИ) предполагается индицировать текущую и прогностическую информацию, в предположении, что точка наблюдения находится в центре массы ЛА-абонента.
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлена схема индикации текущей и прогностической информации в процессе воздушной дозаправки летательного аппарата, где:
1 - точка положения воронки шланга ЛА-заправщика в данный момент времени t;
2 - прицельная марка, индицирующая требуемое угловое положение воронки в данный момент времени t;
3 - ЛПТП воронки ЛА-заправщика (при нахождении ЛА-абонента вне области наименьшего вихревого воздействия в п точках ЛПТП отображаются линиями со стрелками величины возможного вихревого воздействия);
4 - расчетная область наименьшего вихревого воздействия, создаваемого ЛА-заправщиком;
5 - вертикальная линия, исходящая из конца ЛПТП, индицирующая разность высот прогнозируемых положений штанги и воронки;
6 - силуэт самолета («авиагоризонт»).
На индикаторе целесообразно дополнительно наглядно индицировать скорость сближения летательных аппаратов, величину и направление скоростей изменения относительного положения воронки и штанги в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Задача управления ЛА-абонентом при дозаправке в полете относится к категории сложных задач управления. Эта задача дополнительно усложняется наличием интенсивного вихревого воздействия со стороны ЛА-заправщика. Вихревое воздействие приводит к созданию аэродинамических моментов крена и дополнительной подъемной силы различного знака.
Для обеспечения безопасной дозаправки в полете необходимо повышение уровня автоматизации процесса управления ЛА-абонентом.
Задача дозаправки идентична задаче прицеливания. Поэтому для решения задачи управления ЛА-абонентом при дозаправке эффективное применение могут найти интерактивные методы управления ЛА при прицеливании по воздушным целям, изложенная в: Моисеев А.Г. Концепция оптимальной автоматизации и интерактивные системы управления. Тезисы докладов III конгресса «Информационные коммуникации, сети, системы и технологии», Международный форум информатизации. М., 1993.
Повышение уровня автоматизации решения задачи дозаправки может быть достигнуто за счет:
- формирования прогностической информации о будущем движении ЛА-абонента относительно ЛА-заправщика с индикацией зоны минимального (внутри обозначенного на рисунке прямоугольника) и опасного (вне обозначенного на рисунке прямоугольника) ожидаемого вихревого воздействия;
- автоматизации управления по выведению ЛА-абонента в условия дозаправки, выполнению дозаправки и парированию (действия, направленные на непопадание в опасную зону) вихревого воздействия на основе расчетной и измерительной информации.
Для решения задачи ручного интерактивного управления объектом с использованием индикации текущей и прогностической информации необходимо:
- определение на основе инструментальной информации текущих координат местоположения заправочной воронки;
- расчет на основании данных межсамолетной навигации и прием / передача параметров области воздушных вихревых потоков (ОВВП);
k
k
- решение в ускоренном масштабе прогнозируемого времени  (t - текущий момент времени, τ - конечный момент времени прогноза) дифференциальных уравнений движения конца заправочной штанги заправляемого ЛА с учетом рассчитываемых вдоль прогнозируемой траектории ЛА-абонента аэродинамических сил и моментов, действующих на него в ОВВП, создаваемой ЛА-заправщиком, и уравнений движения воронки ЛА-заправщика (τ соответствует моменту попадания прогнозируемого положения штанги ЛА-абонента в картинную плоскость воронки заправщика);
- определение в i-ых временных точках прогнозируемого времени τ  прогнозируемого радиус-вектора  соединяющего прогнозируемое положение воронки ЛА-заправщика с прогнозируемым положением конца штанги ЛА-абонента;
g
g
g
- определение относительных линейных координат  - проекции вектора дальности  воронки соответственно на оси ox, oy, oz нормальной «g» системы координат), радиус-вектора  соединяющего положение в момент времени t центра масс ЛА-абонента с i-той точкой ЛПТП воронки;
- преобразование вектора  из нормальной «g» в связанную «1» систему координат;
- определение угловых координат , точек ЛПТП;
- формирование на индикаторе по n рассчитанным значениям  ЛПТП;
- формирование в каждой i-ой точке ЛПТП индикации (дугами со стрелками) величин возможного кренения ЛА-абонента вихревым потоком, создаваемым впереди летящим ЛА-заправщиком;
- формирование индикации прицельной марки - требуемого положения заправочной воронки для текущего момента времени t;
k
- формирование индикации вертикальной линии, исходящей из конца ЛПТП, имеющей длину равную разности высот прогнозируемых положений (при τ=τ) воронки ЛА-заправщика и конца штанги ЛА-абонента.
