Моделирование на пилотажных стендах информационных кадров для исследования динамики самолета на больших углах атаки

УДК 629.7.015.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ПИЛОТАЖНЫХ СТЕНДАХ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАДРОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ САМОЛЕТА НА БОЛЬШИХ УГЛАХ АТАКИ

Ю.Б. ДУБОВ, В.И. ЖЕЛОНКИН

Статья представлена доктором технических наук Бюшгенсом А.Г.

Излагается методика отработки на пилотажном стенде с использованием метода эргономической экспертной оценки информационных кадров, предназначенных для исследования специальных режимов, отличительным признаком которых является реализация углов атаки и скольжения в широком диапазоне их изменения.

Ключевые слова: пилотажный стенд, моделирование, большие углы атаки, информационная модель.

В процессе своей деятельности летчик взаимодействует с самолетом и его оборудованием с помощью средств информации и управления. Главным источником сведений, на основе которых летчик формирует образ полета, планирует и осуществляет двигательные воздействия, является информационная модель, представляющая собой множество упорядоченных в соответствии с определенной системой правил сигналов, генерируемых средствами отображения информации. Необходимо, чтобы информационная модель удовлетворяла трем основным требованиям:

- по содержанию - адекватно и с необходимой полнотой отображать объекты управления (контроля) и окружающую среду;

- по количеству информации - не приводить ни к информационному дефициту, ни к перегрузке;

- по оформлению и компоновке - соответствовать задачам и возможностям летчика по управлению самолетом.

Совокупность технических средств, обеспечивающих представление летчику информации, составляет систему отображения информации (СОИ).

СОИ, органы управления и элементы арматуры кабины самолета представляют собой информационно-управляющее поле (ИУП) кабины.

Совокупность буквенно-цифровой информации, выводимой на электронный индикатор, называется информационным кадром (ИК).

Информационные кадры подразделяются на информационные кадры для индикатора на лобовом стекле (ИЛС) и информационные кадры для многофункциональных индикаторов (МФИ).

В данной работе подробно рассмотрены пилотажные информационные кадры ИЛС и МФИ, предназначенные для обеспечения летчика всей необходимой информацией для выполнения визуального пилотирования и пилотирования по приборам на режимах полета с большими углами атаки, включая критические режимы.

ИЛС и МФИ. Методика отработки информационных кадров

ИЛС представляет собой специальный полупрозрачный экран, устанавливаемый перед передней частью остекления кабины на уровне головы летчика (рис. 1), на который проецируется с помощью специальной оптики информация о параметрах движения самолета, формируемая на электронно-лучевой трубке.

ИЛС обеспечивает возможность летчику сосредоточить внимание на обзоре внекабинного пространства с одновременным наблюдением нужных параметров.

Рис. 1. Индикатор на лобовом стекле Рис 2 Пример системы отофажетя

информации смешанного типа

Разрабатываемые пилотажно-навигационные комплексы с экранными системами отображения информации наряду с ИЛС содержат и МФИ. Многофункциональными данные индикаторы называются потому, что каждый индикатор может выполнять выборочно роль пилотажного индикатора, индикатора обстановки в горизонтальной плоскости, тактического индикатора, индикатора контроля состояния бортовых систем и т.д.

В МФИ, как и на привычных электромеханических приборах, используется параметрический, условный принцип представления информации. Для индикации пилотажных параметров широко применяются и счетчики.

На рис. 2 представлен пример СОИ смешанного типа с двумя экранными индикаторами размером 8" х 6".

Отработка информационных кадров на пилотажном стенде осуществляется посредством оценки динамических параметров движения и с использованием методов эргономической экспертной оценки.

Для перевода качественной оценки мнения эксперта в количественные показатели используются так называемые таблицы эмоциональной оценки (ТЭО), одна из которых [1] приведена в табл. 1.

Процесс получения данной оценки следующий. Вначале составляется так называемая "Анкета-вопросник", содержащая вопросы по индикации в целом и по отдельным ее элементам. Далее, после выполнения задачи, летчик-оператор отвечает на поставленные вопросы, используя таблицу ТЭО.

