Мониторинг полётной информации для оценки нагружения силовых элементов конструкции летательного аппарата

Актуальность темы

Нагружение силовых элементов летательного аппарата (ЛА), происходящее в полёте определяется произведением веса на перегрузку. При этом перегрузка определяется бортовыми измерительными системами с высокой точностью, а вес (масса) в полёте не измеряется вообще. Определение массы производится расчётным путём — из взлётной массы вычитается масса выработанного топлива. Погрешность расчётного значения массы определяется погрешностью определения взлётной массы и погрешностью топли-вомера. При этом под погрешностью топливомера следует понимать погрешность разности его показаний в начале полёта и в текущий момент, она не включает в себя постоянную составляющую погрешности топливомера и на порядок ниже погрешности определения взлётной массы. Поэтому определение взлётной массы с высокой точностью является непременным условием для оценки состояния силовых элементов ЛА. Определить её можно перед полётом, сложением массы груза, топлива и самого ЛА, но погрешность при этом, как сумма погрешностей компонентов, может превысить требуемые ограничения. Более точный метод — вычисление по ускорению в процессе разбега. Однако определить взлётную массу по косвенным данным, полученным от бортовых измерителей невозможно без точного знания взлётной тяги двигателей. Как показали данные исследования, взлётная тяга двигателей известна недостаточно точно, но есть возможность снизить погрешность до приемлемой в процессе наблюдения (мониторинга) за полётами. В итоге мониторинг полётной информации позволяет решить две задачи: оценить состояние конструкции ЛА и получить точные значения взлётной массы и тяги двигателей, что необходимо для первой задачи, но имеет также самостоятельное значение.

В авиации каждому типу воздушного судна (ВС) определена максимально допустимая вертикальная перегрузка. Если она превышена в полёте, производится дефектация силовых элементов конструкции планера и шасси. Но при одинаковой перегрузке и разных полётных массах, нагрузка силовых элементов тоже будет разной. Есть резон учитывать массу ВС при определении максимально допустимой вертикальной перегрузки. Особенно её следует учитывать, когда полётная масса превышает допустимую. Предельную перегрузку в этом случае необходимо снизить кратно соотношению допустимой и фактической масс.

Определение взлётной массы и взлётной тяги двигателей воздушного судна является важной задачей для прогнозирования и производства полётов, а также для их идентификации и оценки действий экипажа при послеполётных исследованиях. Следовательно, необходима максимально возможная точность их определения. При этом повышение точности может дать качественно новые результаты. Например, определение взлётной тяги с малой погрешностью повысит точность расчёта параметров разбега и точность определения взлётной массы ВС. При высокой точности наблюдение (мониторинг) за величиной тяги позволит выявить её изменение в процессе эксплуатации. В итоге, взлётную тягу можно будет корректировать по наработке двигателей. Это весьма актуально, поскольку замена двигателей происходит довольно часто, а тягу необходимо знать до вылета.

Надёжное определение взлётной массы и тяги двигателей при послеполётной обработке данных бортового самописца не даст поставить конъюнктурные интересы выше интересов безопасности полётов (БП) и очень важно при расследовании инцидентов. Таким образом, повышение точности в этом вопросе является весомым фактором повышения БП. Кроме того, точное знание массы и тяги имеет немалое экономическое значение. Эксплуатация ВС в коммерческих целях требует, в числе прочих, решения двух задач. Первая — это определение максимальной загрузки ВС в данных условиях взлёта и полётного задания. Вторая — оптимальное управление полётом с целью минимизации затрат. Для решения первой определяющим фактором является взлётная тяга двигателей. Решение второй невозможно без точного знания текущей массы ВС и тяги двигателей. Разница затрат между псевдооптимальным и оптимальным режимом по данным зарубежной печати [7] лежит в пределах 2−5%. Если тяга и масса известны с точностью около 4%, то ожидать эффекта не приходится, а в отечественной гражданской авиации дела обстоят именно так. Если взлётная тяга и масса ВС известны с высокой точностью, то текущие определяются из них несложными расчётами с той же точностью.

Идентификация полёта с помощью математической модели (ММ) движения ВС по информации от бортовых измерительных систем, как и задача оптимального управления, является задачей обратной решению дифференциального уравнения ММ. Иначе говоря, по имеющемуся решению необходимо определить коэффициенты уравнения. В отличие от прямой, обратная задача в общем виде математически некорректна по Адамару [3]. В частности рассматриваемая задача, из-за ненадёжности априорных данных, некорректна и в обобщённом виде по Тихонову [3]. Поэтому для получения результатов необходима дополнительная информация о параметрах, делающая решение однозначным. Её можно получить при непрерывном наблюдении за самолётом. Наблюдение, естественно, требует соответствующего мат.аппарата.

