Методы и средства оптимизации режима посадки морского летательного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Небылов, Владимир Александрович

• Небылов, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Небылов, Владимир Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РОЛЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПОВЫШЕНИИ ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОРСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1. Эволюция скоростных морских транспортных аппаратов

1.2. Особенности конструкции и принципов управления морских

неводоизмещающих транспортных аппаратов

1.3. Направления повышения функциональной эффективности морских летательных аппаратов за счет использования средств автоматизации управления движением

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕТРОВОГО МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

2.1. Общая характеристика

2.2. Двумерный спектр мощности волнения

2.3. Пространственный спектр волновой поверхности

2.4. Вывод расчетного выражения для пространственной спектральной плотности волнения

3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

3.1. Обзор неконтактных методов получения информации о свойствах морской поверхности

3.2. Анализ эффективности использования нескольких прецизионных высотомеров, разнесенных по корпусу летательного аппарата

3.3. Обоснование режима фотосъемки морской поверхности

3.4 Разработка алгоритмов определения генерального направления морских волн по цифровым фотоизображениям морской поверхности

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ЗАХОДА НА ПОСАДКУ

4.1. Факторы влияющие на безаварийность посадки на

взволнованное море

4.2. Критерий оптимизации захода на посадку

4.3. Алгоритм процесса принятия решения об оптимальном заходе на посадку

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ПОСАДКИ НА ВЗВОЛНОВАННОЕ МОРЕ

5.1. Методика моделирования взволнованной морской поверхности

5.2. Примеры моделирования изображения волновой поверхности и обоснование выбора количества волновых составляющих при моделировании изображений

5.3. Численный метод исследования погрешностей определения генерального направления распространения морских волн и направления захода на посадку

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства оптимизации режима посадки морского летательного аппарата»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие экономики страны требует постоянного увеличения объема пассажирских и грузовых перевозок и их скорости. Огромная роль в структуре транспорта нашей и других стран должна принадлежать авиации, как наиболее скоростному виду транспорта. Однако авиация является и наиболее дорогостоящим видом транспорта, причем существенная часть расходов связана с построением и обслуживанием необходимой инфраструктуры, прежде всего аэродромов. Стремление избежать таких расходов в условиях возрастающей стоимости земли и строительных материалов делает построение аэродромов все более сложной задачей, приводит к возрастанию роли гидроавиации в транспортных перевозках России и других стран.

Ключевой проблемой для гидросамолетов и экранопланов является взлет и посадка при интенсивном морском волнении. В идеале транспортное средство должно быть всепогодным, однако и экранопланы и гидросамолеты не могут эксплуатироваться при штормовой погоде, когда ветровое морское волнение имеет большую балльность. Чем больше размеры, прочность и энерговооруженность летательного аппарата (ЛА), тем выше граница разрешенных режимов полета (балльности морского волнения) для взлета и посадки в штормовом море. Однако слишком большие размеры аппарата не только увеличивают его стоимость, но и часто не соответствуют имеющимся грузопотокам на большинстве реальных грузопассажирских линий [26, 33]. Поэтому очень важно максимизировать возможность взлета и посадки малых и средних аппаратов в штормовом море. Эффективным способом решения этой проблемы является оптимизация направления захода на посадку, а возможно и направления взлета по отношению к генеральному направлению распространения морских волн. При этом генеральное направление может определяться автоматически путем обработки показаний бортовых

радиотехнических, оптических и других датчиков. В этом случае реализация оптимального режима захода на посадку и сама посадка требует использования результатов численного анализа, разработка методики которого является основной задачей настоящей диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и методов автоматизации выбора направления захода морского ЛА на посадку и исследование возможных технических средств реализации такого выбора.

В диссертации решались следующие научно-технические задачи:

1. Разработка математической модели морского волнения применительно к анализу гидродинамических возмущений, приложенных к корпусу морского ЛА при посадке.

2. Выбор и обоснование критерия оптимизации направления захода на посадку в условиях штормового моря, обеспечивающего минимизацию гидродинамических нагрузок.

3. Разработка и алгоритмическая реализация метода автоматической оценки генерального направления распространения морских волн по цифровым фотографиям возмущенной морской поверхности.

4. Разработка алгоритма и программного обеспечения определения оптимального направления захода на посадку относительно генерального направления распространения морских волн.

5. Разработка методики имитационного моделирования и программное обеспечение исследования эффективности алгоритма оптимального направления захода на посадку морского ЛА.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- формализованный критерий оптимальности направления захода на посадку, минимизирующий гидродинамические возмущения от морского волнения;

- метод определения генерального направления распространения морских волн по цифровым фотоизображениям возмущенной морской поверхности;

- таблица оптимальных направлений захода на посадку относительно генерального направления распространения морского волнения, минимизирующих гидродинамические нагрузки на ЛА;

- результаты математического моделирования процесса определения оптимального направления захода на посадку по цифровым фотоизображениям возмущенной морской поверхности.

Работа выполнена на кафедре моделирования вычислительных и электронных систем в рамках четырех исследовательских грантов Российского фонда фундаментальных исследований (06-08-00550-а "Методы гарантирования приемлемой точности систем навигации и управления подвижными объектами", 07-08-00293-а "Методы исследования нежестких структур и предотвращение критических режимов движения", 09-08-00529-а "Концепция построения систем автоматического управления движением экранопланов", 12-08-00076-а "Фундаментальные проблемы управления движением над возмущенной поверхностью"), а также в соответствии с планами научно-исследовательских работ Международного института передовых аэрокосмических технологий (МИПАКТ) Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения (НИР 53-61-678-1, НИР 349-2, НИР 348-2,, НИР 014-2, НИР 237-2).

Результаты работы использованы в ЗАО "НПФ "ТИРС" и ЗАО "Научно-производственный комплекс 'ТРЭТГ'(Жуковский) и в учебном процессе ГУАП.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на

- VIII, IX, X Научных сессиях ГУАП, 2005, 2006, 2007, 2012 гг.;

- Научной сессии ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики, ГУАП, Санкт-Петербург, 2009, 2010 и 2011;

- XXXIII Всероссийская конференции «Управление движением морских судов и специальных аппаратов»;

- 3-й и 4-й Международных научных конференциях "Физика и Управление" (International IEEE Scientific Conference on Physics and Control), (PhysCon2007 и (PhysCon2011), Потсдам, Германия, 2007 и Лион, Испания, 2011;

- XXXIV и XXXV Всероссийских конференциях «Управление движением морских судов и спецаппаратов», Москва, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, 2007 и 2008;

- 17-м Симпозиуме ИФАК по автоматическому управлению в аэрокосмических системах (17th IF AC Symposium on Automatic Control in Aerospace), 2007, ONERA, Тулуза, Франция, 2007;

- XV Санкт-Петербургской Международной конференция по интегрированным навигационным системам, ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2008;

- 10-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2008г.;

- XXVII конференция памяти Н.Н.Острякова, ГНЦ РФ - ОАО "Концерн "ЦНИИ «Электроприбор», 2010 г.;

- 17-м и 18-м Всемирных Конгрессах ИФАК (IFАС), Сеул, Корея, 2008 и Милан, Италия, 2011.

Результаты работы опубликованы в 26-ти печатных научных трудах, в том числе, 8 статей опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, 9 докладов опубликованы в сборниках докладов международных конференций.

1. РОЛЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПОВЫШЕНИИ ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОРСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1. Эволюция скоростных морских транспортных аппаратов

Уровень развития транспортных аппаратов и транспортной инфраструктуры является важнейшим показателем технического прогресса. Разнообразие транспортных задач, особенности грузо- и пассажиропотоков определяют необходимость развития разных видов транспорта. Авиационный транспорт призван обеспечить решение задач наиболее скоростных перевозок. Одной из серьезных проблем дальнейшего развития авиационного транспорта является увеличение числа аэродромов и повышение качества взлетно-посадочных полос. Использование для воздушных перевозок все более крупных самолетов обусловлено необходимостью снижения удельных эксплутационных затрат, однако имеет и отрицательную составляющую из-за необходимости развития высококачественных и дорогих взлетно-посадочных полос. Требование достаточно низкой посадочной скорости при высокой крейсерской скорости заставляет использовать все более совершенные средства механизации крыла, что также усложняет и удорожает конструкцию самолета. Однако, наиболее "узким" местом является развитие сети аэродромов, для которых уже не хватает места в районах с высоким уровнем урбанизации. Все эти обстоятельства заставляют искать новые "прорывные" технологии для совершенствования авиационных перевозок.

