автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и средства оптимизации режима посадки морского летательного аппарата

На правах рукописи

НЕБЫЛОВ Владимир Александрович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА ПОСАДКИ МОРСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Специальность 05.13.01— Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 СЕН 2013

Санкт-Петербург 2013

005533»

005533815

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шепета Александр Павлович

Официальные оппоненты: Скороходов Дмитрий Алексеевич

доктор технических наук, профессор, Институт Проблем Транспорта РАН (г.Санкт-Петербург), главный научный сотрудник

Лопарев Алексей Валерьевич

кандидат технических наук,

ОАО «КОНЦЕРН «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР»

(г. Санкт-Петербург), начальник сектора.

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится « 10 » октября 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.03 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, НИУ ИТМО, сайт: http://www.ifmo.ru/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «10» сентября 2013 г.

Ученый секретарь --Д-т.н., проф. Ожиганов

диссертационного совета - Александр Аркадьевич

Д 212.227.03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие экономики страны требует постоянного увеличения объема пассажирских и грузовых перевозок и их скорости. Большая 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. Гидроавиация (гидросамолеты и экранопланы) использует в качестве аэродромов водную поверхность, чаще всего морскую акваторию, поэтому роль гидроавиации в транспортных перевозках России и других стран будет постоянно возрастать.

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. Поэтому очень важно максимизировать возможность взлета и посадки малых и средних аппаратов на взволнованную водную поверхность.

Эффективным способом решения этой задачи является оптимизация направления захода на посадку, которое определяется по отношению к генеральному направлению распространения морских волн и, в отличие от посадки на аэродром, не совпадает с направлением «против ветра». При этом генеральное направление распространения морских волн, а также само оптимальное направления захода на посадку должно определяться автоматически в режиме реального времени путем обработки показаний бортовых датчиков. Настоящая диссертационная работа и посвящена решению этой важной актуальной задачи.

Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода автоматического выбора направления захода на посадку морских летательных аппаратов, обеспечивающего минимизацию гидродинамических нагрузок на корпус летательных аппаратов при интенсивном морском волнении.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие 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.

Методы исследования.

Использование теории случайных процессов и полей, теории корреляционного и спектрального анализа, статистической теория морского волнения (применительно к задаче посадки морского ЛА), использование элементов гидродинамической теории и методов расчета гидродинамических возмущений при движении тела в жидкости, использование численных методов поиска экстремума, теории математического моделирования, теории имитационного моделирования, математической статистики, теории принятия решений.

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.

Новизна.

Новизну научных результатов диссертационной работы определяют следующие факторы:

- впервые предложен формализованный критерий выбора оптимального направления захода на посадку в зависимости от текущих характеристик

морского волнения (ранее пилотам давались лишь общие рекомендации, не основанные на каком либо исследовании);

- разработан и программно реализован алгоритм определения генерального направления распространения морских волн по цифровым фотоизображения морской поверхности, а также показана возможность его практической реализации;

В совокупности эти факторы обеспечивают принципиально новые возможности повышения характеристик мореходности и безаварийности морских JIA при посадке в штормовом море.

Практическая ценность.

Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов при разработке специальных бортовых средств для морского JIA и инструкций по пилотированию, позволяющих обоснованно выбирать траекторию посадки в условиях интенсивного морского волнения.

Работа выполнена на кафедре моделирования вычислительных и электронных систем.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

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

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

- 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;

- XXXIII, 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 IFAC 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 конференции памяти Н.Н.Острякова, ГНЦ РФ - ОАО "Концерн "ЦНИИ «Электроприбор», 2010 г.;

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

Публикации.

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.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и четырех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе рассмотрены основные типы морских ЛА, таких как гидросамолет и экраноплан, и рассмотрена роль систем автоматического управления в повышении транспортной эффективности морских ЛА.

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

Экраноплан - летательный аппарат, близкий по конструкции к самолету, но с существенными конструктивными особенностями, обеспечивающими возможность низковысотного полета при использовании экранного эффекта. Экранный эффект заключается в существенном 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 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:

- 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 аппарат на воздушной подушке.