Из вышесказанного следует, что взлётные тяга и масса ВС определяются в настоящее время недостаточно точно [11]. Повышение точности определения этих параметров повысит и безопасность, и экономическую эффективность полётов. Для достижения результата необходим мониторинг полётной информации.

Состояние проблемы. Точность определения массы и тяги перед полётом можно оценить следующим образом: На современных ВС, типа ТУ-204, имеется система, определяющая массу по обжатию амортизационных стоек. Точность определения в данной системе около 4% при штиле, при ветре точность снижается. Поэтому система не используется, а масса перед полётом определяется, как и на других типах ВС, сложением паспортной массы пустого самолёта с данными загрузки, заправки плюс остаток топлива. Погрешность может быть менее 2%, но она имеет тенденцию к нарастанию и на неё сильно влияет человеческий фактор. Послеполётная обработка данных бортового самописца даёт массу с точностью около 4%. 11].

Что касается тяги, то считается, что она задана изготовителем и зависит только от скорости вращения роторов, скорости ВС, температуры и давления воздуха. В своей работе [8] М. С. Кубланов, среди причин аварии, предполагает отклонение тяги от стендовой порядка 10%. Из этих 10%, только 5% можно отнести к расчётным, связанным с падением тяги из-за отклонений температуры и давления окружающего воздуха от стендовых. Оставшиеся 5% можно отнести к незнанию реальной взлётной тяги.

Работы по данной тематике были произведены несколькими организациями — ГОСНИИ ГА, авиакомпанией «Пулково», ЛИИ, ЦАГИ, МАК, МГТУ ГА. По имеющимся сведениям достигнута точность определения взлетной массы порядка 4%. Как сообщается в авиационной прессе [8], за рубежом также ведутся аналогичные исследования, но сведения по ним являются закрытыми, по соображениям коммерческой тайны. Аналогично обстоят дела и в отечественной авиационной науке.

Применяемая в настоящее время методика разработана авиакомпании «Пулково», где уравнение движения самолета на разбеге решается относительно массы в каждый момент замера скорости. Метод позволяет вычислить константу, соответствующую массе самолета, но требует точного знания взлетной тяги, а это не всегда возможно. В приведённой работе [11] сглаженная скорость вычисляется, как квадратичная функция времени, что весьма неочевидно. Данная методика вызывает вполне обоснованные сомнения в заявленных значениях точности. Преимущество работы заключается в том, что не производится численного интегрирования уравнения движения ВС, соответственно снимается вопрос об устойчивости решения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка методики обработки информации от бортовых измерительных систем для определения взлётной массы и взлётной тяги двигателей с погрешностью менее 2% для улучшения летной и технической эксплуатации ВС.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1 Разработка адекватной математической модели движения ВС на разбеге для определения взлётной тяги двигателей и взлётной массы воздушного судна по данным бортовых измерительных систем;

2 Разработка алгоритмического аппарата для идентификации математической модели по полетной информации;

3 Создание программно-математического обеспечения для оценки параметров ВС.

В качестве объекта исследований выбран процесс разбега ВС типа Ил 76ТД. Наиболее информативным параметром является воздушная скорость ВС в процессе разбега. Она входит в два из трёх членов правой части уравнения разбега.

Предметом исследований является динамика сил и скоростей в процессе разбега.

В работе использованы методы: теории численных методов решения обыкновенных дифференциальных уравнений, безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений, теории отображений, теории вероятностей и математической статистики, теории устойчивости, теоретической механики и динамики полета, теории обратных задач (идентификации и оптимизации), объединенные теорией математического моделирования, а также программирование алгоритмов для ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведённых работ создана методика, позволяющая определить взлётную массу и взлётную тягу двигателей ВС по данным бортовых измерителей с погрешностью не превышающей 2%, что позволит получить достоверную оценку состояния ВС и двигателей, а также повысить безопасность и экономическую эффективность полётов. Для этого разработаны: Концепция построения системы обработки измерительной информации для повышения точности модели движения ВС. В основе концепции лежит не метод регуляризации, а вариационная идея, не требующая компактности решенияАлгоритмический аппарат для компоновки вычислительного процесса решения задач оценивания характеристик ВС, в котором полётная информация совмещается с выходными данными моделиПрограммно-математическое обеспечение для обработки полётной информации по полученным алгоритмам.

