СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF CHANGING FLIGHT ALTITUDE OF AIRCRAFT

Изобретение относится к области систем автоматического управления летательными аппаратами, в частности к способам пилотирования в вертикальной плоскости.
Для перехода самолета на другую высоту в настоящее время общепринятым считается способ, согласно которому переход с текущей высоты полета на желаемую высоту осуществляют по траектории, включающей три участка. Первый участок траектории представляет собой дугу окружности, сопрягающую линию горизонтального полета на текущей высоте со вторым участком, который имеет вид прямой линии, наклонной к горизонтали. Третий участок траектории представляет собой дугу окружности, противоположно выпуклую дуге первого участка, и сопрягает второй участок траектории с линией горизонтального полета на желаемой высоте. Данный способ детально раскрыт, например, в патентной публикации GB 1270754 (A), G05G 1/06, 12.04.1972.
Фактором, объясняющим распространенность известного способа, является то, что на наиболее протяженном втором участке траектории самолет равномерно движется по прямой линии. Таким образом, для выдерживания траектории на втором участке не требуется изменения положения рулевых поверхностей или изменения тяги двигателей, что упрощает алгоритмы управления самолетом.
Однако известный способ перехода самолета на другую высоту имеет существенный недостаток. При смене участков траектории известного способа в короткий промежуток времени изменяются режим работы двигателей и положение рулевых поверхностей, а значит, самолет подвергается значительным перегрузкам, что отрицательно сказывается на комфорте пассажиров.
Задачей изобретения является обеспечение плавного движения самолета в вертикальной плоскости.
Для решения поставленной задачи предложен способ изменения высоты полета летательного аппарата, в котором переход с текущей высоты полета на желаемую высоту осуществляют с постоянной абсолютной скоростью по траектории, представляющей собой полупериод синусоиды. При этом углы между вертикалью и касательными к указанной траектории, проведенными в ее начальной и конечной точках, находящихся соответственно на текущей и желаемой высотах, составляют 90°.
В предпочтительном случае изобретения траекторию перехода с текущей высоты полета на желаемую высоту выбирают из множества подобных траекторий, отличающихся длиной полупериода.
В частном случае изобретения множество траекторий содержит траекторию, при выполнении которой расход топлива летательным аппаратом имеет минимальное значение.
В другом частном случае изобретения множество траекторий содержит траекторию, обеспечивающую минимальное время перехода с текущей высоты полета на желаемую высоту.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в минимизации перегрузки по вертикальной оси.
Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг.1 и фиг.2 - расчетные траектории, отрабатываемые самолетом при переходе с высоты 10000 м на высоту 4000 м соответственно известным и предложенным способами;
фиг.3 и фиг.4 - вертикальные составляющие перегрузок, испытываемых самолетом Ту-204СМ при указанном снижении, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.5 и фиг.6 - горизонтальные составляющие перегрузок, испытываемых самолетом ТУ-204СМ при указанном снижении, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.7 и фиг.8 - вертикальные скорости самолета Ту-204СМ при указанном снижении, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.9 и фиг.10 - абсолютные скорости самолета Ту-204СМ при указанном снижении, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.11 и фиг.12 - расчетные траектории самолета, реализуемые при переходе с высоты 400 м на высоту 6400 м соответственно известным и предложенным способами;
фиг.13 и фиг.14 - вертикальные составляющие перегрузок, испытываемых самолетом ТУ-204СМ при указанном подъеме, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.15 и фиг.16 - горизонтальные составляющие перегрузок, испытываемых самолетом ТУ-204СМ при указанном подъеме, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.17 и фиг.18 - вертикальные скорости самолета Ту-204СМ при указанном подъеме, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами;
фиг.19 и фиг.20 - абсолютные скорости самолета Ту-204СМ при указанном подъеме, осуществляемом соответственно известным и предложенным способами.
Сравнение известного и предложенного способов смены высоты будет проведено путем анализа параметров самолета Ту-204СМ при реализации им указанных способов.
На фиг.1 показана расчетная траектория самолета при его снижении с текущей высоты 10000 м на желаемую высоту 4000 м и реализации известного способа перехода на другую высоту. Данная траектория рассчитывается бортовым вычислителем и отрабатывается самолетом в результате управления положением рулевых поверхностей и тягой двигателей при помощи системы автоматического управления (САУ). Реальная траектория самолета несколько отличается от расчетной, однако в контексте данной заявки эти отличия являются несущественными.
y
x
y
x
Как было показано выше, траектория по известному способу характеризуется наличием трех участков. Первый и третий участки представляют собой противоположно выпуклые дуги окружностей, а второй участок - прямую линию, наклонную к горизонтали. Отрабатывая траекторию по известному способу, самолет испытывает перегрузку, которая имеет вертикальную составляющую N и горизонтальную составляющую N (далее - вертикальная и горизонтальная перегрузки соответственно). Под перегрузкой понимается отношение результирующей силы, действующей на самолет, к силе тяжести. В условиях равномерного прямолинейного полета N=1, N=0.
y
x
При переходе с одного участка траектории по известному способу на другой резко изменяется алгоритм управления рулевыми поверхностями и тягой двигателей, что вызывает значительную перегрузку N, всплески которой видны на фиг.3. Наблюдается также и перегрузка N (фиг.5), однако горизонтальная перегрузка практически не сказывается на комфорте полета - острые ощущения дискомфорта у пассажиров вызывает именно вертикальная перегрузка.