Чем больше размеры летательного аппарата, тем выше граница разрешенных режимов взлета и посадки в штормовом море. Однако слишком большие размеры аппарата не только увеличивают его стоимость, но могут не соответствовать имеющимся грузопотокам на рассматриваемых линиях. Поэтому важно максимизировать возможность взлета и посадки малых и средних аппаратов в штормовом море.

Проблемы минимизации механических нагрузок при движении по взволнованной морской поверхности актуальны не только для гидросамолетов и экранопланов, но и для других морских транспортных средств, таких как аппараты на воздушной подушке, на подводных крыльях, на воздушной каверне. В России в таких исследованиях заинтересованы многие научно-производственные организации, в частности - ТАНПК им Г.М. Бериева (Таганрог), НПК "Сухой" (Москва), сейчас вошедшие в Объединенную авиастроительную корпорацию, "ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева" (Нижний Новгород), ЦМКБ "Алмаз" (Санкт-Петербург), НПП "ТРЭК" (Жуковский) и др.

Во втором разделе обоснованы используемые статистические характеристики морского волнения, проанализированы свойства трехмерности ветрового морского волнения и пространственные спектральные характеристики волновой поверхности. Использован принцип "замораживания" волновой поверхности, обеспечивающий правомерность исследования при посадочной скорости JIA, существенно превышающей скорость волн, преимущество, которого в удобстве и вычислительной простоте исследования предложенного критерия оптимизации посадки.

В настоящее время для большинства исследователей наиболее распространенной моделью волнения является трехмерная нерегулярная модель В.Пирсона. Ветровое волнение в ней представляют как суперпозицию бесконечного множества простейших цилиндрических волн с разными частотами, амплитудами, фазами и направлениями распространения

Уо = ач С05(п,' - *Л Ч^о ^П х, +£ц),

(1)

где О, - круговая частота, о,у - амплитуда, к,■ - частота формы, х, - направление распространения элементарной волны относительно направления ветра и оси Ох, £у - начальная фаза, равномерно распределенная в интервале [0,2л),. При глубоком море круговая частота О, частоты формы к, скорость распространения волны и и ее длина Л связаны соотношениями классической гидродинамики: к-О.21я, и-Ш к = к = %/П, X = 2щ!П2^ где g - ускорение

силы тяжести (опущены индексы).

Спектральная плотность волнения в рамках общей формулы Р. Барлинга имеет следующий вид:

где А и В - размерные параметры, тип - безразмерные коэффициенты, т>5,п > 2. Среди большого числа вариантов спектра вида (2) в диссертации рассмотрены два наиболее часто используемых спектра:

- спектр В.Пирсона и Л.Мошковица, рекомендованный в 1966 году Международной Конференцией Опытных Бассейнов (МКОБ) в качестве стандартного;

спектр Г.Неймана, который лучше других согласуется с экспериментальными данными в низкочастотной области.

Указанные спектры имеют следующие значения параметров: для спектра Пирсона-Мошковица т = 5, п = 4, А = 1,62*102 л^2, В = 0,740 #2 /и5; для спектра Неймана т = 6, п = 2, А = 3,05 л-2 Имгс'\ В = /и4, где у - скорость ветра, вызвавшего волнение.

В инженерной практике интенсивность волнения, от которой зависит параметр В, задают не скоростью ветра и, как в океанографии, а высотой волн при трехпроцентной обеспеченности !г3%. Поэтому найдем связь между величинами и, И}% и В,

Проинтегрировав спектральную плотность (2), после преобразований получим формулу для дисперсии ординат волнения

Учитывая соотношение между И3% и дисперсией волновых ординат ег2 :

5^(0) = АСГт ехр(-ЖУ)

(2)

(3)

/г,% = -2а; !п(0.03) = 5.27сг,

■>", получим:

откуда следует, что для спектра Пирсона-Мошковица

В =0,112?/КЛу. = 0,391Г'«Л (4)