Одним из важных направлений удовлетворения потребностей человечества в скоростных перевозках является развитие гидроавиации и других скоростных транспортных средств, использующих водную поверхность для взлета и посадки. Следует отметить, что на ранних этапах развития авиационного транспорта именно гидросамолеты имели

наибольшее значение из-за неразвитости сети аэродромов. Сравнительно тихоходные самолеты легко взлетали и садились на любую водную поверхность, что было важно также и для обеспечения приемлемого уровня безопасности полета при низкой надежности использовавшихся тогда двигателей. По мере развития сети аэродромов и повышения скоростей перевозок роль гидроавиации постепенно снижалась вплоть до последнего десятилетия 20-го века. Однако в настоящее время во многих странах уже вполне сформировалась концепция развития грузовой гидроавиации как альтернатива традиционным "сухопутным" авиационным средствам. Основным достоинством этого решения транспортной проблемы является отсутствие необходимости в аэродромах. Существенно, что до 80-ти процентов крупных индустриальных центров, являющихся наиболее востребованными пунктами отправки и приема грузов, расположены вблизи побережья океанов, морей или на крупных реках. Основной сложностью организации взлета с воды и посадки на воду являются волновые возмущения, поскольку при штормовой погоде на поверхности воды неизбежны значительные волны.

В плане эволюции морских транспортных аппаратов можно выделить две тенденции, хорошо иллюстрирующие процесс спиралеобразного развития техники и принцип перехода количественных изменений в качественные. Первая тенденция состоит в том, что авиация в начальный период своего становления в основном ориентировавшаяся на использования водной поверхности, постепенно стала "сухопутной" по мере ввода в строй огромного количества оборудованных аэродромов, однако в последние годы снова все больше внимания уделяется гидроавиации, не требующей дорогостоящих аэродромов и изъятия новых участков суши из хозяйственной деятельности. Вторая тенденция связанна с постепенной заменой гидродинамических сил на аэродинамические при создании подъемной силы у морского или речного транспортного аппарата. В свое время (50е-60е гг. 20 века) использование подводных крыльев

позволило оторвать корпус от воды, существенно снизить гидродинамическое сопротивление и увеличить скорость. Однако явление "кавитации" поставило предел скорости движения подводного крыла. Русский инженер P.E. Алексеев (используя также идеи финского исследователя Каарио) нашел гениальное решение проблемы дальнейшего повышения скорости - он извлек крыло из воды и заставил его двигаться с обратной стороны границы "вода-воздух", т.е. в воздухе вблизи поверхности воды. Фактически был использован известный в математике и других научных дисциплинах принцип инверсии, причем эффект самостабилизации по глубине погружения подводного крыла трансформировался в эффект самостабилизации по высоте движения воздушного крыла экраноплана [69, 70].

Россия имеет большой опыт развития гидроавиации. В начале 20-го века были созданы первые отечественные гидросамолеты под руководством конструктора П. Григоровича. В 30-е годы активно заявило о себе конструкторское бюро (КБ) Г. М. Бериева в Таганроге, где были созданы лучшие в мире образцы гидросамолетов разных классов включая Чайку (Бе-12), на которой были поставлены несколько мировых рекордов дальности и грузоподъемности. Из наиболее известных разработок этого КБ можно отметить крупнейший в мире и очень эффективный 86-ти тонный гидросамолет А-40 "Альбатрос" (Рисунок 1.1). В настоящее время в КБ создан и серийно выпускается многоцелевой гидросамолет Бе-200 (Рисунок 1.2), эффективно используемый МЧС не только для перевозок, но и при тушении пожаров[84, 86].

Гидросамолет имеет конструктивные особенности, позволяющие производить взлет и посадку на водной поверхности, обеспечивать устойчивость движения при действии гидродинамических и аэродинамических возмущений, остойчивость на плаву. При нахождении на плаву без движения гидростатическая подъёмная сила за счет водоизмещения полностью компенсирует вес гидросамолета. В процессе взлета вес

Рисунок 1.2. Многоцелевой гидросамолет Бе-200

компенсируется подъёмной силой глиссирующей поверхности днища его корпуса и аэродинамической подъёмной силой крыла, которая при достижении взлётной скорости обеспечивает отрыв аппарата от водной поверхности.

При построении гидросамолетов используют две основные конструктивные схемы: в виде простого обыкновенного сухопутного самолёта у которого вместо обычного шасси специальные поплавки для приводнения, и в виде летающей лодки, в корпусе которой располагаются экипаж, пассажиры и установлено необходимое навигационно-пилотажное оборудование. Боковую остойчивость летающей лодки на плаву обеспечивают подкрыльные поплавки или «жабры» (обтекаемые водоизмещающие ёмкости), прикрепленные по бокам корпуса лодки. Гидросамолет с взлётно-посадочным устройством в виде сочетания колёсного шасси и лодки или поплавков (самолёт-амфибия) может базироваться как на акваториях, так и на сухопутных аэродромах [28].

В России первый гидросамолет поплавкового типа был создан в 1911 Я. М. Гаккелем. Этот гидросамолет был отмечен на Международной авиационной выставке в 1911 большой серебряной медалью. Приоритет в создании летающей лодки (1911) принадлежит О. С. Костовичу. Первые летающие лодки в России (М-1, М-4, М-9) были построены в 1913—1915 под рук. Д. П. Григоровича. В советское время над созданием гидросамолетов для авиации военно-морского флота и гражданской авиации СССР работали авиаконструкторы Д. П. Григорович, А. Н. Туполев (МК-1, установленные на

ч _

поплавки самолёты ТБ-1 и Р-6), Г. М. Бериев (морской ближний разведчик МБР-2, морской пассажирский МП-1; корабельные катапультные Бе-2 и Бе-4; патрульная летающая лодка Бе-6; реактивный Бе-10 и турбовинтовой самолёт-амфибия М-12), И. В. Четвериков (Че-2), В. Б. Шавров (самолёт-амфибия Ш-2) и др. За рубежом строительством гидросамолетов занимались авиационные фирмы во Франции, США, Великобритании, Германии, Италии и Японии. На гидросамолете Бе-10 в 1961 советскими лётчиками Н. И.

Андриевским и Г. И. Бурьяновым установлено 12 международных рекордов, в том числе скорости полёта (912 км/ч), высоты полёта, (14962 м) и грузоподъёмности (15206 кг). Дальнейшее развитие идёт по пути создания специализированных гидросамолетов различного назначения: для грузопассажирских перевозок в районах, изобилующих акваториями, для разведки рыбы, спасательных работ на море, тушения лесных пожаров и др [5, 58, 66].

Экраноплан можно рассматривать как летательный аппарат, близкий по конструкции к самолету, но с существенными конструктивными особенностями, обеспечивающими возможность низковысотного полета при использовании экранного эффекта. Последний заключается в значительном возрастании подъемной силы крыла при его движении вблизи опорной поверхности, когда к обычному механизму образования подъемной силы за счет разных скоростей обтекания воздушным потоком верхней и нижней поверхностей крыла добавляется действие эффекта уплотнения воздуха в пространстве между крылом и опорной поверхностью.

Для максимального использования экранного эффекта и обеспечения высоких функциональных возможностей как транспортного средства экранопланы обычно имеют следующие характерные признаки, отличающие их от самолетов [5,44, 57, 63, 66, 69, 70]:

широкое крыло малого удлинения, относительно низко посаженное на корпус, или компоновка по схеме "летающее крыло";

концевые шайбы на крыльях, улучшающие околоэкранную аэродинамику крыла, часто - шайбы-поплавки;

развитое хвостовое оперение, высокий киль (или несколько килей) с рулем направления, предельно высоко закрепленный на киле горизонтальный стабилизатор с рулем высоты;

гидродинамически совершенный корпус с днищем повышенной

прочности;

специальные устройства для облегчения старта с воды и посадки на воду - поворотные двигатели, дефлекторы, предкрылки и другие средства поддува под крыло, гидролыжи и т.п.;

специальные аппаратные и алгоритмические средства автоматического и автоматизированного управления, обеспечивающие устойчивость, эффективность и безопасность движения в разных режимах.

