Из всех режимов полета летательных аппаратов (ЛА) наиболее сложным и напряженным является режим захода на посадку и непосредственно посадки. Связано это, в первую очередь, с большой степенью аварийности ЛА на этом режиме, вследствие быстротечности процесса посадки и очень высокой нервно-психологической нагрузки экипажа. Данный режим имеет достаточно высокую скоротечность и требует от экипажа уверенных, слаженных действий, быстрой реакции на происходящие изменения. Время на заход на посадку и посадку занимает не более 1-2% всего времени полета, однако на этот режим приходится более 50% всех авиационных происшествий (АП). За последние 40 лет на этот режим пришлось около 55% всех потерь. Трудности управления особенно возрастают в условиях плохой видимости (туман, темнота), когда зрительное ориентирование затруднено или невозможно [1].

Реализация автоматической посадки ЛА, что весьма актуально для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), представляет еще более сложную задачу. В этом случае, вместо летчика бортовая система управления должна решать задачи планирования действий, оценки текущего состояния и управления исполнительными органами. При этом система управления (СУ) должна обеспечивать устойчивость, малое время отработки больших отклонений, адаптивность к воздействию возмущений и точность выхода в заданную точку приземления.

В соответствии с принятой ИКАО классификацией, различают три основные категории посадки в зависимости от параметров метеоминимумов - дальности видимости и высоты нижней границы облаков (таблица 1.1.1.1)

Таблица 1.1.1.1. Категории систем посадки (классификация ИКАО)

Классификационный параметр

Категории систем посадки

I

II

IIIa

IIIb

IIIc

Дальность видимости, м

800

400

200

50

0

Высота нижней границы облаков, м

60

30

30

0

0

Стоит пояснить, что системы посадки категории I обеспечивают автоматический возврат воздушного судна в район аэродрома и снижение его по глиссаде до высоты 60 м над ВПП в условиях низкой облачности. Системы посадки категории II обеспечивают автоматический возврат воздушного судна в район аэродрома и движение его по глиссаде до высоты 30 м при еще более низкой облачности. Системы посадки категории IIIb обеспечивает автоматическую посадку ВС в условиях тумана. И, наконец, системы посадки категории IIIс обеспечивают автоматическую посадку ВС в условиях полного отсутствия видимости и автоматическое движение его по рулежной дорожке к месту стоянки [2].

Как следует из таблицы 1.1.1.1, для автоматической посадки БЛА подходят только системы посадки категории IIIb и IIIc. В то же время абсолютное большинство аэродромов России оснащено системами посадки, обеспечивающими посадку по категории не выше I и лишь аэропорты первого класса Домодедово, Внуково и Шереметьево, оборудованы системами, обеспечивающими посадку по категории II.

Для начала, введем понятие подготовленной площадки. Вот типичное требование из эксплуатационной документации к подобной площадке для спасения БЛА тактического назначения [3]:

- подготовленная площадка должна представлять собой ровную площадку с наклоном не более , без заболоченных участков, участков с рыхлым грунтом или песком, ям, глубоких колей от транспортных средств, столбов, деревьев, кустарника, камней и иных предметов, о которые может повредиться БЛА при посадке;

- при необходимости возможна очистка площадки от препятствий с помощью имеющихся в наличии штатных и подручных средств;

- прочность грунта не менее 5кгс/см2;

- площадка не должна находиться ближе 100-150 м от границ “поле лес” и “суша - водная поверхность” в связи с сильной турбулентностью атмосферы вблизи этих районов.

К настоящему моменту все известные способы посадки БЛА можно классифицировать следующим образом:

- на подготовленную площадку, дополнительно оборудованную специализированными устройствами механического захвата;

- по-самолетному на подготовленную площадку, дополнительно оборудованную радиотехническими средствами посадки;

- по-самолетному на подготовленную, но необорудованную радиотехническими средствами посадки площадку с использованием только бортового комплекса измерительно-информационной аппаратуры;

- на подготовленную, но необорудованную радиотехническими средствами посадки площадку с использованием парашюта и шасси, как средства амортизации.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных способов посадки.