(О) = 1,62 10"2 тг^-Ог5 ехр(-0,112? /££1(5) а для спектра Неймана

5 = (6,01л/4'5с-2)/^Д% =(3,95м-с^-)(и/§У\ (6)

5у(0) = (4,79м2с~*)лОг6 ехр[-(6,01м,15с~2 ]. (7)

Основным рабочим выражением для спектральной плотности будем считать формулу Пирсона-Мошковица (5), а формулу Неймана (7) 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 (6) следует, что высота волн зависит от скорости ветра в степени 5/2, а из формулы Пирсона-Мошковица и выражения (4) - 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) при тп <6, дает бесконечно большое значение дисперсии уклонов волн сг2„ в соответствии с равенством

а' (8)

о

Причина этого 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 (7) после постановки в (8) и интегрирования дает вполне

£ 1 Я

непротиворечивое выражение cг^=(0,311л15c~*)л■2g~2h¡%. При И3% = 3,5м получим ег^ = 0,172рад = 9,85°, а по данным наблюдений среднеквадратичное значение уклонов для волнения такой балльности составляет 6-11°.

Закон углового распределения мощности волнения примем в виде

ей) = № соз'лг, ' (9)

Выражение (9) удовлетворяет условию нормировки при

Д/) = 2'"2/я--1Г2(//2)/Г(/), (10)

где Г(х) - гамма-функция. Из выражения (9) следует, что максимум мощности волнения приходится на направления х=0> совпадающее с направлением ветра.

Это направление и называется генеральным направлением распространения морских волн.

В диссертационной работе принята гипотеза о взаимной независимости законов углового и частотного распределений мощности волнения. В качестве закона распределения текущих ординат морских волн принят нормальный закон распределения. При этих предположениях разработана методика перехода от временного к пространственному спектру возвышений "замороженной" волновой поверхности Еу(к,\\>) в произвольном направлении у/ относительно генерального направления распространения волн. Получены следующие расчетные выражения

Еу(к,у/) = е0(кИ

где

е0(М3%) =

1,03-10

(Щ.

г<

) о

сое хехр

0,112со5г х')

1,03-10 я-;

I соэ2 /эт2 /ехр

¿х\ 0,112со5г х')

(П) (12)

Третий раздел посвящен разработке алгоритма определения генерального направления распространения морских волн. В разделе приведен обзор и сравнительный анализ основных известных неконтактных методов получения информации о характеристиках морского волнения.

Для выработки рекомендаций в отношении направления захода на посадку морского ЛА, на борту ЛА необходимо иметь комплекс приборных средств для определения интенсивности морского волнения (высоты морских волн) и определения генерального направления распространения морских волн. В настоящее время существуют несколько типов датчиков, при использовании которых можно решать подобные задачи. Наиболее известным из них является радиолокатор кругового обзора с возможностью оценки ширины спектра отраженного от морской поверхности радиосигнала. По ширине спектра и другим параметрам отраженного радиосигнала оценивается интенсивность морского волнения, а генеральное направление волн определяется как направление с экстремальными особенностями отраженного сигнала. Радиолокатор является сложным и дорогостоящим устройством, а для определения генерального направления распространения морских волн указанным способом требуется полностью завершить хотя бы один цикл углового сканирования, что приводит к значительному увеличению времени определения генерального направления.

Другим известным подходом к решению проблемы оценки генерального направления распространения морских волн является использование трех радиовысотомеров, с амплитудным и доплеровским каналом каждый, для оценки генерального направления распространения морских волн. Совместная обработка сигналов таких высотомеров и инерциальных датчиков позволяет определить в реальном масштабе времени генеральное направление,

интенсивность морского волнения, а также высоту полета ЛА по отношению к среднему уровню возмущенной морской поверхности.