Действие экранного эффекта связано с тем, что обтекающий крыло воздушный поток отклоняется вниз в меньшей мере, чем при полете вдали от экрана. Под крылом происходит интенсивное подтормаживание воздуха и, следовательно, увеличение давления на нижнюю поверхность профиля. Образующуюся при этом область повышенного давления называют динамической воздушной подушкой в отличие от статической воздушной подушки, поддерживающей судно на воздушной подушке (СВП).

В числе других важных достоинств экранопланов следует отметить потенциально более высокую безопасность полета за счет возможности экстренного приводнения, пониженные требования к надежности работы двигателей и, следовательно, возможность более полной выработки их ресурса, отсутствие необходимости во взлетно-посадочной полосе и возможность выполнения специальных транспортных операций с использованием свойства амфибийности (летают, плавают по воде и "выползают" на берег), отсутствие необходимости в герметичном салоне и специальных системах жизнеобеспечения экипажа и пассажиров, возможность достижения повышенного уровня комфортности для пассажиров.

Способность осуществления взлета с воды и посадки на воду обеспечивает экраноплану большую автономность движения с возможностью запланированной или аварийной посадки в любой точке водной поверхности с приемлемыми гидрометеорологическими условиями. Однако старт непосредственно с воды (без использования каких-либо эстакад, катапульт и других специальных стартовых устройств) требует

повышенной мощности двигателей для преодоления гидродинамического сопротивления при разгоне.

Чем сильнее морское волнение при взлете экраноплана, тем больше гидродинамическое сопротивление в режиме глиссирования. Интенсивное волнение усложняет взлет также вследствие других факторов, связанных с остойчивостью, перегрузками от ударов волн, повышенными ошибками управления, нестационарностью поддуваемого под крыло воздушного потока, заливаемостью двигателей и т.п., однако мощностный фактор -основной. Ограниченная мореходность экраноплана определяется прежде всего возможностью взлета, поскольку посадка допустима при большей балльности волнения, а полет при интенсивном волнении хотя и возможен, но теряет экономичность из-за большей требуемой высоты полета.

Максимальная скорость полета Утах может в несколько раз превышать величину скорости отрыва. Однако максимальная экономичность (в смысле расхода топлива на единицу пути) достигается при скорости, меньшей Утах и не требующей всей располагаемой на борту мощности двигателей. Поэтому для достаточно больших экранопланов характерно использование нескольких двигателей, часть из которых являются стартовыми. Экономичные маршевые двигатели, обычно располагаемые в хвостовой части аппарата, обеспечивают основной режим длительного полета. Стартовые двигатели, расположенные в носовой части, используются при взлете и, возможно, при посадке, а в полете над экраном выключаются. Обычно стартовые двигатели устанавливают так, чтобы создаваемый ими воздушный поток был направлен под крыло. В некоторых проектах экранопланов предполагается использование при старте вентиляторных устройств, аналогичных применяемым на СВП.

Избыточная мощность двигателей может позволить экраноплану при необходимости отрываться от экрана и осуществлять полет в самолетном режиме. Такие "горки" необходимы, в частности, при облете крупных препятствий и смене акватории. Вместе с тем избыточный вес стартовых

двигателей, как и утяжеленный корпус повышенной прочности, приводят к некоторому снижению массовой отдачи экраноплана как транспортного средства.

Наиболее эффективными областями предполагаемого применения экранопланов являются [5, 69, 70]:

грузовое и пассажирское сообщение между островными районами и в приморских городах;

транспортировка по маршрутам "пустыня-море-лед" и "море - перешеек - море";

перевозка скоропортящихся грузов из отдаленных островных районов с неразвитой инфраструктурой;

аварийно-спасательные и поисково-спасательные работы на море;

обслуживание рыбопромыслового флота и морских буровых платформ;

круглогодичная работа в арктических районах; обеспечение запуска и посадки воздушно-космических самолетов;

Основными преимуществами экраноплана как транспортного средства являются:

авиационные скорости полета (до 400-700км/час) при высокой безопасности эксплуатации из-за минимальной высоты полета и возможность немедленной посадки в аварийной ситуации;

отсутствие потребности в дорогостоящих аэродромах или причальных сооружениях;

потенциальные возможности перевозки грузов большей массы и габаритов, чем у авиации;

повышенная комфортабельность для пассажиров, который может соотноситься с судовым;

на средних дистанциях, большая транспортная экономичность в сравнении с авиацией (нет необходимости расходовать энергию для подъема на большую высоту);

более низкая по сравнению с авиацией стоимость постройки, оборудования и эксплуатации.

К преимуществам пассажирских экранопланов перед самолетами и вертолетами следует также отнести:

отсутствие необходимости прибытия пассажиров в аэропорт, так как посадка на экраноплан может осуществляться непосредственно в центральной части портового города;

безопасность экраноплана в случае выхода из строя всех двигателей (экраноплан не коснется воды, прежде чем не достигнет посадочной скорости);

возможность полета над водной поверхностью в районах, не приспособленных для судоходства;

амфибийность экранопланов (самостоятельный выход на необорудованное побережье).

Кроме использования экранопланов для перевозки пассажиров и грузов, перспективны и другие варианты их применения. Среди них наиболее важными являются проект создания системы спасения людей с терпящих бедствие судов, в которой правильно рассредоточенные по регионам наиболее интенсивного судоходства экранопланы-спасатели способны прибыть в любую необходимую точку океана в течение не более 3-х часов, а также проект использования экраноплана в качестве разгонщика и посадочной платформы для перспективного воздушно-космического самолета (ВКС) [41, 43, 70, 80, 82] (Рисунок 1.3).

Кроме гидросамолетов и экранопланов, к морским неводоизмещающим транспортным средствам относятся аппараты на воздушной подушке и на подводных крыльях. Их не относят к ЛА, однако многие проблемы управления их движением имеют общие черты с

управлением гидросамолетами и экранопланами [5, 30, 42, 45, 58]. В частности, много общего имеют проблемы снижения влияния морского волнения для всех неводоизмещающих морских аппаратов. Россия является одним из основных мировых производителей аппаратов на воздушной подушке и аппаратов на подводных крыльях. Результаты настоящей диссертационной работы могут быть полезны и при решении проблем управления аппаратами на воздушной подушке и аппаратами на подводных крыльях.

1.2. Особенности конструкции и принципов управления морских неводоизмещающих транспортных аппаратов

Стремление использовать водную поверхность для взлета и посадки самолетов привело к необходимости разрешения проблемы движения по водной поверхности с большими скоростями. Опыт судостроения и обширные материалы по гидродинамике судов не могли быть использованы потому, что самолеты требовали для разбега скоростей хода по воде в несколько раз больших, чем максимальные скорости морских судов. Это обстоятельство заставило расширить область гидродинамических исследований, в результате чего были разработаны новые формы глиссирующих (скользящих по поверхности) корпусов.

19

ч

Проблема взлетающего с водной поверхности и садящегося на нее гидросамолета была разрешена почти одновременно, в двух основных типах гидросамолетов, одинаково применяемых и в настоящее время. Первым был построен поплавковый гидросамолет Кертиса, а несколько позже начала летать, с не меньшим успехом, летающая лодка Донне-Левека [69, 70]. Поплавковый гидросамолет получился из сухопутного самолета путем замены его колесного шасси на шасси с поплавками.

Всякий гидросамолет должен иметь плавательные приспособления той или иной формы, при помощи которых он осуществляет все маневры, связанные с осуществлением взлета, посадки и хода по воде. Следовательно, помимо полетных качеств, гидросамолет должен обладать еще и мореходными качествами, обеспечивающими ему безопасность маневрирования на воде, а также безопасный взлет и посадку при определенных ветро-волновых возмущениях.

Гидросамолет должен находиться на воде в состоянии статического плавания, когда вес его полностью поддерживается гидростатическими силами (стоянка на якоре, буксировка, дрейф, ход на малых скоростях), для чего он должен обладать достаточным запасом водоизмещения и продольной и поперечной остойчивостью, т. е. нормальными качествами корабля.

