автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование системы визуальной посадки вертолета на палубу корабля

003484Э02

На правах рукописи

Икрянов Игнат Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛЬНОЙ ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА НА ПАЛУБУ КОРАБЛЯ

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Москва-2009

003484902

Работа выполнена на кафедре компьютерного моделирования, факультета аэромеханики и летательной техники, московского физико-технического института (государственного университета).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Хлопков Юрий Иванович

Научный консультант: кандидат технических наук,

Тяпченко Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Крицкий Борис Сергеевич

кандидат технических наук Захаров Кирилл Васильевич

Ведущая организация НИЦ РЭВ ВМФ - филиал ФГУ «24 ЦНИИ Министерства Обороны Российской Федерации»

Защита состоится 10 декабря 2009 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д.215.001.01 при Военно-воздушной академии им. проф. Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина по адресу 125190, г. Москва, ул. Планетная, д.3,ауд. Д-332 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВВА им. проф. Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Использование вертолетов на кораблях различных типов существенно повышает эксплуатационные возможности, как гражданских судов, так и кораблей ВМФ. Вместе с тем, использование вертолетов палубного базирования предъявляет существенные требования к обеспечению безопасности взлета и особенно посадки на палубу корабля. До сих пор в отечественной практике вертолеты использовались на крупных кораблях, таких как авианосцы, крейсеры, эсминцы. В последнее время вертолеты стали размещаться и на малых сторожевых кораблях. Для обеспечения безопасного захода на посадку вертолетов на взлетно-посадочные площадки (ВППл) кораблей ВМФ и судов различного назначения используются оптические индикаторы курса (ИК) и глиссады (ИГ) с пассивной (маятниковой) системой стабилизации оптических осей относительно крена и дифферента корабля.

Качка корабля вызывает погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали, которая выражается в колебаниях оптической оси индикаторов курса и глиссады. Колебания оптической оси индикаторов, в свою очередь, вызывают искажение сигнала, передаваемого летчику. Погрешность стабилизации индикаторов курса и глиссады относительно истинной вертикали зависит от размещения ИК/ИГ на ВППл (расстояния точки подвеса ИК/ИГ от кормы и борта корабля), от конструктивных особенностей ИК/ИГ, от амплитуды и частоты качки корабля по крену и дифференту. Ввиду того, что системы индикаторов курса и глиссады в РФ разрабатываются впервые, в отечественной практике полностью отсутствует методики применения систем ИК/ИГ для обеспечения безопасного захода вертолета на ВППл, методики расчета эксплуатационных параметров, а так же критерии и методы оценки качества работы ИК/ИГ. Сведения по подобным методикам в открытой зарубежной литературе отсутствуют.

Таким образом, для обеспечения безопасности посадки вертолетов на ВППл в условиях наличия качки ВППл, разработка методик расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе корабля, и применения таких систем для обеспечения безопасного захода

вертолета на ВППл, а так же методов оценки их и сравнения является актуальной.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является:

1) Создание методики расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля на регулярном и нерегулярном волнении.

2) Создание методики расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе кораблей различных типов, при которых погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали будет минимальна.

3) Определение эксплуатационного диапазона разрабатываемой в настоящий момент системы ИК/ИГ ОСПВ 20380 по амплитудам и частотам качки корабля по крену и дифференту. Эксплуатационный диапазон определяется из условия максимально допустимой погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали.

4) Разработка и апробация метода использования ИК/ИГ, который бы позволил расширить эксплуатационный диапазон ИК/ИГ.

Для достижения поставленных целей в работе необходимо решить задачи:

- разработать критерии и метод оценки качества работы индикаторов курса и глиссады;

- выработать критерии оценки и сравнения степени искажения сигнала ИК/ИГ, обусловленные колебаниями ИК/ИГ относительно истинной вертикали в плоскости крена и дифферента;

- сравнивая искажения, вносимые движением ИК/ИГ относительно истинной вертикали в плоскости крена и дифферента, разработать метод расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ;

- провести апробацию возможности разработанного метода расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ;

- исследовать влияние расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ на качество работы ИК/ИГ;

- разработать математические модели движения ИК/ИГ при

воздействии на судно регулярного и нерегулярного волнения;

- на основе разработанных моделей построить методики, расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали;

- рассчитать амплитуды отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали и проанализировать влияние погрешности стабилизации ИК/ИГ на точность передачи в пространство информации по крену и дифференту.