В последнее время в связи с быстрым совершенствованием цифровых фотокамер появилась возможность использовать способ определения характеристик морской поверхности, заключающийся в обработке фотоизображений поверхности. В условиях штилевого моря информативность даже высококачественного изображения водной поверхности невелика, но при этом не стоит и проблема оптимизации захода на посадку. Необходимо также учитывать и другие сложности, которые могут возникнуть при фотографировании водной поверхности, такие как солнечные блики, затуманенность, малая освещенность при ночной съемке и т. п. Проблема оптимизации захода на посадку возникает лишь при существенном морском волнении, когда структуру морских волн нетрудно проанализировать по фотографиям. В диссертационной работе, после сравнительного анализа основных неконтактных методов определения характеристик морского волнения, принят фотометрический подход.

В рамках принятого подхода, при рассмотрении волновой поверхности как трехмерного случайного поля, анизотропного по направлению, генеральное направление распространения морских волн может быть определенно как такое, вдоль которого интервал пространственной корреляции между возвышениями волновой поверхности минимален. Соответственно, в перпендикулярном направлении интервал корреляции должен быть максимален. При этом необходимо учесть, что обработка информации должна происходить в реальном масштабе времени.

В диссертационной работе показано, что при достаточно жестких условиях обработки информации, вместо определения интервала корреляции, для определения генерального направления распространения морских волн, достаточно использовать способ, в котором подсчитывается число переходов щ черное-белое вдоль разных направлений при анализе двухбитового черно-белого (ч/б) фотоизображения. В работе показано, что это число пропорционально среднеквадратической частоте пространственного спектра волновой поверхности кск и, следовательно, обратно пропорционально интервалу пространственной корреляции. Для нормального случайного поля, каковым являются возвышения волновой поверхности, в диссертационной работе использовано выражение для определения щ:

к С1

0 я н Ю. '

где дисперсия волновой ординаты, а уровень Со зависит от адаптируемой контрастности изображения.

Предложенный алгоритм определения генерального направления распространения морских волн, использующий подсчет щ, в общем виде может быть реализован в виде следующей, достаточно простой, последовательности операций:

1. Получение фотоизображения морской поверхности. Изображение может быть представлено в различных форматах.

2. Преобразование входного изображения в битовый массив в цветовом пространстве RGB, где каждому пикселю соответствуют три байтовых значения.

3. Переход от формата изображения RGB к формату YUV (Цвет представляется как 3 компоненты — яркость Y и две цветоразностных U и V, соответственно).

4. Исключение массивов цветовых компонент U и V, из трех массивов остается только массив яркости Y.

5. Переход к ч/б изображению, т.е. к двухбитовому массиву, посредством установки некоторого порога яркости. В диссертационной работе рассмотрены несколько вариантов установки этого порога.

6. Используя алгоритм Брезенхейма, под определенным углом строится совокупность прямых, двигаясь вдоль которых, подсчитывается количество ч/б переходов вдоль этой совокупности прямых.

7. Меняя угол, что эквивалентно повороту изображения, и выполняя подсчет ч/б переходов для каждого угла, получаем зависимость количества ч/б переходов от угла поворота.

8. Находим максимальное число ч/б переходов, угол, соответствующий этому максимуму, с точностью до шага угла поворота, и является генеральным направлением распространения морских волн.

Поскольку число ч/б переходов является случайной величиной, то при подсчете числа переходов необходимо минимизировать дисперсию оценки среднего. В диссертационной работе эта минимизация достигается путем соответствующего определения ч/б перехода (что эквивалентно фильтрации), а именно, переходом считается событие, когда последовательно было не менее q пикселей одинакового цвета.

Для расчета оптимального значения числа пикселей q были промоделированы изображения морской поверхности, по которым, с помощью вышеописанного алгоритма были вычислены оценки генерального направления распространения морских волн для разных значений q и оценены их среднеквадратические погрешности. На Рисунке 1 представлен график зависимости среднеквадратической погрешности от значения q для трех видов балльности волнения, где ряд 1 - волнение 1-2 балла, ряд 2 - волнение 3-4 балла, ряд 3 - волнение 5-6 баллов.

Рисунок 1

Из графика видно, что экстремум пологий, и в качестве «оптимального» значения q, при котором среднеквадратическая погрешность минимальна, можно взять q=4, вне зависимости от интенсивности волнения.