Для моделирования и отработки на пилотажных стендах информационных кадров для бортовых электронных МФИ была разработана специальная диалоговая графическая система SEGAMBIS [2]. С использованием этой системы и методики, изложенной выше, было создано три информационных кадра, сформированных в процессе проведения работ на пилотажных стендах по отработке специальных режимов [3; 4] с возможностью реализации углов атаки и скольжения в широком диапазоне их изменения: 180° £ a £ +180°, -90° £ b £ +90°.

При создании пилотажного кадра для ИЛС за основу был взят информационный кадр, используемый на стандартных пилотажно-навигационных режимах (рис. 3).

Затем на информационный кадр индикатора на лобовом стекле была добавлена информация об угле атаки и векторе скорости (рис. 4).

Для отображения угла атаки вводится круговая шкала с вращающимся символом самолета и подвижной дугой типа "градусник".

Таблица 1

Рис. 4. Модифицированный ИЛС

Рис. 3. ИЛС, используемый для стандартного пилотажно-навигационного режима

На рис. 3, 4 приведены следующие обозначения:

1 - неподвижный индекс; 2 - шкала угла тангажа, подвижная по вертикали (обратная индикация); 3 - шкала угла курса, горизонтальная, подвижная; 4 - неподвижный отсчетный индекс шкалы курса; 5 - приборная скорость, км/ч; 6 - вертикальная скорость, м/с; 7 - стрелочный индикатор вертикальной скорости; 8 - высота, м; 9 - признак индицируемой высоты - радио (р) или

барометрическая; 10 - моноиндекс вектора скорости, отклонение индекса вектора скорости от неподвижного индекса ИЛСа по вертикали индицирует угол атаки (положительный - вниз), по горизонтали - угол сноса, поворот индекса относительно его центра индицирует угол крена;

11 - уголковый моноиндекс индикатора продольной перегрузки (отклонение вершины треугольника перпендикулярно горизонтальной составляющей индекса вектора скорости) и боковой перегрузки (отклонение вершины треугольника параллельно горизонтальной составляющей вектора скорости); 12 - указатель угла атаки; 13 - шкала указателя угла атаки; 14 - метка внешнего объекта, отклонение метки по вертикали от неподвижного индекса индицирует угол места, по горизонтали - угол азимута; 15 - индикация дальности до пункта маршрута, км; 16 - угол атаки, град.

Элемент "вектор скорости" вводится в виде стилизованного изображения самолета (вид сзади) и имеет три степени подвижности: по вертикали и горизонтали для отображения угла атаки и угла сноса в натуральном масштабе относительно внешнего пространства, и по углу крена. Символ "вектора скорости" содержит также дополнительный элемент в виде подвижного треугольника с основанием по крыльям символа самолета и подвижной вершиной треугольника. Вершина треугольника имеет две степени подвижности: по вертикали и горизонтали относительно основания треугольника. По вертикали отображается информация о нормальной перегрузке или угловой скорости тангажа (по минимаксному закону), по горизонтали - информация о боковой перегрузке или угловой скорости рысканья.

Информационный кадр на МФИ (рис. 5) представляет собой вариант так называемой образной индикации, предназначенной для более быстрого и полного восприятия пространственного положения самолета и выработки оптимального способа управления на больших углах атаки и малых скоростях полета.

На рис. 5 приведены следующие обозначения:

1 - приборная скорость Упр, км/ч; 2 - неподвижная круговая шкала угла атаки и угла наклона траектории; 3 - неподвижная вертикальная линейная шкала нормальной перегрузки; 4 -стрелочный указатель нормальной перегрузки, положительная - вверх; 5 - подвижная горизонтальная шкала угла курса, положительный - влево; 6 - неподвижный отсчетный индекс угла курса; 7 - метка внешнего объекта, отклонение метки от центра индикатора по вертикали индицирует угол места (положительный-вверх), по горизонтали - угол азимута; 8 - дальность до внешнего объекта, км; 9 - неподвижная вертикальная линейная шкала угла места внешнего объекта и угла тангажа индекса вектора скорости; 10 - неподвижная горизонтальная линейная шкала угла азимута внешнего объекта и угла сноса индекса вектора скорости; 11 - угол атаки, град;