Научная новизна работы. В диссертационной работе предложен новый подход к моделированию движения маятниковых систем под воздействием качки корабля на морском волнении на базе метода Монте-Карло, который основывается на предположении о том, что качку корабля на волнении, при определенных условиях, можно рассматривать как стационарный случайный процесс.

Практическая ценность работы определяется прикладным характером проведенных разработок и исследований, направленных на повышение безопасности посадки вертолета на ВППл судов различных типов. Результаты данной работы были использованы при разработке системы ОСПВ 20380 ЗАО НТЦ "Альфа-М". Данная система прошла необходимые заводские и государственные испытания и поставлена заказчику, о чем имеются соответствующие документы. В работе получены следующие, важные практические результаты:

- разработаны критерии и метод оценки качества работы ИК/ИГ;

- разработаны математические модели, описывающие движение ИК/ИГ при различном расположении на палубе корабля и различных параметрах качки корабля;

- создана методика расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля в условиях регулярного и нерегулярного морского волнения;

- создан метод использования ИК/ИГ, который позволяет расширить область применения ИК/ИГ.

На защиту выносятся следующие положения:

- критерий и метод оценки и сравнения качества работы ИК/ИГ;

- методика расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля в условиях регулярного и нерегулярного морского волнения;

- инженерная методика расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе кораблей различных типов;

- принцип использования ИК/ИГ при эксплуатации ИК/ИГ в условиях превышения допустимых значений амплитуды качки корабля по крену и дифференту;

- метод расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ по параметрам качки корабля по крену и дифференту.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: на ежегодных международных конференциях "Авиация и Космонавтика", Москва, 2008-2009; ежегодной Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике", Москва, 2009; на Международном авиационно-космическом научно-гуманитарном семинаре имени С.М. Белоцерковского, Москва, 2009; на IX международной школе-семинаре молодых ученых России и Украины "Методы дискретных особенностей в задачах математической физики", Орёл, 2009; на семинаре кафедры компьютерного моделирования ФАЛТ МФТИ, Москва, 2009. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе две статьи [2,6] в журналах, входящих в "перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора и кандидата наук".

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, списка литературы и иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость исследования, сформулированы цели и задачи, обоснована новизна полученных результатов, дано представление о перспективах использования полученных результатов.

В первой главе дается характеристика объектов исследования и характеристика воздействий, которые обусловлены качкой корабля. Объектами исследования являются оптические индикаторы курса и глиссады (ИК/ИГ), предназначенные для визуальной посадки вертолетов на палубы морских судов днем и ночью, в простых и сложных метеоусловиях. Конструктивно ИК/ИГ представляют собой блоки огней, которые объединены в две сборки, одна из которых используется для индикации курса/глиссады вдоль продольной оси корабля, а вторая под углом в сторону кормы. Обе сборки ИК/ИГ устанавливаются в общую раму, которая крепится к корпусу с помощью карданового подвеса, который в свою очередь обеспечивает свободное движение блоков по крену и дифференту.

Дальность видимости огней курса и глиссады ночью составляет не менее 3 км. Задача летчика найти в пространстве огни и двигаться так, чтобы постоянно видеть зеленые огни глиссады и немигающие синие огни курса. При отклонении от заданной глиссады вверх летчик наблюдает желтые огни, а вниз -красные. При отклонении от заданного курса влево летчик наблюдает синие огни, мигающие с одной частотой, а вправо - с другой.

Качка корабля вызывает погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали, которая выражается в колебаниях оптической оси ИК/ИГ. Колебания оптической оси ИК/ИГ, в свою очередь, вызывают искажение сигнала, передаваемого ИК/ИГ летчику. Погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали зависит от размещения ИК/ИГ (расстояния точки подвеса ИК/ИГ от кормы и борта корабля), от конструктивных особенностей ИК/ИГ, от амплитуды и частоты качки корабля по крену и дифференту.