В четвертом разделе предложен критерий оптимизации направления захода на посадку морского J1A, а также разработаны методы определения оптимального направления захода на посадку относительно генерального направления распространения морских волн.

В соответствии с авиационной практикой и физикой посадки желательна "мягкая" посадка, при которой днище или посадочные поплавки летательного аппарата медленно погружаются в воду, не создавая больших механических нагрузок на редан морского J1A. Гидродинамические нагрузки на редан пропорциональны скорости погружения, которая в свою очередь зависит от уклона морской поверхности в точке касания поверхности реданом ЛА . Поэтому в качестве критерия "мягкости" посадки целесообразно принять среднеквадратическое значение вертикальной скорости погружения нижней части корпуса ЛА в воду. Среднеквадратическое значение вертикальной скорости погружения выражается соотношением

= Va», (13)

где V- посадочная путевая скорость, оа - среднеквадратическое значение уклона волновой поверхности вдоль траектории посадки. В диссертационной работе получено выражение, связывающее аа со спектральными характеристиками морского волнения

aa\y)=-\k2E(k,y,)dk

71 о . (14)

Выражения (13) и (14) и позволяют формализовать критерий «оптимальности» посадочной траектории, а именно, т.к. величина aVe зависит от направления посадки и характеристик морского волнения, то минимизация оу„, при заданных характеристиках волнения, может быть достигнута за счет определения «оптимального» направления захода на посадку.

Приняв в качестве основных спектральных моделей волнения формулы Неймана и Пирсона-Мошковица, на основании формул (13), среднеквадратического значения уклона волновой поверхности вдоль

траектории посадки и выражения для пространственного спектра Е{к,\у) в диссертации получены расчетные формулы для величины аУв:

aVe = (К -и cosy) х

| (cos2 у cos4 %Р(х,к) +

о

+ sin2 у cos2 X sin2 lP{x,k))dx.

(15)

dk,

где к- пространственная частота, и - скорость ветра, у/- угол между генеральным направлением распространения морских волн и направлением посадки (в плоскости посадки), У„ - путевая скорость; для спектра Неймана:

PiZ,*) =

1.03-10"

-ехр

0.112cos1 х

(k(3.95^Xu/8rj

для спектра Пирсона-Мошковица:

Piz,k) =

1.03-10"

-ехр

0.112cos х

Анализ выражения (15), проведенный в диссертационной работе, показал, что в зависимости от скорости ветра и величины морского волнения ауе имеет пологий минимум при изменении \|/. Это направление посадки, минимизирующее динамические нагрузки на редан JIA, и является искомым оптимальным направлением захода на посадку. Соответствующие графики для спектров Неймана и Пирсона -Мошковица приведены на Рисунке 2 и Рисунке 3.

/я

Рисунок 2. Критерий сг,,_ для спектра Неймана.

0,111 /

Рисунок 3. Критерий сг,, для спектра Пирсона-Мошковица.

Из графиков, в частности видно что, для обеих аппроксимаций спектров оптимальные значения захода на посадку отличаются незначительно.

В пятом разделе разработана методика компьютерного моделирования алгоритма определения генерального направления распространения морских волн и исследованы характеристики качества предложенного алгоритма.

Основной характеристикой качества функционирования алгоритма определения генерального направления распространения морских волн по фотоизображениям является среднеквадратическая погрешность оценки направления распространения волн. В диссертационной работе эта оценка получена методом имитационного моделирования, в котором реализованы компьютерные имитационные модели морского волнения, фотографии возмущенной морской поверхности, алгоритмы перехода к двухбитовому черно-белому изображению волнения и алгоритм определения генерального распространения морских волн.

При имитационном моделировании необходимо определить, прежде всего, адекватную математическую модель волнения, в качестве которой используется трехмерная нерегулярная модель В.Пирсона, рассмотренная и адаптированная к задаче определения генерального направления морского волнения во втором разделе диссертационной работы. В этой модели ветровое волнение представляют как суперпозицию бесконечного множества элементарных двумерных цилиндрических волн с различными амплитудами, частотами, фазами и направлениями распространения. В силу этого непосредственно использовать такую модель для построения имитационной модели невозможно.