Во время разбега гидросамолет должен постепенно перейти, по мере увеличения скорости хода, на режим глиссирования, когда равнодействующая гидродинамических давлений, благодаря специальной форме днища, имеет настолько большую по величине вертикальную составляющую, что гидросамолет скользит по поверхности (ход на редане). Специальная форма днища корпуса в соединении с реданным уступом является неотъемлемой частью конструкции всякого современного гидросамолета. Растущая со скоростью аэродинамическая подъемная сила крыла создает постепенную разгрузку; максимум гидродинамического сопротивления наступает при 30-40% от взлетной скорости, после чего, благодаря дальнейшей разгрузке, оно быстро падает до нуля (отрыв), когда

весь полетный вес поддерживается крылом, и происходит взлет. С этого момента гидросамолет должен иметь нормальные полетные качества. Во время посадки гидросамолет проходит почти те же фазы, что и во время разбега, но только в обратном порядке.

По динамическим свойствам и кинематике экраноплан, как и гидросамолет является нелинейным, нестационарным и трудно идентифицируемым многомерным объектом управления [5]. От качества управления этим объектом во многом зависят достижимые технические и эксплуатационные характеристики экраноплана как транспортного средства. Поэтому несомненно, что возможности средств автоматизации управления, прежде всего в части обеспечения продольной устойчивости экраноплана и повышения точности выдерживания траектории движения в условиях интенсивных ветро-волновых возмущений, должны быть полностью реализованы [7, 11, 25, 35, 37, 45-51]. Эти возможности следует учитывать уже на ранних стадиях проектирования аппарата при расчете его аэродинамической схемы.

По сравнению с самолетом в автопилоте экраноплана должны использоваться специфические более сложные законы управления, адекватно отражающие сильную взаимосвязь вариаций различных параметров движения, сил и моментов, обусловленную влиянием экрана [5, 69, 70]. Задача состоит в том, чтобы обеспечить устойчивость и хорошую управляемость аппарата во всех необходимых режимах движения и исключить возможность достижения таких комбинаций его обобщенных фазовых координат, при которых возможна аварийная ситуация из-за потери управляемости. Эти требования дополняются ограничениями на кинематику движения, связанными с близостью опорной поверхности: недопустимостью значительного крена без соответствующего набора высоты, возрастанием роли руля направления по сравнению с элеронами при управлении по курсу, зависимостью допустимой вертикальной скорости от высоты и других параметров при маневре в вертикальной плоскости и т.д. Весьма

существенным должно быть использование средств автоматизации управления при координированных разворотах, выполнении типовых "горок", взлета и посадки. Алгоритмы управления должны учитывать мощные возмущения от морского волнения как на сам объект, так и на системы измерения параметров его движения, прежде всего высоты.

Вследствие отсутствия какого-либо запаса высоты при движении в зоне действия экрана грубые ошибки управления, например, из-за отказа какого-либо элемента автоматики, приводят к очень быстрому развитию аварийной ситуации. Это предъявляет особо высокие требования к надежности и живучести аппаратуры, реализующей основные законы управления, заставляет использовать высокую степень резервирования этой аппаратуры и специальные алгоритмы и средства автоматического технического диагностирования.

Значительная часть перечисленных проблем была решена при создании систем автоматического управления движением типа "Смена" (Гл. конструктор В.Б.Диомидов [15]). Системы "Смена", установленные на экранопланах типа "Орленок" и "Лунь", обеспечили устойчивость полета экранопланов, высокое качество стабилизации и маневрирования, антиаварийное совмещенное управление, прогнозирование движения и решение ряда других задач, обеспечили высокую отказобезопасность аппаратуры.

Близкие к авиационным скорости движения экранопланов на предельно малой высоте заставляют уделять повышенное внимание организации управления при облете препятствий, подвижных и неподвижных. Если информация, полученная визуально или с помощью радиолокационных средств, позволяет предположить, что размеры и характер препятствия могут представлять опасность для движения, то должно быть принято решение о расхождении с препятствием путем (в порядке приоритета) маневра по курсу, маневра по скорости, выполнения "горки" или, в крайнем случае, экстренной посадки. Автоматизация принятия

подобного решения связана со своевременным обнаружением конфликтующих объектов, оценкой параметров взаимного движения и общей навигационной обстановки, что требует обработки большого массива информации. Задача усложняется существенным дефицитом времени на принятие решения, поскольку из-за малой высоты полета и, соответственно, сравнительно с авиацией невысокого расположения антенны радиолокатора радиус его действия не может превышать нескольких десятков километров. Поэтому требуются специальные системы автоматизации расхождения, существенно отличающиеся и от судовых, и от авиационных систем предупреждения столкновений.

Высокие скорости и существенная зависимость экономичности от условий движения делают актуальными также задачи автоматизации навигационных вычислений, штурманских расчетов, центровки и других операций. Большой объем отображаемой экипажу пилотажно-навигационной и другой разноплановой информации обостряет необходимость построения специальных средств и алгоритмов электронного отображения в рамках интегрированного цифрового информационно-управляющего комплекса.

1.3. Направления повышения функциональной эффективности морских летательных аппаратов за счет использования средств автоматизации управления движением

Тенденция оптимизации транспортных средств и совершенствование транспортной логистики приобретает все большую актуальность в связи с необходимостью минимизации транспортных издержек и рисков в условиях обострения конкуренции во время экономического кризиса. Существенно, что богатые возможности для решения этих проблем обеспечивают современные средства вычислительной техники и автоматизация обработки информации. Современные ЛА оснащают не просто бортовыми компьютерами, а сложными рассредоточенными вычислительными сетями,

позволяющими реализовать все более сложные алгоритмы обработки информации. Оптимизация таких алгоритмов, разработка новых методов их синтеза с целью повышения функциональных возможностей транспортных аппаратов является чрезвычайно важной научно-технической задачей.

Автоматизация посадки — это передача части функций лётчика на различных этапах посадки системе автоматического управления (САУ) самолётом, а также последовательная полная автоматизация выполнения этих этапов (в данной работе в понятие «посадка» включены заход на посадку и собственно посадка). Потребность в автоматизации посадки возникла из-за необходимости расширения эксплуатационных метеоминимумов самолётов при одновременном повышении безопасности выполнения посадки, так как при посадке происходит почти 50% всех авиационных происшествий [8, 12, 28] (в том числе катастроф), причём значительная их часть является следствием ошибок пилотирования.

Правильно организованный режим посадки ЛА на взволнованную морскую поверхность позволяет повысить его мореходность, т.е. способность выполнять морские транспортные операции при определенной бальности морского волнения. Конечно, радикальным способом повышения мореходности является увеличение размеров транспортного аппарата, однако эксплуатация чрезмерно большого и тяжелого аппарата не может быть оправдана при определенном (ограниченном) грузо- и пассажиропотоке.

Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы является оптимизация направления захода на посадку по отношению к генеральному направлению распространения морских волн. При этом генеральное направление может определяться автоматически путем обработки показаний бортовых радиотехнических, оптических и других датчиков. В этом случае реализация оптимального режима захода на посадку и сама посадка требуют использования результатов численного анализа для определения параметров оптимального решения.

Ни в руководствах по пилотированию гидросамолетов и других морских JIA, ни в опубликованных кем-либо ранее результатах научных исследований по проблеме посадки на взволнованную морскую поверхность моря не упоминаются какие-либо формализованные критерии оптимальности захода на посадку, которые можно было бы использовать при разработке компьютеризированного алгоритма принятия соответствующих решений. Обычно выбор направления захода на посадку предлагается осуществить пилоту на основе своего опыта и субъективных факторов. Общеизвестна рекомендация для пилотов всех крыльевых JIA - садиться против ветра. Однако в случае посадки в штормовое море эта рекомендация не может быть достоверной. Необходим формализованный критерий для принятия действительно оптимального решения о направлении посадки, а также необходимы специальные средства и алгоритмы для информационного обеспечения оптимальной посадки.