Существует несколько способов описания качки корабля на морском волнении. В первом способе, разработанном Крыловым А.Н., принимается, что морское волнение периодично по времени, профиль взволнованной поверхности синусоидальный, гребни волн параллельны, волны распространяются в одном направлении. Реакция системы корабля на такое воздействие также может описываться синусоидой. Такая модель хорошо описывает мертвую зыбь и может быть использована для моделирования установившегося

ветрового волнения при не очень больших значениях скорости ветра.

Более точные способы, рассматривают морское волнение а следовательно, и качку корабля, как случайный процесс. Одной из характеристик таких процессов является спектральная плотность случайного процесса на выходе линейной системы, которую удобно использовать для моделирования качки корабля в условиях нерегулярного волнения.

Во второй главе строится математическая модель движения ИК/ИГ под воздействием качки корабля. Движение ИК/ИГ рассматривается как сумма двух независимых движений в плоскости крена и в плоскости дифферента.

На рис. 1 показана система координат для описания движения ИК/ИГ. Вертикальные перемещения Ь(1) центра масс корабля вдоль оси ОоУо обусловлены возникновением восстанавливающей силы и характеризует вертикальную качку корабля. Поворот на углы хрк и ^характеризует качку корабля по крену и дифференту соответственно. Будем полагать, что корабль не совершает маневров по курсу и угол рысканья всегда равен нулю. Записывая уравнения движения ИК/ИГ в обобщенных координатах в виде уравнений Лагранжа 2-ого рода и произведя несложные преобразования, получаем:

ф + 2С^ф + 1'(д + й(0 - Оф2 + Яф)<р = £((0 - -

(д~Ш)гр + Яф2) (1)

г в

где С =-р

Это уравнение описывает плоское движение ИК/ИГ.

Основная интересующая нас характеристика движения ИК/ИГ - это абсолютная величина отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали.

Данная величина определяется как сумма входного воздействия - угла наклона палубы корабля и выходного сигнала системы - угла наклона ИК/ИГ:

<5 = \<Р + Фк/д| (2)

В уравнение (1) входят члены, характеризующие движение корабля на волнении. Будем полагать:

= о,

Фк/д = Ф тах втСшО (3)

Рис. 1 Система координат для описания плоского движения ИК/ИГ

После несложных преобразований уравнение (1) принимает

вид:

• 10 о , д ? , Л

ф + 2С(О0(р + - --ФтахТ ~ \РтахТ Ьт^йЛ) J (р =

= -й)о^т«((1 + ^ТЧ2) втСшС) - ~4>пахЧ2) (4) где п=-,со0=^

Подставляя численное решение уравнения (4) и соотношения (3) в (2), получим значение отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали. В численном решении уравнения (4) период времени, на

протяжении которого идет затухание собственных колебаний маятника, отбрасывается.

Для моделирования нерегулярного морского волнения и, соответственно, качки корабля на нем, удобно использовать методы Монте-Карло, которые базируются на спектральном описании процесса качки. Для использования данного метода плотность спектра качки, полученная экспериментальным путем, аппроксимируется выражением вида:

А (о>-о>т)2 Ал ("-"mi)2

S(<u)=-7=е 20 + 1 е 2 ох Л/27iD y¡2ÜDl

Коэффициенты A,Ai,D, Di, coi, oomi подбираются таким образом, чтобы наилучшим образом аппроксимировать полученные экспериментальные данные. После чего предполагается, что качка корабля на волнении задается выражением:

Фк/д = Si Aj sin(ü>¡t + f¡) (5)

Для генерации выборок A¡ и (o¡ используется метод усечения, суть которого состоит в следующем. График функции S(to) вписывается в прямоугольник рис.4

На ось Y подают случайное равномерно распределенное число из ГСЧ (генератор случайных чисел). На ось X подают случайное равномерно распределенное число из ГСЧ. Если точка в пересечении этих двух координат лежит ниже кривой спектральной плотности качки, то событие X произошло - гармоника с соответствующей частотой добавляется в выборку, иначе - нет. После получения, таким образом, выборки {cu¡}, производится ее сортировка по возрастанию значений o»¡.

Амплитуда каждой отдельной гармоники определяется из соотношения Винера -Хинчина:

Ai = <j2S(túi)(ú)i+1-ü)t)

Последняя гармоника в выборке отбрасывается

приравниванием ее амплитуды к нулю.