В имитационной модели, в отличие от теоретической, суммируется конечное число гармонических волн с разными частотами, амплитудами, направлениями распространения и фазами. Соответственно, для имитации нерегулярной волновой поверхности используется сумма указанных гармонических волн:

€(х,у) = соз^дссов^ + ^ша, + е.), (16)

/=1 у=1

где е0 е [0,2л) - случайная фаза, п - число гармоник с разными частотами, т-число гармонических волн с разными направлениями распространения, -пространственная частота волны, а -угол, характеризующий направление распространения гармонической волны, Гц- амплитуда волны с 1-й частотой и 7-м направлением распространения.

При имитации двухбитового черно-белого фотоизображения рассматривается величина выражаемая формулой (16) для каждого пикселя. При Е, > 0 пикселю с координатами х,у присваивается белый цвет, при I; <= 0 -черный цвет.

В диссертационной работе проведено исследование по обоснованию выбора количества волновых составляющих при моделировании двух битового черно-белого фотоизображения морской поверхности. На Рисунке 4 представлены результаты компьютерного моделирования - зависимость коэффициента корреляции фотоизображений морской поверхности от

количества суммируемых волновых составляющих. Из полученных результатов следует вывод - в модели Пирсона, адаптированной для определения генерального направления распространения морского волнения, достаточно использовать 49 гармонических волн (и = 7 и т = 7).

Рисунок 4. Зависимость коэффициента корреляции от количества волновых составляющих при разной балльности морского волнения.

При выборе значений частот формируемых гармонических волн необходимо учитывать зависимость спектра морского волнения от балльности волнения (от высоты морских волн с обеспеченностью 3% йз%). При увеличении балльности волнения спектр становится более низкочастотным, поэтому целесообразно привязать сетку рассматриваемых частот гармонических волн к среднеквадратической частоте спектра волнения П. Имитационным моделированием, для спектров Неймана и Пирсона Мошковица, показана практическая целесообразность следующего распределения частот по семи гармоническим составляющим [0.4П, 0.6П, 0.8П, 1.0П, 1.2П, 1.4П, 1.6П ] .

Существенное значение имеет правильное определение амплитуд всех формируемых 49 гармонических волн. В диссертационной работе получено выражение для амплитуд каждой из формируемых 49 гармонических волн.

Предложенная имитационная модель формирования квазислучайной волновой поверхности и ее фотоизображения была использована для имитационного моделирования работы алгоритма определения генерального направления распространения морского волнения, разработанный в четвертом разделе диссертационной работы.

В результате проведенных компьютерных экспериментов показано, что статистическая точность оценки генерального направления предложенным методом зависит от среднего числа морских волн, попадающих в пределы

каждого анализируемого изображения морской поверхности. Этот результат соответствует физике функционирования метода оценки, основанного на подсчете числа переходов ч/б в черно-белом варианте анализируемых фотографий. Фактически число волн, попадающих в пределы фотографий, определяет размер выборки, рассматриваемой при статистическом анализе.

Указанное выше число волн фактически определяется двумя факторами, действующими разнонаправлено. При увеличении интенсивности морского волнения, зависящей от силы ветра, размер морских волн увеличивается и их количество на фотоизображении уменьшается. При увеличении высоты полета число волн, попадающих в заданную угловую апертуру фотокамеры, увеличивается.

Соответственно, 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. Подобная точность оценки генерального направления распространения морского волнения, с учетом пологости экстремума aVe (Рисунок 2 и Рисунок 3), вполне достаточна для реализации режима посадки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

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.

Диссертационная работа содержит четыре приложения.

Приложение 1. Программа автоматического определения генерального направления морских волн по цифровому фотоизображению морской поверхности.

Приложение 2. Акты внедрения результатов диссертационной работы.

Приложение 3. Вычисление параметров алгоритма определения генерального направления распространения морского волнения

Приложение 4. Расчет погрешности алгоритма определения генерального направления морских волн.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Небылов В.А., Шепета А.П. Управление посадкой морского летательного аппарата с учетом волновых возмущений. XXXIII сборник трудов Межведомственного совета по управлению движением судов и спецаппаратов. ИПУ РАН, Москва, 2006, с.216-219.