Посадка на подготовленную площадку, дополнительно оборудованную специализированными устройствами механического захвата.

Примером может служить посадка БЛА захватом сетью. Сама сеть имеет существенно меньшие, по сравнению с площадкой, размеры, однако весомы и недостатки такой системы:

- ограничены посадочная масса и скорости ЛА (), что связано с прочностными возможностями и размерами сети;

- система посадки в сеть требует специальной аппаратуры автоматического наведения, включающей в себя бортовые ИК-излучатели и ИК-пеленгаторы, устанавливаемые на сеть;

- требуется значительное время для развертывания и свертывания системы;

- довольно большие габариты сети улавливания, определяемые размерами БЛА, снижают мобильность всего комплекса и повышают уровень демаскирующих признаков.

Наибольшие успехи в разработке таких наземных систем спасения БЛА были достигнуты в середине 80-х гг. в США и ФРГ. Система, разработанная фирмой Lockheed США, размещается на одном армейском грузовике, включает в себя вертикальную сеть размером 7x5 м и все необходимые элементы, позволяющие улавливать БЛА массой до 180 кг. Даже поверхностное знакомство с одной из наиболее отработанных систем данного класса дает представление о конструктивной и эксплуатационной сложности, высокой стоимости системы, что во многом объясняет причину того, что подобные системы не получили широкого распространения в комплексах БЛА. Однако, вследствие уникальных эксплуатационных и технических особенностей, с которыми приходится сталкиваться при запуске БЛА с кораблей, этот способ спасения является пока наиболее приемлемым и целесообразным при операциях с БЛА на море. И прежде всего он выгоден тем, что это - “сухой” метод, в отличие от спуска аппарата на парашюте, который, чаще всего, заканчивается посадкой в соленую воду и приводит тем самым к значительным затратам на восстановительный ремонт аппарата. Кроме того, посадка аппарата на воду ограничивает возможности маневра соединений кораблей, а если на корабле нет вертолета и нужно спускать шлюпку, то в открытом море спасение может оказаться невозможным.

Посадка по-самолетному на подготовленную площадку, дополнительно оборудованную радиотехническими средствами посадки.

На подготовленную площадку посадка БЛА современных комплексов осуществляется в ручном или автоматическом режимах. В первом случае посадка аппарата осуществляется по командам специального члена экипажа комплекса – “оператора посадки”, который визуально контролирует все этапы посадки и управляет летательным аппаратом с помощью радиокоманд. Такой способ посадки применяется в основном для сверхлегких и легких БЛА; возможен только в условиях хорошей видимости в районе посадки и при наличии опытного, высококлассного специалиста.

Автоматическая самолетная посадка может быть выполнена двумя способами. Первый способ, применяемый в настоящее время, состоит в использовании специальной аппаратуры, установленной на земле и на БЛА. Аппаратура, расположенная на земле формирует световой луч (радиолуч), а датчики, установленные на БЛА, вырабатывают сигналы пропорциональные отклонению центра масс аппарата от сформированного луча. Бортовой вычислитель системы посадки передает эту информацию вычислителю САУ для формирования соответствующих отклонений рулевых поверхностей аппарата. Примером такой системы посадки может служить применяемая на большинстве аэродромов ILS (Instrumental Landing System) или система посадки “Максант” (рис.1.1.1.1), предназначенная для посадки ЛА по II-IIIа категориям. Она основана на высокоточном определении трех текущих координат БЛА (курса, дальности и высоты) разностно-дальномерным способом. Для этого вокруг ВПП устанавливается не менее 4 радиомаяков, излучающих кодированные радиосигналы. Один из маяков – ведущий, остальные – переизлучающие, которые после приема сигнала от ведущего маяка излучают свои собственные кодированные сигналы. На борту БЛА устанавливается аппаратура приема всех этих сигналов и их обработки. Она выполнена в двух вариантах:

- с пеленгатором, обеспечивающим привод БЛА в зону посадки, когда после выполнения задания БЛА не может выйти в зону посадки с помощью широко используемых в настоящее время систем GPS/ГЛОНАСС (например, когда эти системы подавлены средствами радиолокационного противодействия);

- без пеленгатора, т.е. когда привод БЛА в зону посадки осуществляется, например, с помощью систем GPS/ГЛОНАСС.