Фазы каждой из гармоник получаются с помощью ГСЧ как равномерно распределенное число на интервале от 0 до 2 тт.

Определив, таким образом, вектора {4}, {<У|} и {£}, подставляя выражение (5) в выражение (1) получим:

Выражение (6) описывает движение ИК/ИГ при воздействии на него нерегулярной качки корабля. Решая данное уравнение численно, и подставляя решение и выражение (5) в выражение (2), получим зависимость величины отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали при воздействии нерегулярной качки судна от времени

Для получения конечного результата произведем выборку значений из полученной зависимости. Первые 100 сек., на протяжении которых происходит затухание собственных колебаний ИК/ИГ, отбрасываются. Оставшийся временной интервал разобьем на отрезки длительностью по 60 сек. На каждом отрезке определим максимальное значение величины отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали и будем считать его результатом испытания, произведенного на данном отрезке времени. Таким образом, после данной операции получится выборка значений величины отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали при воздействии нерегулярной качки судна {8к}, которую можно рассматривать как результат определенного количества испытаний, при этом {8к} 6 8(t). Для повышения точности расчетов рекомендуется получение нескольких выборок.

2

1 I

i i

т-

Далее необходимо на основании одной или нескольких выборок определить доверительный интервал (.$тт>8тах) величины отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали по известным формулам.

Для получения инженерной методики расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали анализируется уравнение (1) и делаются упрощающие предположения о характере движения. При размещении ИК/ИГ по ДГ1, установившееся движение ИК/ИГ имеет вид:

<Р = -фтахУ^п(г]Т - У)

где V- коэффициент динамичности, определяющий во сколько раз амплитуда колебаний ИК/ИГ отличается от гртах у- запаздывание по фазе колебаний ИК/ИГ относительно колебаний палубы. Выражения для V и у имеют вид:

2Ст/

*з(У) =---Г

1-^(1 + 1/44) 1 + к-1)ч2

1-4* (1 + ФЪахЩ2 +

где Е, - характерезует в ысоту размещения ИК/ИГ над центром качки корабля, а ^ . отношение частоты качки корабля к собственной частоте ИК/ИГ.

Отклонение ИК/ИГ от истиной вертикали в установившемся режиме определяется величиной:

8 = (р + ф = 1ртах(5\п(г]т) - - у))

б<-фтаЛ\1-УС05(Г)\ + \У5т(у)\)

В третьей главе определяется эксплуатационный диапазон ИК/ИГ ОСПВ 20380, критерии и методы оценки качества работы индикаторов. Для этого в первой части анализируется изменение области видимости сигналов ИК/ИГ, обусловленное погрешностью стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали. На рис. 2а

и 26 изображено изменение области видимости сигналов ИК/ИГ (на примере ИГ), обусловленное погрешностью стабилизации. Колебание индикаторов в плоскости дифферента вызывает смещение области видимости вверх и вниз относительно штатного положения. Колебания индикаторов в плоскости крена вызывают разворот области видимости относительно точки подвеса. В результате образуются зоны, находясь в которых летчик будет видеть различные сигналы ИК и ИГ (зоны искаженного сигнала) и зоны, в которых наблюдаемый сигнал не изменяется и соответствует штатному положению индикаторов. На рис. 2а и 26 заштрихованы зоны, в которых сигнал остается неизменным при отклонении ИК/ИГ от истинной вертикали. Для того, чтобы оценить влияние погрешности стабилизации на степень искажения сигналов ИК/ИГ, необходимо определить, на сколько уменьшается зона видимости неискаженного сигнала при отклонении индикатора от истинной вертикали.

; \ I /

I ^ ^Л

а) б)

Рис. 2. Изменение области видимости сигналов ИГ, обусловленное колебаниями ИГ относительно истинной вертикали в плоскости а)дифферента, б) крена

Для этого предлагается использовать соотношение:

■^о

где 5пе- площадь зоны видимости неискаженного сигнала (заштрихованная зона на рисунках 2а,26) 50 - площадь зоны

видимости сигнала в штатном положении.