12 - подвижный индекс угла атаки, положительный - против часовой стрелки; 13 - круговая неподвижная шкала угла атаки, град; 14 - вектор, индицирующий угол атаки относительно угла наклона

27}

Рис. 5. МФИ. Вариант образной индикации

траектории, положительное отклонение - против часовой стрелки; 15 - значение высоты (радио или барометрической), м; 16 - подвижный по радиусу указатель Vпр, км/ч, на конце указателя индицируется в виде скобы признак скоростного крена (скоба против часовой стрелки - положительный, по часовой - отрицательный); 17 - вектор с нанесенной шкалой Vпp, км/ч, индицирующий угол наклона траектории, положительное отклонение - против часовой стрелки; 18 - неподвижная вертикальная линейная шкала вертикальной скорости, м/с; 19 - вертикальная скорость Vy, м/с, перемещается по вертикали вместе с подвижным стрелочным указателем вертикальной скорости; 20 - подвижный стрелочный указатель положительная - вверх; 21 - подвижный индекс вектора скорости, отклонение индекса по вертикали относительно центра индикатора индицирует угол тангажа (положительный - вверх от центра индикатора), отклонение индекса по горизонтали относительно центра индикатора индицирует угол сноса, поворот индекса относительно его центра индицирует угол связанного крена.

Третий информационный кадр на МФИ (рис. 6) предназначен для отображения пространственного положения самолета на основе его 3-мерного стилизованного изображения.

Данный способ реализует "обратный" способ отображения пространственного положения самолета - вид с земли на самолет.

На рис. 7 для сравнения дан используемый в России способ отображения пространственного положения самолета, который также называется "обратным", но более правильно его называть комбинированным: подвижный силуэт самолета по крену и подвижная шкала тангажа.

Рис. 6. "Обратный" вид с земли на самолет

Рис. 7. Комбинированный способ отображения углов тангажа и крена

Отработка всех трех информационных кадров проводилась по идентичной методике, описанной выше. В качестве примера остановимся на апробации 3-го кадра. Эксперименты по его отработке выполнялись на неподвижном пилотажном стенде ЦАГИ ПС-10М (рис. 8), представляющем собой исследовательскую установку и предназначенную для решения различных задач динамики полета с участием летчика-оператора, в том числе для исследования режимов больших углов атаки, сваливания, штопора и др.

В состав пилотажного стенда ПС-10М входит: вычислительный комплекс, состоящий из универсальных персональных компьютеров; рабочее место оператора или летчика, представляющее собой макет кабины самолета; реальный пост управления с изменяемой загрузкой рычагов управления; широкоугольная многоканальная проекционная система визуализации, обеспечивающая практически круговой обзор; устройство сопряжения оборудования.

В процессе экспериментов на стенде летчики для каждого из режимов полета давали оценки для исследуемых типов индикации. По окончании эксперимента они заполняли анкету-вопросник, пример которой для рассматриваемого случая дается в табл. 1.

Таблица 1

Анкета - вопросник по сравнительной оценке штатного и опытного принципов индикации пространственного положения самолета

1. Ваше мнение о наглядности индикации крена. Дайте оценку по шкале ТЭО. Испытывали ли Вы затруднения? По какой причине?

а) в определении направления крена (правый, левый). Укажите, да или нет;

б) в считывании количественных значений углов крена. Если да, то какой величины?

2. Ваше мнение о наглядности шкалы тангажа. Дайте оценку по шкале ТЭО. Испытывали ли Вы затруднения? По какой причине?

а) в определении направления тангажа (положительный, отрицательный). Укажите "да' или "нет";

б) в считывании количественных значений углов тангажа. Если да, то какой величины?

3. Дайте оценку по шкале ТЭО степени трудности определения пространственного положения и пилотирования на выполняемых маневрах.

4. Изменяются ли навыки пилотирования при переходе к опытному образцу?

5. Требуется ли специальная подготовка летного состава для освоения новой индикации?

6. Имеет ли опытный принцип индикации какие-либо преимущества (по сравнению сс штатным) для повышения надежности пространственной ориентировки летчика и эффективности пилотирования?