Для осуществления посадки в бортовой аппаратуре измеряются разности времен прихода сигналов радиомаяков на БЛА. По результатам измерения и известным координатам наземных маяков в бортовом процессоре БЛА вычисляются координаты БЛА относительно точки посадки. В процессор перед полетом закладывается желаемая траектория снижения (глиссада). Вычисляемые на борту координаты БЛА относительно точки посадки позволяют определить отклонение БЛА от желаемой глиссады в каждый момент времени и на основании этого отклонения выработать команды управления БЛА для вывода его на заданную глиссаду. Тем самым выдерживается заданная траектория снижения. Точность системы посадки достигается за счет оптимального расположения радиомаяков, найденного ансамбля кодированных сигналов радиомаяков, имеющих сверхнизкие боковые лепестки авто- и кросскорреляционных функций, оптимальных алгоритмов обработки результатов измерений в бортовом процессоре.

Рис.1.1.1.1. Схема реализации системы посадки “Максант”

Данная система посадки обладает следующими преимуществами:

- точности (2σ) в точке посадки и на торце ВПП: по курсу (ось Y на рис. 1.1.1.1) - порядка 1 м; по дальности (ось X на рис. 1.1.1.1) - порядка 1,4 м; по высоте (ось Z на рис. 1.1.1.1) - порядка 1,5 м;

- одновременное обслуживание неограниченного количества БЛА;

- независимость от погодных условий, переотражений от местных предметов и подстилающей поверхности;

- мобильность (возможность быстрого развертывания на посадочной площадке и аэродроме).

Посадка по-самолетному на подготовленную, но необорудованную радиотехническими средствами посадки площадку с использованием только бортового комплекса измерительно-информационной аппаратуры.

Этот второй способ автоматической посадки, разрабатываемый рядом фирм, состоит в использовании дифференциальных методов спутниковой навигации. Дифференциальная навигация предполагает размещение в некоторой реперной точке, координаты которой точно известны, приемника спутниковой навигации. Координаты БЛА определяются относительно этой точки. При этом погрешности в определении координат снижаются с десятков до единиц и долей метра. На основе дифференциальной спутниковой навигации может быть создана высокоточная система посадки, не требующая специальной аппаратуры.

Принцип работы данной системы покажем на примере посадки беспилотного вертолета на корабль.

В данной системе использован принцип относительной навигации, под которым понимается определение относительных (взаимных) координат и скоростей между подвижными объектами. Для реализации такого режима необходимо, чтобы выполнялись три основных условия:

а) единое время измерения параметров на всех объектах;

б) единая система координат, в которой определяются относительные координаты и скорости между объектами (рис. 1.1.1.2, 1.1.1.3);

в) общее “поле” спутников для всех объектов.

Отметим, что для обеспечения автоматической посадки самолетов (вертолетов) на авианесущие корабли, погрешность определения взаимных координат между кораблем и самолетом (вертолетом) не должна превышать 0,3-0,4 м.

Рис. 1.1.1.2. Положение БЛА в опорной системе координат, связанной с точкой посадки (или пунктом управления), в горизонтальной плоскости

Рис.1.1.1.3. Положение БЛА в опорной системе координат, связанной с точкой посадки (наземным пунктом управления) в вертикальной плоскости

На рис. 1.1.1.4 показана структурная схема спутниковой системы определения относительных координат БЛА.

Рис. 1.1.1.4. Структурная схема спутниковой системы определения относительных координат БЛА

Посадка на подготовленную, но необорудованную радиотехническими средствами посадки площадку с использованием парашюта и шасси, как средства амортизации.

В настоящее время это один из наиболее распространенных способов спасения практически всех типов беспилотных аппаратов – от легких БЛА и различных десантируемых систем до спасаемых космических аппаратов.