2. Небылов В.А. Алгоритмы оценки генерального направления распространения морских волн по цифровому фотоизображению морской поверхности, XXXIV Сборник трудов Межведомственного совета по управлению движением судов и спецаппаратов. ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва, 2007. с. 55-57.

3. Nebylov А.V., Daniel Davila, Nebylov V.A., Sukrit Sharan. 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, Proceedings on CD.

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

5. Небылов A.B., Небылов B.A., Шепета А.П. Управление посадкой гидросамолета с использованием текущей информации о волновых возмущениях. Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Труды на русском языке. ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2008, с. 165-168.

6. Nebylov А.V., Nebylov V.A., Shepeta A.P. Sea Plane Landing Control by Employing Measured Data of Wave Disturbances. Jubilee 15th Saint-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Proceedings in English, CSRJ "Elektropribor", 2008, p. 200-202.

7. Небылов В.А. Оптимизация траектории посадки гидросамолета с учетом волновых возмущений. Труды 10-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2008, с. 130-135.

8. 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. ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, Москва-Адлер, 2008, с. 102-104.

9. Небылов А.В., Небылов В.А. Текущий анализ анизотропности возмущенной морской поверхности для оптимизации режима посадки гидросамолета. Сборник докладов XXVI конференция памяти Н.Н.Острякова, ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2008.

10.Небылов В.А. Оптимизация траектории посадки гидросамолета с учетом волновых возмущений. Гироскопия и навигация, №2(61), 2008, с. 98.

19

П.Небылов А.В., Небылов В.А., Шепета А.П. Управление посадкой гидросамолета с использованием текущей информации о волновых возмущениях. Гироскопия и навигация, №3(62), 2008, с. 85.

П.Небылов А.В., Небылов В.А. Текущий анализ анизотропности возмущенной морской поверхности для оптимизации режима посадки гидросамолета, Гироскопия и навигация, №4(63), 2008, с. 98.

13.Nebylov V.A. WIG-Crafl Marine Landing Control at Rough Sea. 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, 2008, p. 1070-1075.

14.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, с. 31-34.

15.Небылов В.А. Автоматизация выбора траектории посадки морского JIA с учетом волновых возмущений. Информационно-управляющие системы, 2009, с. 84-86.

16.Nebylov А.V., Nebylov V.A., Panferov A.I., Shepeta A.P. Wing-in-ground effect flight control: new role of automatic systems. 3rd European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS). Versailles, France, 2009, Proceedings on CD.

П.Небылов A.B., Небылов B.A., Яцевич Г.Б. Эксперементальные исследования лазерного высотомера метровых высот. XXVII конференция памяти Н.Н.Острякова. Труды, ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2010, с. 27-28.

18.Небылов В. А. Алгоритм определения генерального направления распространения морских волн, XXVII конференция памяти Н.Н.Острякова, Труды. ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2010. с. 44-45.

19.Nebylov А.V., Nebylov V.A. Principles and flight control systems of heavy WIG-craft. 18th Symposium IFAC on Automatic Control in Aerospace, Nara, Japan, 2010, Proceedings on CD.

20.Небылов A.B., Небылов B.A., Яцевич Г.Б. Эксперементальные исследования лазерного высотомера метровых высот. Гироскопия и навигация, №4 (71), 2010, с. 87.

21.Небылов В.А. Алгоритм определения генерального направления распространения морских волн. Гироскопия и навигация, №4 (71), 2010, с. 101.

22. Небылов В.А. Алгоритм оценки режима посадки морского летательного аппарата. Научно технические ведомости СПбГПУ, Информатика. Телекоммуникации. Управление. №2, 2011, с. 178-182.

23.Nebylov A.V., Nebylov V.A. Seaplane Landing Smart Control at Wave Disturbances. XVIII IFAC World Congress, Milan, Italy, 2011, p. 3021-3026.