Изобретение осуществляется путем реализации летчиком интерактивного «ручного» управления дозаправкой в полете в соответствии со схемой, приведенной на рисунке:
1. В обеспечении путем управления ЛА-абонентом расположения изображения фактического положения воронки заправщика 1, прицельной марки 2 и ЛПТП 3 в области 4 - минимального возмущающего воздействия, создаваемого ЛА-заправщиком.
2. В наложении линии 5, путем бокового управления ЛА-абонентом, на воронку 1 шланга ЛА-заправщика, иначе в устранение боковой ошибки ЛА-абонента по отношению к ЛА-заправщику (при идеальном совмещении линии 5 и воронки 1 летчик в поле зрения видит воронку 1 и прицельную марку 2, соединенные между собой прямой линией).
3. В перемещении, путем управления ЛА-абонентом по высоте, воронки 1 по линии 5 в направлении конца ЛПТП 3 (в момент соединения воронки 1 с концом ЛПТП 3 прицельная марка 2 в поле зрения летчика сливается с концом ЛПТП 2 и тем самым воронка 1 сливается с прицельной маркой 2 и поэтому в случае отсутствия боковой ошибки для летчика - это равносильно наложению прицельной марки 2 на воронку 1).
4. В удержании прицельной марки 1 на воронке 2 (так чтобы не видны были линии 5 и 3) с одновременным сближением и с последующим (после стыковки в момент τ=0 воронки с концом штанги) выравнивании скоростей обоих ЛА в процессе заправки. В том случае, когда в процессе такого удержания становятся видны две линии 5 и 3, что означает наличие боковой ошибки, необходимо вновь устранить ее путем наложения линии 5 на воронку 1, если видна одна линия, соединяющая воронку 1 и прицельную марку 2, что означает наличие ошибки по высоте, необходимо устранить эту ошибку путем совмещения по этой линии воронки 1 и марки 2.
Наличие дополнительной индикации информации о скорости сближения, о величинах и направлениях скоростей изменения относительного положения воронки и штанги в вертикальной и горизонтальной плоскостях, сделает процесс дозаправки еще более удобным.
Текущую измерительную информацию целесообразно использовать для коррекции расчетной информации о размерах и положении области 4 минимального возмущающего вихревого воздействия, создаваемого ЛА-заправщиком и для автоматического демпфирования этого воздействия.
Основной отличительный признак предлагаемой индикации от существующей заключается в расчете и отображении не только фактической, но и прогностической информации об относительном движении воронки шланга ЛА-заправщика при воздушной дозаправке ЛА.
В качестве изобретения предъявляется система индикации текущей и прогностической информации о движении воронки шланга ЛА-заправщика относительно конца заправочной штанги ЛА-абонента при воздушной дозаправке ЛА.
Изобретение позволяет летчику на основе индикации прогностической информации предвидеть результат его управляющих действий (при управлении ЛА-абонентом) на процесс безопасного для ЛА-абонента (от вихревого воздействия ЛА-заправщика) сближения заправочного штыря и воронки заправщика, а также на процесс самой дозаправки.
Технический результат заключается в обеспечении индикации, строящейся на основе расчета прогностической информации об относительном движении воронки шланга ЛА-заправщика при воздушной дозаправке ЛА.