Обнаружить места базирования при таком способе посадки значительно сложнее. Зато больше время активного функционирования подразделения БЛА при таком способе посадки, чем при посадке “по-самолетному”. При наличии в момент посадки ветра и несовпадении продольной оси БЛА с его направлением имеет место боковое движение, которое может привести к опрокидыванию и поломке аппарата. Критическое значение силы ветра, при котором происходит поломка аппарата, зависит от массы БЛА. Как показала практика, при посадочной массе БЛА до 120 кг она составляет 7-8 м/сек. В случае, если продольная ось БЛА составляет с направлением ветра угол посадка происходит практически без поломок, в других случаях вероятность поломки существенно возрастает.

Ряд принципиальных выводов по применяемым способам посадки БЛА позволяет сделать проведенный в процессе исследований их сравнительный анализ. Основной недостаток самолетной посадки БЛА на основе использования аэродромных радиотехнических средств связан со сложностью подготовки соответствующей площадки со всей необходимой инфраструктурой. Автоматическая посадка БЛА на подготовленную, но не оборудованную площадку с использованием бортового комплекса измерительно-информационной аппаратуры является более перспективной, но опять же, как и предыдущий способ, требует относительно ровную площадку определенной длины для пробега БЛА после касания земли, а это не всегда возможно. В подобных ситуациях, когда невозможно обеспечить площадку нужной длины, требуется использовать другие способы посадки, такие как парашютная, либо посадка с помощью специализированных устройств механического захвата.

Воплощение на практике концепции автоматической самолетной посадки БЛА, выполняемой под контролем комплекса бортовой аппаратуры, требует решения целого ряда важнейших вопросов, включая выбор состава используемых информационно-измерительных средств, а также разработку принципов построения и программно-алгоритмического обеспечения системы управления.

Задача автоматического управления посадкой БЛА остается весьма актуальной научно-технической проблемой. Обусловлено это, прежде всего, существенной нелинейностью характеристик, многосвязностью и нестационарностью (смена конфигурации) БЛА как объекта управления на этом режиме полета. И одним из основных направлений совершенствования БЛА как боевой единицы (или единицы транспортной системы), в настоящее время связывают с разработкой новых методов и принципов управления. Не только создание новых материалов, новых двигателей или применение новых конструктивных решений, но и совершенствование алгоритмов функционирования бортовых систем управления, существенно расширяющих область применения, повышающих безопасность и надежность БЛА, является залогом создания конкурентоспособных образцов авиационной техники.

Вопросы автоматического управления ЛА рассматривались многими авторами (работы Г.С. Поспелова, О.М. Белоцерковского, В.А. Боднера, И.А. Михалева, М.С. Чикулаева).

Принятые в этом случае допущения о линейности математической модели объекта управления, об отсутствии перекрестных связей между каналами управления вполне соответствуют физической сущности процесса управления в некотором ограниченном диапазоне изменения эксплуатационных параметров полета [11].

Расширение диапазонов изменения параметров полета и повышение требований к точности управления, особенно при посадке на необорудованную ВПП, с которыми не справляются традиционные методы, ставят вопрос о синтезе новых алгоритмов автоматического управления БЛА. Поэтому проблема совершенствования законов управления для обеспечения автоматической посадки БЛА по-самолетному остается актуальной, о чем свидетельствует появление целого ряда исследований в данной области.

Результаты выполненных в дипломной работе исследований могут найти применение при разработке автопилотов БЛА, посадка которых осуществляется по-самолетному в автоматическом режиме.

Использование полученных результатов позволит повысить надежность, быстродействие и точность систем управления посадкой БЛА.

Целью работы является повышение живучести и многократности использования БЛА при автоматическом заходе на посадку путем формирования алгоритмов управления в нормальных условиях и в условиях ветра.

Математическая модель движения БЛА представляет собой упрощенное описание его реального движения.

В данном случае предполагается, что конструкция БЛА является недеформируемой, это позволяет рассматривать БЛА при выводе уравнений его движения как твердое тело [12].