Величина I характеризует степень искажения области видимости сигналов ИК/ИГ и определена на отрезке [0;1]. При I =0 зоны искаженного сигнала отсутствуют, при 1=1 отсутствуют зоны неискаженного сигнала. Величина I является основной характеристикой качества работы индикаторов.

На рис. 3 построены зависимости величины I от угла отклонения индикатора от истинной вертикали д для ИК и ИГ при отклонении в плоскости крена и дифферента.

1 •

0.9 •

°'8 ' ~*-ИГ, крен

0.7 •

.....п-ИК.крен

дифферент

0 3- <

> дифферент

0.2 • 0.1 ■ 0

0 12 3

5,°

Рис. 3. Степень искажения области видимости сигналов ИГ/ИК обусловленная отклонением индикаторов от истинной вертикали в плоскости крена и дифферента.

Если принять степень искажения сигнала, обусловленную колебаниями ИГ в плоскости дифферента за 1, то степени искажения сигнала, обусловленные колебаниями ИК в плоскости крена/дифферента и ИГ в плоскости крена будут находиться в следующей пропорции:

4 = 10 4 = 11/икг-17/икк

Из рисунка 3 видно, что искажение передачи сигнала,

вносимое колебаниями индикаторов в плоскости дифферента, больше, чем искажение передачи сигнала, вносимое колебаниями индикаторов в плоскости крена. Также видно, что искажения, вносимые ИГ больше чем искажения, вносимые ИК при одинаковом отклонении индикаторов от истинной вертикали.

Наибольшее искажение в передаваемый сигнал вносит погрешность стабилизации ИГ в плоскости дифферента, а наименьшее - погрешность стабилизации ИК в плоскости крена. Если предположить, что степень искажения сигнала не должна превышать КОЛ, то допустимые погрешности стабилизации будут равны: для ИК 8д=1°, 5К=1.7°, для ИГ 6д=0.1°, 5к=1°

Для увеличения эксплуатационного диапазона можно смягчить требования к допустимой погрешности стабилизации. Рассмотрим работу ИГ в случае, если величина погрешности стабилизации в плоскости дифферента увеличена до 6 е (0.5°;0.6°).

При колебаний ИГ относительно истинной вертикали в плоскости дифферента в диапазоне углов (0° ;0.6°), пилот будет наблюдать один из сигналов: мигающий желтый, непрерывный желтый, мигающий желтый-зеленый, непрерывный зеленый, мигающий зеленый-красный, непрерывный красный, мигающий красный. При отклонении на угол 0.6° непрерывные зеленый и красный сигналы исчезнут.

Для оценки возможности использования ИК/ИГ с погрешностью стабилизации относительно истинной вертикали для обеспечения летчика информацией во время посадки вертолета на ВППл применялась экспертная оценка с использованием опросного листа на базе шкалы Купера - Харпера.

На рис. 4 представлен опросный лист, предназначенный для оценки возможности использования ИК/ИГ с погрешностью стабилизации относительно истинной вертикали для осуществления посадки вертолета на ВППл с помощью экспертной оценки.

При создании опросного листа предполагалось, что ИК/ИГ должны, в первую очередь обеспечивать летчика информацией о зоне опасной и безопасной для полетов. Во вторую очередь, используя информацию предоставляемую ИК/ИГ, летчик должен своевременно идентифицировать переход из безопасной в опасную для полета зону. Запоздалая идентификация такого перехода,

особенно на завершающем участке глиссады, не оставит летчику времени для парирования такой ситуации и может привести к катастрофе. Ситуация, когда летчик, используя сигналы ИК/ИГ, не может идентифицировать возврат из зоны опасной для полетов в зону безопасную, приводит к тому, что не предпринимая никаких действий, продолжая двигаться прежним курсом, летчик приводит вертолет в зону нежелательную для пилотирования (желтая зона). Идентифицировав переход в зону, нежелательную для пилотирования, летчик предпринимает действия для возврата вертолета в безопасную зону однако, идентифицировать возврат вертолета в безопасную зону пилот не может и снова попадает в опасную для пилотирования зону. Как результат такого неточного управления, возникает длиннопериодическое движение вертолета относительно линии глиссады. В различных ситуациях на последнем участке глиссады вертолет может оказаться как в зоне опасной, так и безопасной для полетов.