На фиг.7 можно также видеть участки со скачкообразно меняющейся вертикальной скоростью.
Из фиг.9 следует, что в результате снижения самолет не восстановил свою первоначальную абсолютную скорость и требуются дополнительные действия по ее коррекции. Под абсолютной скоростью самолета в контексте данной заявки понимается его скорость относительно земли.
Следует отметить, что путем изменения расстояния, на протяжении которого реализуется известный способ, можно оптимизировать известный способ смены высоты под различные задачи, в т.ч. снижение вертикальной перегрузки. Однако увеличение указанного расстояния не всегда представляется возможным с точки зрения правил полетов, кроме того, данный подход позволит лишь несколько снизить вертикальную перегрузку, затягивая при этом некомфортную для пассажиров фазу смены высоты.
На фиг.2 показана расчетная траектория самолета при его снижении с текущей высоты 10000 м на желаемую высоту 4000 м и реализации предложенного способа перехода на другую высоту. Расчетная траектория имеет форму синусоиды и строится исходя из следующего уравнения:
, где
1
H - текущая высота, для рассматриваемого примера 10000 м,
2
Н - желаемая высота, для рассматриваемого примера 4000 м,
x - пройденное расстояние от нулевой точки - начала реализации способа, является переменной величиной и принимает значения от 0 до L,
L - продольное расстояние, на протяжении которого осуществляется смена высоты, для рассматриваемого примера 12000 м, является параметром оптимизации.
Существенным условием предложенного способа смены высоты является неизменность абсолютной скорости самолета.
Как следует из уравнения (1), траектория по предложенному способу описывается функцией косинуса и имеет форму полупериода синусоиды. Важно, что траектория по предложенному способу является сглаженной, т.е. не имеет участков, описываемых различными функциями, а значит, позволяет использовать единый алгоритм управления. Для отработки такой траектории требуется постоянное плавное изменение положения рулевых поверхностей и тяги двигателей на всем указанном продольном расстоянии, что не является проблемой для современных систем автоматического управления.
Самолет начинает движение по траектории предложенного способа смены высоты, двигаясь прямолинейно и горизонтально на текущей высоте. В таком же положении самолет заканчивает движение по траектории, достигнув желаемой высоты. Таким образом, углы между вертикалью и касательными к данной траектории, проведенными в ее начальной и конечной точках, равны 90°.
Как можно видеть на фиг.4, вертикальная перегрузка в данном случае практически равна единице, а горизонтальная перегрузка (фиг.6) - не выше, чем у известного способа. Вертикальная скорость, показанная на фиг.8, изменяется без скачков, а абсолютная скорость (фиг.10) удерживается постоянной на протяжении всего процесса смены высоты.
Следует отметить, что в представленном примере траектория снижения самолета по предложенному способу соответствует более жестким условиям, чем траектория снижения по известному способу, - это видно по расстоянию, на протяжении которого осуществлена смена высоты (12000 м и 18000 м соответственно). Однако даже в этих условиях в результате использования предложенного способа вертикальная перегрузка близка к единице (фиг.4), что положительно скажется на комфорте пассажиров самолета.
Фиг.11-20 иллюстрируют известный и предложенный способ для случая подъема самолета с текущей высоты 400 м на желаемую высоту 6400 м. Все изложенные выше рассуждения и выводы полностью сохраняют свою справедливость. Траектория подъема по предложенному способу описывается уравнением (1), имеет форму полупериода синусоиды и выполняется самолетом без смены режимов с сохранением постоянной абсолютной скорости.
Из фиг.14 следует, что вертикальная перегрузка при реализации предложенного способа и в этом случае близка к единице, в отличие от известного способа (фиг.13).
Таким образом, предложенный способ изменения высоты летательного аппарата решает задачу минимизации приращения вертикальной перегрузки, как при снижении, так и при наборе высоты, обеспечивая комфортные условия пассажирам.
Однако предложенный способ позволяет оптимизировать траектории смены высоты в зависимости от конкретных задач. В качестве таких задач могут рассматриваться: обеспечение минимального времени подъема на желаемую высоту; минимизация расхода топлива и др. Для каждой задачи с учетом конструктивных ограничений самолета бортовой вычислитель рассчитывает продольное расстояние L, на протяжении которого целесообразно осуществить изменение высоты полета, т.е. длину полупериода синусоиды. Важно при этом, что каждая траектория смены высоты из всего множества возможных траекторий характеризуется близким к единице значением вертикальной перегрузки и является комфортной для пассажиров.