Наиболее «полная» математическая модель движения БЛА представляется в форме системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих его пространственное движение при углах тангажа :

(1.1.3.1)

где

Если за опорный (заданный) режим полета принят прямолинейный горизонтальный полет, допустимо исследовать изолированно друг от друга продольное и боковое движение самолета.

В итоге для продольного движения, система уравнений примет вид:

где

для бокового движения:

Формулы для вычисления коэффициентов данных уравнений подробно описаны в [12]. В большинстве случаев движения самолета коэффициенты вышеуказанных уравнений являются гладкими функциями времени с относительно малыми скоростями изменения. Это позволяет использовать метод «замороженных коэффициентов», что приводит к линейной стационарной модели движения самолета.

В дипломной работе рассматривается БЛА со следующими основными характеристиками (таблицы 1.1.3.1, 1.1.3.2, 1.1.3.3)

Таблица 1.1.3.1. Характеристики БЛА

Характеристики БЛА

Значения

Размах крыла, м

8,0

Площадь крыла, м2

6,0

Длина, м

4,67

Высота на стоянке, м

1,6

Взлетная масса, кг

400-500

Масса полезной нагрузки, кг

180-250

Масса целевой нагрузки, кг

80-100

Масса топлива, кг

100-150

Высота применения, м

до 7000

Крейсерская скорость, км/ч

220

Минимальная рабочая скорость, км/ч

95

Взлетная дистанция при (самолетном способе старта), м

300-500

Продолжительность полета, ч

8-12

Силовая установка:

количество двигателей

2

Мощность у земли, л.с.

2х50

Таблица 1.1.3.2. Поляра БЛА

Таблица 1.1.3.3. Потребная тяга P и эффективная мощность Ne

Полетный вес 500 кгс.

Другое по теме:

Оборудование участка железной дороги перегонными устройствами автоматики и телемеханики
Род тяги электротяга переменного тока Пункты питания ВВЛ АБ (основные и резервные) тяговые подстанции ЛЭП продольного электроснабжения ДПР-27кВ (на опорах контактной сети) Ординаты мест установки путевых светофоров Условное название станции огорождаю ...

Модернизация энергетической установки танкера проекта 621 с целью повышения скорости его движения на 3%
Речной транспорт – неотъемлемая составная часть транспортной системы России и его развитию присущи те же тенденции, что и развитию транспортной системы в целом. Такими тенденциями являются: ресурсосбережение; повышение надежности, безопасности и экологической чистоты; повышение произво ...

Расчет электромеханического рулевого привода
Для правильного выбора электродвигателя рулевого устройства необходимо знать характер изменения нагрузки на его валу. Момент на баллере руля, а, следовательно, и на валу электродвигателя, зависит от типа руля, площади пера руля и его положения относительно диаметральной плоскости судна, ...

Угол траект. град

Угол атаки, град

2

4

6

8

10

12

14

16

18

+2

P,кгс

81,2

76,0

73,5

74,2

79,3

80,6

86,4

92,4

105,2

V, м/с

43,2

39,0

35,0

32,4

30,3

28,8

27,2

26,1

25,8

Ne, л.с.

62,3

52,0

45,7

42,8

42,7

41,3

41,7

42,8

48,4

0

P,кгс

63,8

58,7

56,2

56,9

62,0

63,3

69,1

75,1

88,0

V, м/с

43,2

38,6

35,1

32,5

30,4

29,0

27,29

26,2

26,0

Ne, л.с.

49,1

40,2

35,1

32,9

33,5

32,6

33,5

35,0

40,7

-2

P,кгс

40,6

35,4

33,0

33,7

38,8

40,0

45,8

51,8

64,7

V, м/с

43,25

38,6

35,2

32,6

30,5

29,1

27,4

26,4

26,12

Ne, л.с.

31,19

24,3

20,6

19,5

21,0

20,7

22,35

24,3

30,15

-5

P,кгс

20,2

15,1

12,7

13,4

18,5

19,6

25,4

31,3

44,3

V, м/с

43,2

38,6

35,2

32,7

30,6

29,2

27,5

26,5

26,4

Ne, л.с.

15,5

10,4

7,9

7,8

10,1

10,2

12,4

14,7