Проблемы минимизации механических нагрузок при движении по взволнованной морской поверхности актуальны не только для гидросамолетов, но и для других морских транспортных средств, таких как экранопланы. В России в таких исследованиях заинтересованы многие научно-производственные организации, в частности - ТАНПК им Г.М. Бериева (Таганрог), ЦЬСБ по СПК" им. P.E. Алексеева (Нижний Новгород), ЦМКБ "Алмаз" (Санкт-Петербург), НПК "Сухой" (Москва), Научно-исследовательский центр (по морской авиационной технике) 30 Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации (Санкт-Петербург) и др.

Выводы:

1. Посадка морского JIA относится к наиболее

тяжелому режиму движения этих транспортных аппаратов и правильность ее выполнения существенно влияет на уровень безопасности

полета. Целесообразно привлечение всех доступных в настоящее время бортовых приборных и вычислительных средств для нахождения и реализации оптимального режима посадки.

2. Автоматизация режима посадки морского ЛА позволяет исключить субъективность в оптимальном выборе траектории посадки, повысить безопасность полета и вполне реализуема при современном уровне развития авионики и вычислительной техники. Автоматизация должна базироваться на использовании формализованного критерия качества посадки, такой критерий предлагается и исследуется в главе 4.

3. Решение задачи о нахождении оптимальных параметров режима посадки путем численного анализа характеристик морского волнения требует использования специальных алгоритмов и средств, разработке которых посвящено настоящее исследование.

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕТРОВОГО МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

2.1. Общая характеристика

Основной причиной волнообразования на море является ветер. Процесс развития ветрового морского волнения пока не имеет удовлетворительного теоретического объяснения несмотря на серьезные научные исследования, проводимые в этой области. Ясно лишь, что волны формируются вследствие турбулентности воздушного потока. Их свойства изменяются в зависимости от скорости ветра, продолжительности его действия, длины разгона и более тонких особенностей волнообразования. Энергия, переданная волнам от ветра в различных частотных диапазонах, затем перераспределяется вследствие внутреннего энергообмена за счет нелинейных взаимодействий и диссипации.

Непознанность законов волнообразования вынуждает подходить к построению модели взволнованной морской поверхности как к задаче идентификации характеристик случайного трехмерного поля по экспериментальным данным. Существенные пространственно - временные изменения условий волнообразования делают это поле в общем случае неоднородным и нестационарным.

Допущение о локальной однородности и стационарности волнения, приводящие к квазистационарности случайных погрешностей локационных и оптическихдатчиков при равномерном прямолинейном движении объекта, имеет наибольшую достоверность в случае полностью развитого ветрового волнения. Полностью развитое волнение - волнение при установлении динамического равновесия принимаемой и расходуемой волнами энергий, возникающее при достаточно больших длине разгона и продолжительности действия ветра (десятки километров и единицы часов соответственно). Полностью развитое волнение выделяется в океанографии как типовое и

наиболее часто является объектом экспериментального исследования [11, 16, 17, 39, 64]. Оно вызывает основной интерес и как источник возмущений для управляемых морских ЛА, так как при заданной средней скорости ветра имеет максимальную интенсивность и более низкочастотный спектральный состав, чем у развивающегося волнения.

Вероятностный подход к исследованию морского волнения впервые был применен более пятидесяти лет назад, что оказалось возможным в результате успехов в развитии теории случайных процессов и полей. Его формирование происходило, очевидно, под сильным влиянием идей, первоначально высказанных применительно к задачам статистической радиотехники. В настоящее время общепринятым является описание процесса изменения во времени ординаты волнения как стационарной эргодической центрированной случайной функции с нормальным законом распределения, а волновой поверхности - как стационарного нормального случайного поля, анизотропного по направлениям [11, 16, 17].

Нормальность процесса ветрового морского волнения, фактически представляющего собой суперпозицию большого числа случайных волновых систем, находится в соответствии с центральной предельной теоремой Ляпунова и хорошо подтверждается экспериментами, по крайней мере для основной части кривой плотности вероятности. Конечно, при очень сильном волнении условия выполнения центральной предельной теоремы нарушаются вследствие таких нелинейных эффектов, как опрокидывание гребней волны, несимметричность их уклонов и т.п. [11, 24, 28] Это приводит к некоторому отклонению плотности вероятности ординат волнения от нормальной при больших значениях аргумента. Однако такое отклонение незначительно и для рассматриваемого класса задач справедливость гаусовской модели морского волнения не вызывает сомнений.

При гаусовской модели ординат точки взволнованной морской поверхности с нулевым средним значением, справедлив релеевский закон распределения высот волн [11, 52]

/(Я) = Я > 0, сгу>0,

У У

где <ту - среднеквадратическая величина волновых ординат, Н - высота волн по отношению к среднему уровню моря.

Соответствующий интегральный закон распределения имеет вид Р{Н <И)~ / дяуя = 14ехР (-4*^ = 1 - ехр(-^),

О О СГу <Уу 1(7у

Высоту волн с обеспеченностью 3% принято считать мерой интенсивности волнения. В соответствии с используемой в России и многих других странах шкалой весь возможный диапазон изменения величины ку/о разбит на 9 интервалов, характеризующихся определенной бальностью. Верхней границей для волнения в 3 балла является величина к3% — 1,5 м, в 4 балла - к3о/о = 2м. Для решаемых в данной диссертации задачах эти режимы волнения представляют самый большой интерес. Необходимо отметить, что в океанографии под высотой волны принимается расстояние по вертикальной оси между максимальным и минимальным уровнями, которые следуют друг за другом и расположены по разные стороны от среднего уровня моря, а не 1/2 этой величины.

По распределению высот волн по закону Релея величину к3о/о легко связать с дисперсией волновых ординат сг2у формулой [11]

Р(Я < КЛ) = 1-ехр(-^-) = 0.97,

У

и 2 2

откуда ехр(-^%_) = 0.03, = ЬгО.ОЗ и в результате

А,н = 2у]-2сГу 1п(0.03) = 5.21 сгу. (2.1)

При решении различных задач исследования морской техники и морских транспортных аппаратов используют различные по сложности модели морского волнения наиболее простая модель - двумерное гармоническое (регулярное) волнение. Более сложная модель - двумерное нерегулярное

30

волнение. Еще более сложная спектральная модель морского волнения -трехмерная нерегулярная модель. Для анализа штормовых явлений используют нелинейные модели волнения, однако в настоящей работе задача посадки в очень сильный шторм не рассматривается, она не имеет практического смысла по соображениям безопасности. В морской метеорологии широко используются модели ветрового волнения, основанные на численном решении уравнения баланса энергии волн в спектральном представлении, описывающем эволюцию спектра волн под действием внешних полей, одним из которых является поле ветра. При этом появляется возможность исследовать нестационарность морского волнения, однако применительно к задаче посадки в ограниченном интервале времени нестационарность волнения не является существенной.

В настоящее время для большинства исследователей наиболее распространенной моделью волнения является трехмерная нерегулярная модель В.Пирсона [11] (Рисунок 2.1.). Ветровое волнение в ней представляют как суперпозицию бесконечного множества простейших цилиндрических волн с разными частотами, амплитудами, фазами и направлениями распространения. При этом в неподвижной системе координат (к^Уо^о, где плоскость (ко^о горизонтальна и ось Ох0 совпадает с направлением ветра, ордината волновой поверхности изменяется по закону:

Уо(t,x0,z0) = YT,ау cos(Q/ - к,х0 eosх, ~ Kzo sin + £иX i2-2)

' j

i

где Q, - круговая частота, ац - амплитуда, k¡ - частота формы, е,у - начальная фаза, равномерно распределенная в интервале [0, 2п), jj - направление распространения элементарной волны относительно направления ветра и оси Ох0.

i

ч

Рисунок 2.1. Трехмерная нерегулярная модель волнения ВЛЪгасона

Все простейшие волны подчиняются всем законам классической гидродинамики. В частном случае, при большой глубине моря круговая частота О, частоты формы к, длина волны Я и ее скорость распространения и связаны следующими соотношениями [11, 16, 72, 71]

и=п/к = ^/к=§/а, я = 2^/а2, (2.3)

где g - ускорение силы тяжести.