Средние оценки операторов штатной и опытной индикаций крена и тангажа по шкале ТЭО представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, выставленные оценки отражают положительное отношение операторов к обоим типам авиагоризонтов. Более высокие оценки получила опытная индикация пространственного положения самолета по крену.

Что касается оценок степени трудности пилотирования при выполнении фигур простого и сложного пилотажа, то все они относятся к категории "хорошо" независимо от используемого принципа индикации.

С учетом полученных оценок и комментариев анкеты-опросника по мнению летчиков-операторов на опытном авиагоризонте в сложных положениях оператор сразу видит, где линия горизонта и в каком положении самолет, и не тратит время на определение пространственного положения.

Таблица 2

№ п/п Оцениваемые индикации/режимы Штатная индикация Опытная индикация

1 Индикация крена 4,5 4,7

2 Индикация тангажа 4,2 4,2

3 -вираж 4,7 4,4

-петля 4.4 4,4

-косая полупетля 4.2 4,3

-переворот 4,3 4.6

-пикирование 4,6 4,7

-бочка 4,7 4,6

-горка 4,7 4.5

-боевой разворот 4,5 4,4

4 Оценка пространственного положения 3,8 4,7

Рекомендации по формированию информационных кадров

По результатам отработки данных информационных кадров на пилотажном стенде с использованием изложенной выше методики выработаны следующие рекомендации по объему и расположению дополнительной информации на ИЛС и МФИ для режима пилотирования на больших углах атаки:

- ИЛС. Предлагается в штатный информационный кадр добавить: индекс вектора скорости (для ИЛСа), перемещающийся в поле авиагоризонта и индицирующий относительно символа самолета по вертикали - угол атаки, по горизонтали - угол сноса, по шкале тангажа - угол наклона траектории; круговую шкалу угла атаки с цифровым индексом;

- МФИ, пилотажный кадр. Предлагается заменить вид штатного авиагоризонта экспериментальным, содержащим: символ самолета (вид сзади), вращающийся по углам тангажа и крена; неподвижные шкалы угла тангажа в диапазоне ±90° и угла крена с отметками 0°, ±30°, ±60°, 90°;

- МФИ, навигационный кадр. Предлагается заменить штатный навигационный кадр информационным кадром с образной индикацией.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цуварев В.И. Летная оценка. Хрестоматия человеческого фактора в авиации через призму безопасности полетов / под ред. С.Ф. Байнетова. - М., 2010. - Т. 2.

2. Желонкин В.И. Система поддержки исследований по выбору и оптимизации видов электронной индикации // Вестник МНАПЧПК. - 2007. - № 3.

3. Дубов Ю.Б., Желонкин В.И., Живов Ю.Г., Поединок А.М. Разработка алгоритмов управления и методов пилотирования самолета с отклоняемым вектором тяги на больших углах атаки // Техника воздушного флота. - 2005. - № 6.

4. Пленцов А.П., Желонкин В.И., Законова Н.А. Решение проблемы: Потеря пространственной ориентировки и управления самолетом в полете // Вестник МНАПЧПК. - 2007. - № 3.

SIMULATION ON FLIGHT ENGINEERING SIMULATOR THE INFORMATIONAL FRAME FOR RESEARCH DYNAMICS OF THE AIRPLANE ON LARGE ANGLES OF ATTACK

Dubov Yu.B., Zhelonkin V.I.

The optimisation technique on a flight engineering simulator with use of a method of an ergonomic expert estimation of the informational shots intended for research of special regimes which distinctive sign is implementation of angles of attack and a slip in a broad band of their change is set up.

Key words: flight engineering simulator, large angles of attack, informational frame.

Сведения об авторах

Дубов Юрий Борисович, 1940 г.р., окончил МФТИ (1967), кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, автор более 50 научных работ, область научных интересов — динамика системы управления маневренных самолетов, большие углы атаки, моделирование на пилотажных стендах.

Желонкин Владимир Иванович, 1954 г.р., окончил МФТИ (1977), кандидат технических наук МФТИ, автор более 40 научных работ, область научных интересов - динамика полета, системы управления, авиационная эргономика.