24.Nebylov A.V., Nebylov V.A. Control Strategies of Spaceplane docking and undocking with other winged vehicle. XVIII IFAC World Congress, Milan, Italy, 2011, p. 2109-2114.

25.Nebylov A.V., Nebylov V.A.., Jatchevitch G.B. 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, India, 2012, Proceedings on CD. 26.Небылов A.B., Небылов B.A. Российские экранопланы: новые перспективы в международном сотрудничестве. Русский инженер. №4(39), 2013,с.33-36.

Примечание: курсивом выделены 8 публикаций в журналах, включенных в список ВАК.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве: предложен и обоснован критерий оптимизации направления захода на посадку в условиях штормового моря [1]; исследовано влияние морского волнения на точность системы аитоматического управления полетом экраноплана Buchon-1 [3]; разработана модель морского волнения и гидродинамических возмущении, приложенных к корпусу морского ЛА при посадке [4-6]; разработаны алгоритм и вычислительная процедура исследования значения целевой функции оптимизации направления захода на посадку относительно генерального направления распространения морских волн [8-9]; предложен метод автоматической оценки генерального направления распространения морских волн по цифровым фотографиям возмущенной морской поверхности [11]; проанализировано влияние анизотропности возмущенной морской поверхности на условия посадки морского ЛА [12]; обоснована роль систем автоматического управления полетом в современных морских ЛА [16,19]; проанализирована возможность контроля параметров морского волнения с помощью лазерного высотомера метровых высот [17,20,25]; разработана методики математического моделирования алгоритма выбора направления захода на посадку морского ЛА [23, 26]; проанализировано влияние морского волнения на прецизионное управление относительным движением тяжелого экраноплана в режиме стыковки и другим крыльевым аппаратом [24].

Подписано в печать 09.09.13 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 _Заказ 05/09_печать_

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения "

на правах рукописи

04201362503

Небылов Владимир Александрович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА ПОСАДКИ МОРСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Специальность 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

труттггорпгтг ття\лг —------------ „

Научный руководитель: доктор техн. наук, проф. А. П. Шепета

Санкт-Петербург 2013

ч

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

1. РОЛЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПОВЫШЕНИИ ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОРСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ........................................................................8

1.1. Эволюция скоростных морских транспортных аппаратов.........8

1.2. Особенности конструкции и принципов управления морских

неводоизмещающих транспортных аппаратов....................................19

1.3. Направления повышения функциональной эффективности морских летательных аппаратов за счет использования средств автоматизации управления движением..................................................24

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕТРОВОГО МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ......................................................28

2.1. Общая характеристика..........................................................................28

2.2. Двумерный спектр мощности волнения..........................................33

2.3. Пространственный спектр волновой поверхности......................36

2.4. Вывод расчетного выражения для пространственной спектральной плотности волнения.........................................................37

3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ................................................................................42

3.1. Обзор неконтактных методов получения информации о свойствах морской поверхности..............................................................42

3.2. Анализ эффективности использования нескольких прецизионных высотомеров, разнесенных по корпусу летательного аппарата................................................................................43

3.3. Обоснование режима фотосъемки морской поверхности.........46

3.4 Разработка алгоритмов определения генерального направления морских волн по цифровым фотоизображениям морской поверхности.....................................................................................................55

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ЗАХОДА НА ПОСАДКУ............................................................................................................62

4.1. Факторы влияющие на безаварийность посадки на

взволнованное море......................................................................................62

4.2. Критерий оптимизации захода на посадку.....................................65

4.3. Алгоритм процесса принятия решения об оптимальном заходе на посадку........................................................................................................72

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ПОСАДКИ НА ВЗВОЛНОВАННОЕ МОРЕ.....................................................................................................................76

5.1. Методика моделирования взволнованной морской поверхности.....................................................................................................76

5.2. Примеры моделирования изображения волновой поверхности и обоснование выбора количества волновых составляющих при моделировании изображений.....................................................................80

5.3. Численный метод исследования погрешностей определения генерального направления распространения морских волн и направления захода на посадку..............................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................107

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................115

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 