2.2. Двумерный спектр мощности волнения

Пусть элементарная волна с амплитудой ау и дисперсией ординат <т2 - а2 /2 - единственная волна, направление распространения которой и

частота принадлежит следующим соответствующим интервалам и

[0„0,+Д0). Следуя [11], представим ее амплитуду в виде

= ^-^(П.^ДП-Д*, (2.4)

где 5(0,,х^ - функция, которая характеризует распределение мощности волнения по направлениям распространения и частотам. Соответственно дисперсия ординат волновой поверхности с учетом (2.2) составит

= IX < /2 = 11 («,' ^ )ЛО •(2-5)

<7 ' }

Полагая функцию 8У(0.,%) непрерывной и интегрируемой в области определения О е [0,оо), % е [-л/2, л /2], перейдем от суммы (2.5) к интегралу

су;=]-)]5у{П,хУШх, (2.6)

71 я- О

где 8у(£1,у) имеет смысл двумерной спектральной плотности волнения.

В силу нормальности процесса морского волнения двумерная спектральная плотность позволяет найти любые его статистические характеристики, т.е. дает его полное статистическое описание.

Интегрирование двумерной спектральной плотности по одному из аргументов (по углу %) позволяет получить одномерную спектральную плотность волнения

к

к

2

описывающую спектральный состав процесса изменения во времени ординаты любой точки волновой поверхности с фиксированными координатами проекции на горизонтальную плоскость Ох^о, и получить закон углового распределения мощности волнения при интегрировании по частоте П:

ж О

л 2

удовлетворяющий условию нормировки } 0(%)с1х -1.

я 1

Существенно, что абсолютное большинство накопленных в ч океанографии экспериментальных данных относится к одномерной

спектральной плотности которую получают в результате обработки

записей выходных сигналов довольно простых по конструкции волнографов [11, 16]. Измерение двумерной спектральной плотности волнения и функции 9(х) связано со значительно более существенными техническими трудностями [16]. Экспериментальные данные в этой области малочисленны и имеют сравнительно низкую достоверность. По-видимому, это

обстоятельство вместе с требованием простоты математической модели явилось причиной широко практикуемого в литературе по океанографии представления двумерной спектральной плотности в виде произведения двух функций с разделенными аргументами (факторизация спектральной плотности)

(2-7)

Физически данная запись означает принятие гипотезы о взаимной независимости законов углового и частотного распределений мощности волнения.

Для функции 0(х) обычно применяют выражения следующего вида

[11]:

в{Х) = р{1)^Х, ^ [-§,§], (2.8)

удовлетворяющие условно нормировки при

/?(/) = 2'~2/я--1Г2(/ 12)1 Г(/), (2.9)

где Г(х) - гамма-функция. Естественно, что в соответствии с (2.8) максимум мощности волнения приходится на направления % = О, совпадающее с направлением ветра. Оно называется генеральным направлением распространения волн.

Эмпирические распределения направлений распространения ветровых волн аналогичны распределениям направлений ветра в штормовом море. Поэтому можно определить направление ветра, зная направление распространения ветровых морских волн.

2.3. Пространственный спектр волновой поверхности

Пространственный спектр возвышений "замороженной" волновой поверхности Еу(к,\\г) в произвольном направлении \|/ относительно генерального направления распространения волн найдем как сумму элементарных спектров Еу1/к,\\1) сечений вертикальной плоскостью, повернутой на угол у/, двумерных волновых поверхностей, каждая из которых образуется волнами, распространяющимися в узком угловом секторе [А/) [11]. В пределе при А/ -» 0 можно записать интеграл

я

Еу{к,¥)=)Еуч,{к,ХУх, (2-10)

л 1

где к - частота формы волны в направлении у.

Для простейшей волны, с направлением распространения \|/ и имеющей в этом направлении частоту формы к^, справедлива формула к-к¥\соъ{х ~¥% Поэтому, учитывая дисперсионное соотношение

к^ = С12^ и используя двумерный спектр мощности волнения 8у(£1,у), можно записать

Е„{к,Х) = 8,[СКк),Х]-дСКк)/дк , (2.11)

где С1(к) = •

Подстановка (2.11) в (2.10) дает выражение для пространственной спектральной плотности возвышений точек волновой поверхности

(2.12)

2.4. Вывод расчетного выражения для пространственной спектральной плотности волнения

В отношении одномерной спектральной плотности мощности волнения являющейся практически сомножителем в выражении (2.7),

практически все исследователи приходят к выводу о возможности использования формулы Р. Барлинга [11,16]:

где А и В - размерные параметры, тип - безразмерные коэффициенты, т > 5, п > 2. Среди большого числа вариантов спектра вида (2.13) выделим для подробного рассмотрения два наиболее часто используемых спектра: спектр В.Пирсона и Л.Мошковица, рекомендованный в 1966 году Международной Конференцией Опытных Бассейнов (МКОБ) в качестве стандартного, и спектр Г.Неймана, лучше других согласующийся с экспериментальными данными в низкочастотной области. Указанные спектры имеют соответственно значения параметров т - 5, п = 4, А = 1,62х 10"2 тщ2, В =

0,140g2/и2 и т = 6, п - 2, А = 3,05 п2 Им2с 5, В = 2g2/о4, где и - скорость ветра, вызвавшего волнение. Обратим внимание на то, что приведенные значения параметра А отличаются от принятых в океанографии множителем л. Это связано с использованием в океанограф™ и в теории качки корабля

отличие от настоящей работы (тогда в формулу (2.6) тоже не входит указанный множитель).

5у(П) = АОГт ехр(~ВОГп)

(2.13)

определение спектральной плотности 5У(П), не содержащий множителя ж'1 в

В инженерной практике интенсивность волнения, от которой зависит параметр В, удобно задавать высотой волн трехпроцентной обеспеченности, а не скоростью ветра и, как в океанографии. Поэтому найдем связь между величинами и, и В.

Проинтегрировав спектральную плотность (2.13), после преобразований получим формулу для дисперсии ординат волнения [11]

О-2 =1?5Д0)^0 = (шг)-тГ—^\АВ('-тУп. (2.14)

яг о

v п у

Учитывая соотношение (2.1), получим

В =

5,272 (п7г)~х Г {——-1 • АЬй,

\ п )

п!(т-\)

откуда следует, что для спектра Пирсона-Мошковица

В = 0,112^ //4Д% = 0,391^2, Б (О.) = 1,62-10~2^2П~5 ехр(-0,1

(2.15)

(2.16)

и для спектра Неймана

В = (6,0\^с^)/^,кт=(3395м-с^2)(и/8Уп, (2-17)

(П) = (4,79 м2сь )яСГ ехр[-(6,01м4'5 с~2 )И£*Ог2 ]. (2.18)

Основным рабочим выражением для спектральной плотности будем считать формулу Пирсона-Мошковица (2.16), а формулу Неймана (2.18) рассматривать как дополнительный альтернативный вариант, используемый в наиболее ответственных случаях вместе с основным для сравнения

результатов. В пользу такого выбора кроме рекомендаций МКОБ свидетельствуют еще два обстоятельства. Во-первых, из формулы Неймана и выражения (2.17) следует, что высота волн зависит от скорости ветра в степени 5/2, а из формулы Пирсона-Мошковица и выражения (2.15) - в степени 2, что совпадает с результатами океанографических наблюдений.

Во-вторых, следует заметить, что формула Пирсона-Мошковица, как и другие выражения для спектральной плотности волнения вида (2.13) при т <6, дает бесконечно большое значение дисперсии уклонов волн <т^7 в

соответствии с равенством

(2-19)

«6 О

Причина состоит по-видимому в том, что не учитывается увеличение скорости затухания спектра волнения при переходе от "участка равновесия" в область очень коротких, так называемых капиллярных волн. Напротив, формула Неймана (2.18) после постановки в (2.19) и интегрирования дает

8 3 2

вполне непротиворечивое выражение сг^ =(0,31 \мsc'~A)л1g~2h¡%. При к3о/о =

3,5м получим = 0,172 рад = 9,85°, а по данным наблюдений

среднеквадратичное значение уклонов для волнения такой балльности составляет 6-11°.

В рассматриваемых далее прикладных задачах различие результатов, получаемых на основе формул (2.16) и (2.18), оказывается весьма небольшим за счет того обстоятельства, что представляют интерес средние уклоны по отрезку и площади конечных размеров, при расчете которых роль наиболее высокочастотной части спектра волнения ограничена.