Достоверность результатов исследований. Достоверность теоретических исследований основана на строгом математическом обосновании разработанных методов. Достоверность результатов подтверждается сравнением расчётных параметров с данными реальных полётов, а также сравнением с данными, полученными по другой методике группой исследователей из ГосНИИ ГА.

Практическая ценность исследований состоит в следующем:

Адекватная и точная модель даёт возможность при предполётной подготовке получить параметры разбега и взлёта ВС, такие как скорость отрыва, градиент набора высоты, взлётная дистанция и др.

Введение

параметров модели в бортовой вычислитель позволит автоматизировать разбег и взлёт. Эти же данные позволят оптимизировать управление режимами полётов.

Послеполётная обработка информации с помощью модели необходима как для оценки параметров модели, так и для идентификации полёта (особенно в случаях инцидентов).

Выход параметров модели за допустимые пределы в процессе идентификации является сигналом о непригодности воздушного судна к полётам.

Мониторинг взлётной тяги по всему парку ВС позволит выявить зависимость тяги двигателей от наработки.

Мониторинг нагрузки планера даст информацию для технического обслуживания и ремонта ВС по состоянию.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации материалы получены лично автором или при его непосредственном участии. Основные результаты и выводы получены в ходе работ, в которых автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем.

Проверка результатов. Полученные результаты были проверены на ВС авиакомпании «Красноярские авиалинии». Исследования показали, что тяга двигателей однотипных ВС, индивидуальна и изменятся в процессе эксплуатации. Послеполётное определение взлётной массы подтвердило недостаточную точность её определения перед полётом. Этим показана необходимость вести по каждому экземпляру ВС (борту) базу данных, в которой будут храниться параметры модели. По мере увеличения количества оцениваемых параметров база будет расширяться. В итоге создаётся набор моделей, которые 'следят' за состоянием ВС и обеспечивают прогнозирование его поведения в полёте.

Апробация результатов. Основные положения работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международном аэрокосмическом салоне САКС 2001 (Красноярск, 2001 г.), международных Решетнёвских и Гагаринских чтениях в СибГАУ (Красноярск, 2003 — 2006 г.), научно-технической конференции по проблемам математического моделирования ТГТУ (Томск, 2003 г.), международной научно-технической конференции МГТУ ГА (Москва, 2006 г.).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:

1 Методика и вычислительные алгоритмы идентификации движения ВС, позволяющие повысить точность определения взлётной массы и суммарной тяги двигателей до 2% при существующей 4%.

2 Взлётная тяга двигателей ВС в процессе разбега не соответствует стендовой и изменяется в процессе эксплуатации.

3 Полученная точность определения параметров по данной методике позволяет производить достоверную оценку состояния ВС и двигателей.

4 Статистические и косвенные доказательства полученной точности определения взлетной массы и взлетной тяги двигателей ВС.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1 Определение взлётной массы и тяги двигателей ВС по данным бортовых измерительных систем с точностью 2% возможно только в совмещённом процессе, в котором масса определяется, а тяга уточняется.

2 Погрешность определения взлётной массы ВС по данным бортового самописца снижена в два раза по сравнению с действующими методиками (с 4 до 2%).

3 Определение массы ВС с точностью 2% позволяет оценить нагружение силовых элементов планера и шасси ВС в процессе эксплуатации и сделать обоснованные выводы об их состоянии.

4 Погрешность определения суммарной взлётной тяги двигателей по мере накопления информации достигает 1%. При достигнутой точности, изменение взлётной тяги двигателей в процессе эксплуатации превышает погрешность, что дает возможность оценить техническое состояние двигателей.

5 Ввод значения тяги в бортовой вычислитель и уточнение массы в процессе разбега позволят автоматизировать взлёт и дать точную информацию экипажу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании изложенного можно сделать вывод, что поставленная цель достигнута: исходные данные для оценки состояния конструкции ЛА и двигателей получены с заданной точностью, при этом определение этих данных — взлётной массы и суммарной взлётной тяги двигателей имеет самостоятельное значение, как для БП так и для эксплуатации. Приведённая методика работы с ММ хорошо поддаётся автоматизации, разработано соответствующее программное обеспечение. Вход в процесс мониторинга требует предварительного накопления и статистической обработки полётной информации. Существенную трудность представляет скачкообразное изменение параметров ВС. Так при выполнении данной работы изменение тяги двигателей на 400 кг было надёжно выявлено после 4х полётов, а только потом пришла информация о смене одного двигателя. Если получать информацию своевременно, можно повысить эффективность мониторинга.