При нахождении пространственных спектров и корреляционных функций морского волнения воспользуемся двумерным спектром мощности волнения, описываемым выражениями (2.7 - 2.13).

Принимая закон углового распределения мощности волнения в виде (2.8) при / = 2, а одномерный спектр волнения в виде (2.16), запишем выражение (2.12) для пространственной спектральной плотности следующим образом:

г п ч 5,16-ю"3я-

Еу(к,у/) =---х

jr/2

х J cos^j-^cos^exp

-Я-/2

0,U2cos2{x-V)

(2.20)

d%

Введем в (2.20) новую переменную интегрирования X'~ %~Ч/ и воспользуемся тригонометрическими преобразованиями:

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Небылов, Владимир Александрович

Выводы по пятой главе:

1. Разработана программа моделирования изображения волновой поверхности и проанализированы результаты работы данной программы. Программа позволяет получать изображения, практически идентичные реальным изображениям морской поверхности.

2. Получены оценки среднеквадратической погрешности предложенного метода определения генерального направления распространения морских волн. Они составили 2° при 1-2х бальном волнении 8° при 3-4х бальном волнении и 15° при 5-6ти балльном волнении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К важнейшим научным результатам диссертационного исследования можно отнести следующие.

1. Адаптирована трехмерная нерегулярная математическая модель морского волнения В.Пирсона применительно к анализу возмущений, действующих при посадке морского ЛА.

2. Предложен и обоснован критерий оптимизации направления захода на посадку в условиях взволнованного моря.

3. Разработан алгоритм и вычислительная процедура исследования значения целевой функции оптимизации направления захода на посадку относительно генерального направления распространения морских волн.

4. Разработан и исследован метод автоматической оценки генерального направления распространения морских волн по цифровым фотографиям возмущенной морской поверхности.

5. Разработана методика численного моделирования и исследования эффективности алгоритма выбора направления захода на посадку морского ЛА.

Результаты исследований показывают, зависимость оптимального направления посадки от балльности морского волнения, скорости ветра и посадочной скорости летательного аппарата. Разработанные технологии позволяют повысить всепогодность морского ЛА при эксплуатации.

В плане дальнейших исследований предполагается обоснование общей структуры информационно-управляющего комплекса аппарата для движения вблизи морской поверхности, включающей приборные и алгоритмические средства измерения параметров движения, измерения характеристик и анизотропии неровностей волновой поверхности, средства экстраполяции, синтезатор оптимальной желаемой траектории движения и средства реализации этой траектории по принципу комбинированного управления по рассогласованиям и по возмущениям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Небылов, Владимир Александрович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авиационная радионавигация: Справочник/ Под ред.А.А.Сосновского. М.,Транспорт, 1990. 264 с.

2. Анисимов Б.В. и др., Распознавание и цифровая обработка изображений. «Высшая школа» ,1983.

3. Бабаев А.Б., Парфентьев В.Н., Петров Ю.А., Прахов В.П. Некоторые особенности работы радиовысотомеров на сверхмалых высотах над морем. Труды, Вып. 193. МЭИ, 1974. с.149-152.

4. Бабич О.А.Обработка информации в навигационных комплексах. М., Машиностроение, 1991. 512 с.

5. Белавин Н.И. Экранопланы. Л., Судостроение, 1977. 232 с.

6. Бесекерский В.А., Елисеев A.A., Небылов A.B. и другие. Радиоавтоматика. М., Высшая школа, 1985. 271 с.

7. Бесекерский В.А., Небылов A.B. Робастные системы автоматического управления. М., Наука, 1983. 240 с.

8. Беляков Ю.М. и друг., 'ИК-система наблюдения, обеспечивающая безопасность движения экраноплана в условиях плохой видимости'..//ЭКРАНОПЛАН - 96. . Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., 11-13 сент. 1996 - 1996

9. Боднер В.А. Приборы первичной информации. М., Машиностроение. 1981.344 с.

Ю.Бокс Дж., Дженкинс Г., Анализ временных рядов, прогноз и управление. М: Мир, 1974.

П.Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов. Л., Судостроение, 1982. 287 с.

12.Ветер, волны и морские порты /Под ред.Ю.М.Крылова. Л., Гидрометеоиздат, 1986. 264 с.

13.Гарнакерьян A.A., Сосунов A.C. Радиолокация морской поверхности. 1978, 150 с. .

14. Го ль дин Ю.А., Кагайн В. Э., Кельбалиханов Б.Ф., Локк Я.Э., Пелевин В.Н. Локация волнующейся поверхности моря с помощью ОКГ с борта вертолета. В сб.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Новосибирск: Наука, 1979,с.135.

15.Гонсалес Р., Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005.

16.Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный и гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.287.

17.Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение в мировом океане. Л., Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

18.Диомидов В.Б., Небылов A.B. Оптимальная оценка координаты по данным позиционного радиотехнического измерителя и акселерометра при ограниченном наблюдательном времени. В кн.: Помехозащищенность радиоэлектронных устройств систем управления. Л., ЛИАП, 1974. Вып.88 с.16-21.

19.Дьяконов В., Ирина А. MATLAB обработка сигналов и изображений. СПБ.: «Питер», 2002.

20.Ермаков Д.М., Смирнов М.Т. Натурные исследования взволнованной морской поверхности совместными оптическими и СВЧ радиометрическими методами // Радиотехника и электроника. 2004. №4, с. 431-438.

21.Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. М., Советское радио, 1979. 320 с.

22.3агородников A.A. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. Л., Гидрометеоиздат, 1978. 239 с.

23.Иванов Ю.П., Синяков А.Н., Филатов. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов. Л., Машиностроение, 1984. 207 с.

24.Иконников В.В., Маскалик а.И. Особенности проектирования и конструкции СПК., Л., Судостроение, 1987. 318с.

25.Карпов А.Е. и др.'Система наблюдения за окружающим пространством с борта экраноплана'.//ЭКРАНОПЛАН - 96. . Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., 11-13 сент. 1996- 1996

26.Катханов М.Н. Теория судовых автоматических систем. Л., Судостроение, 1985. 374 с.

27.Кашкин В. Б., Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М. : Логос, 2001.

28.Короткин И.М. Авария судов на воздушной подушке и подводных крыльях. Л., Судостроение, 1981. 216 с.

29.Костюк А. И., Разработка и исследование системы идентификации и цифровой обработки изображений на основе многопроцессорных вычислительных систем. Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н., 1997.

30.Кравчук C.B., Маскалик А.И., Привалов А.И. Летящий над волнами. Киев, Аэрохобби. N 2. 1992. с.2-10.

31.Крамер Г. Математические методы статистики Пер. с англ. А. С. Монина и А. А. Петрова под редакцией академика А. Н. Колмогорова Издание второе, стереотипное Изд-во «МИР» Москва 1975.

32.Кузьмин A.B., Поспелов М.Н., Садовский И.Н. Микроволновые радиометрические исследования морской поверхности в прибрежной зоне Черного моря // Сборник статей. Москва, ГРАНП-Полиграф, 2005. С. 103-110.

33.Лернер Д.М., Лукомский Ю.А., Михайлов В.А. и др. Управление ч морскими подвижными объектами Л., Судостроение, 1979. 271 с.

34.Лонге-Хиггинс М.С. Статистический анализ случайной движущейся поверхности. В сб.: Ветровые волны, М.: Иностранная литература, 1962, с.125.

35.Лукомский Ю.А., Чугунов B.C. Системы управления морскими подвижными объектами. Л., Судостроение, 1988. 272 с.

36. Лурье И. К., Теория и практика цифровой обработки изображений. М. : Науч. мир, 2003.

37.Макливи Р. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. Пер. с англ. JL, Судостроение, 1981. 208 с.

38.Мартинес Ф. Синтез изображений Принципы, аппаратное и программное обеспечение. М.:«Радио и связь», 1990.

39.Марцинкевич Л.М. Распределение уклонов взволнованной поверхности моря. Метеорология и гидрология, 1970, № 10, с.41-55.

40. Микропроцессорные системы автоматического управления /Под ред.В.А.Бесекерского., Л.Машиностроение, 1988. 365 с.

41.Небылов A.B. Робастный подход к синтезу комплексированных измерителей параметров движения. Изд-во вузов СССР Приборостроение, т.23. N 1990. с.85-90.

42.Небылов A.B. Измерение параметров полета вблизи морской поверхности. ГУАП, 1994.

43.Небылов A.B. «Проблемы и методы синтеза автопилота тяжелого экраноплана», «Авиакосмическое приборостроение», Научтехлитиздат, Москва, №2, 2011, с. 15-22.

44.Небылов A.B., Небылов В.А., «Принципы построения системы управления полетом тяжелого транспортного аппарата с экранным эффектом», «Известия вузов - Приборостроение», №8, Санкт-Петербург, 2011, с.35-43.

45.Небылов В. А., Шепета А. П., Управление посадкой морского ч летательного аппарата с учетом волновых возмущений, XXXIII

сборник трудов Междуведомственного совета, 2006, Москва ИПУ РАН, с.216-219

46.Небылов В. А., Алгоритмы оценки генерального направления распространения морских волн по цифровому фотоизображению морской поверхности, Сборник трудов, Москва, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, 2007. с. 55

47.Небылов А. В., Шепета А. П., Небылов В. А., Управление посадкой гидросамолета с использованием текущей информации о волновых возмущениях, труды XV международная конференция по интегрированным навигационным системам 2008 г., Санкт-Петербург.

48.Небылов В. А., Оптимизация траектории посадки гидросамолета с учетом волновых возмущений, труды 10-ой конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2008г.

49.Небылов А. В., Небылов В. А., Задача выбора направления захода на посадку морского летательного аппарата, Сборник докладов 35-ой Всероссийской конференции по управлению движением морских судов и специальных аппаратов, Москва-Адлер, июнь, 2008г.

50.Небылов В. А., Алгоритмы оптимизации выбора направления захода на посадку морского летательного аппарата, Сборник докладов Научной сессии ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики, ГУАП, Санкт-Петербург, 2009.

51.Небылов В. А., Автоматизация выбора траектории посадки морского JIA с учетом волновых возмущений, Журнал "Информационно-управляющие системы", ГУАП, Санкт-Петербург, 2009.

52.Плисов Н.Б., Рождественский К.В., Трешков В.К. Аэрогидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. Л., Судостроение, 1991. 248 с.

53.Приоров А. Л., Цифровая обработка изображений. Ярославль : ЯрГУ, 2007

54.Путятин Е.П., Аверин С.И., Обработка изображений в робототехнике. М: «Машиностроение». 1990

5 5. Садовский И.Н. Алгоритм восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярных волн на основе данных угловых радиополяриметрических измерений // 7-я Международная научно-

технич. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии»: Сб. докл. Владимир, 2006. С. 79-82.

56.Сальников И.И., Проектирование микропроцессорных устройств обработки изображений. Пенза : Изд-во ПТУ, 1996.

57.Синицын Д. Н., Первый гражданский экраноплан "Амфистар". СПб, «Судостроение», 1999.

58.Соколов В.В. Новое поколение крылатых судов. Судостроение, N 1. 1991. с.3-7.

59.Хименко В.И., Тихонов В.И. Выбросы траекторий случайных процессов.- М.: Наука, 1987.

бО.Челпанов И.Б. Несенюк Л.П., Брагинский М.В. Расчет характеристик навигационных гироприборов. Л., Судостроение, 1978. 264 с.

61.Чигин Т.П., Силаев А.И. Синтез алгоритмов оценивания параметров вертикального движения летательного аппарата. Изв.АН СССР. Техническая кибернетика. 1982. N 1. с. 177-188.

62.Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации, м., Радио и связь, 1985. 343 с.

63.Ambrosovski,V.M. and A.V. Nebylov (2000). Flight Parameters Monitoring System for Small WIG-Craft In: III International Conference on Ground-Effect Machines / The RSME, Russian Branch. Saint-Petersburg, pp. 15-25.

64.Apel J.R. An improved ocean surface wave vector spectrum // J. Geophysical Research. 1994. V. 99. P. 16 269-16 291.

65.Elfouhaily Т., Chapron В., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves // J. Geophysical Research. 1997. V. 102. P. 15 781-15 796.

66.Fishwick, S. (2001). Low flying boats. Amateur Yacht Research Society, Thorpe Bay.

67.Hammond D.L, Mennelld R.A., Walsh E.J. Short pulse radar used to measure sea surface wind speed and SWH.- IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1977, v.AP-25, N1, p.61.

68.Kuzmin A.V., Pospelov M.N. Retrieval of Gravity-Capillary Spectrum Parameters by Means of Microwave Radiometric Techniques // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 43, No. 5, 983-989, 2005.

69.Nebylov, A.V., and P.Wilson (2002). Ekranoplane - Controlled Flight close to Surface. WIT-Press, Southampton, UK.

70.Nebylov, A.V., S.N. Danilov, V.A. Nebylov, E.A Rumyantseva. (2005). Wing-in-Ground Flight Automatic Control Systems. XVI IFAC World Congress, Prague.

71.Nebylov, A.V. (1996). Structural Optimization of Motion Control System Close to the Rough Sea. 13th IFAC World Congress, Vol.Q, San Francisco, pp.375-380.

72.Nebylov, A.V.(1994). Measurement of parameters of flight close to the sea surface. GAAP, Saint-Petersburg (in Russian).

73 .Nebylov A.V., Daniel Davila, Sukrit Sharan., Nebylov V. A., Flight Automatic Control Systems For The Wing-In-Ground Effect Craft Buchon-1, The 3-rd International IEEE Scientific Conference on Physics and Control (PhysCon2007), Potsdam, Germany, 2007

74.Nebylov A.V., Shepeta A. P., Panferov A. I.., Nebylov V. A., Sea plane landing control at wave disturbances , 17th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, 2007, ONERA, Toulouse, France. Book of Abstracts, p.46, and Proceeding on CD

75.Nebylov V. A., WIG-Craft Marine Landing Control At Rough Sea, 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, 2008.

76.Nebylov A.V., Shepeta A. P., Panferov A. I.., Nebylov V. A., Sea plane landing control at wave disturbances Control Engineering Practice., 2008.

77.Nebylov A.V., Shepeta A. P., Panferov A. I.., Nebylov V. A., Wing-in-ground effect flight control: new role of automatic systems, 2009.

78.Nebylov, A.V., et al (1995). Sea wave parameters, small altitudes and distances measurers design for motion control systems. In: AGARD-NATO

CP-556, Dual Usage of Military and Commercial Technology on Guidance and Control, Neuilly-sur-Seine, France, pp.201-212.

79.Nebylov, A.V., et al (2007). Sea plane landing control at wave disturbances. 17th IF AC Symposium on Automatic Control in Aerospace, Toulouse.

80.Nebylov, A.V., V.A.Nebylov. «Control Strategies of Spaceplane docking and undocking with other winged vehicle», XVIII IF AC World Congress, August - September 2011, Milan, Italy, p. 2109-2114.

81.Nebylov, A.V., V.A.Nebylov. «Seaplane Landing Smart Control at Wave Disturbances», XVIII IF AC World Congress, August - September 2011, Milan, Italy, p. 3021-3026.

82.Nebylov, A.V., «WIG-Craft Flight Control Principles and Systems», The plenary lecture at the 4th European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS), audience of 550 participants. EUCASS Association, Saint-Petersburg, 2011, p. 1-12.

83.Nebylov, A.V., Gennady Jatchevitch, Vladimir Nebylov. «New Structures and Algorithms of Altimeters for Controlling Vehicles Motion at Low and Superlow Altitudes», Embedded Guidance, Navigation and Control in Aerospace (IFAC-EGNCA 2012), Bangalore.

84,Opstal, E.P.E. van, (2001). Introduction to WIG Technology. Proceedings of the EuroAvia Ground Effect Symposium - EAGES, Toulouse, pp. 13-44.

85.Romeiser R., Alpers W., Wismann V. An improved composite surface model for the radar backscattering cross section of the ocean surface. 1. Theory of the model and optimization/validation by scatterometer data // J. Geophysical Research. 1997. V. 102. P. 25 237-25 250.

86.Taylor, G.K. (2001). A Practical Guide to Building Ekranoplan (WIG) Models. Proceedings of the EuroAvia Ground Effect Symposium - EAGES 2001, Toulouse, pp.145-161.