Рис. 4. Опросный лист, предназначенный для оценки возможности использования ИК/ИГ с погрешностью стабилизации относительно истинной вертикали для осуществления посадки вертолета на ВППл.

Таким образом, предложена следующая шкала оценок работы ИК/ИГ при наличии погрешности стабилизации. Если при заданной

погрешности стабилизации ИГ/ИК не обеспечивают летчика информацией совсем, то работа ИК/ИГ оценивается на 0. Если ИГ/ИК не обеспечивают пилота информацией о зоне опасной для полета - выставляется оценка 1. Оценка 2 выставляется в случае если, при заданной величине погрешности стабилизации ИК/ИГ не обеспечивают информацией о зоне безопасной для полета. Оценка 3 выставляется в случае, если используя ИК/ИГ пилот не может своевременно определить переход из зоны безопасной для полетов в зону опасную. Оценка 4 выставляется в случае, если используя ИК/ИГ пилот не может определить переход из зоны опасной для полетов в безопасную зону. В случае если при заданной погрешности стабилизации пилот получает от ИГ/ИГ всю перечисленную информацию, выставляется оценка 5.

Для апробации возможности использования ИК/ИГ с погрешностью стабилизации оптических осей относительно истинной вертикали, автором была разработана программа FSDX, моделирующая посадку вертолета на палубу корабля с использованием ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей. Для моделирования качки корабля и движения ИК/ИГ под воздействием качки корабля использовалась методика, описанная во второй части второй главы. Интегрирование уравнения (4) проводилось с помощью метода Рунге-Кутта 4-ого порядка с фиксированным шагом. Шаг интегрирования равнялся At=0.016 сек.

Для моделирования использовался компьютер на базе Intel Pentium 4 Core Duo 3HGz, RAM 2Gb с двумя графическими акселераторами, работающими в режиме SLI на базе графического процессора NVidia 7800 GTX. Объем оперативной памяти каждого графического акселератора составлял 256МБ.

При этом была получена частота обновления сцены -50 fps. Программа реализована на языке С++ с использованием HLSL и библиотеки DirectX 9.0с. Моделирование движения вертолета осуществлялось в двух режимах. В первом режиме воссоздается траектория, полученная в ходе реальных посадок вертолетов на ВППл. Во втором режиме динамика вертолета моделировалась с помощью свободно-распространяемой библиотеки для моделирования динамики летательных аппаратов JSBSim. В данном режиме использовалась находящаяся в свободном доступе

динамическая модель вертолета Е1ЖОСОРТЕ11 Во-105. Основная цель данного режима проверить, существует ли принципиальная возможность осуществлять посадку вертолета на ВППл при погрешности стабилизации ИГ в плоскости дифферента 6=0.5°. Данная проверка производилась с помощью субъективной оценки. В опросе участвовало три эксперта.

Результаты, полученные с помощью экспертной оценки с использованием программы Р8БХ, приведены в таблице 1.

Так же в третьей главе определяется эксплуатационный диапазон индикаторов курса и глиссады. Расчет эксплуатационного диапазона ИК/ИГ выполнен для следующих значений погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали:

1) б« — 0.1°, <5д = 0.1° - эксплуатационный диапазон, соответствующий требованиям ТЗ ОСПВ 20380;

2) 8к = 1°,<5д = 0.1° - эксплуатационный диапазон, при котором степень искажения информации, обусловленная качкой индикаторов в плоскости крена и дифферента, одинакова и равна / = 0.1;

3) 6к = 1°, 8д = 0.5° - эксплуатационный диапазон, при котором допустимая погрешность стабилизации в плоскости крена определяется из условия I = 0.1, а допустимая погрешность стабилизации в плоскости дифферента выбирается таким образом, чтобы работоспособность индикатора была не ниже 4 по адаптированной шкале Купера-Харпера (см. рис. 4);

Таблица 1 Результаты экспертных оценок работы ИК/ИГ при наличии погрешности стабилизации относительно истинной вертикали по адаптированной шкале Купера-Харпепа. _

Оценка 5 4 3 2 1-0

0.1-0.2 0.3-0.5 0.6-0.8 0.9-1.0 >1.1

При расчете эксплуатационного диапазона ИК/ИГ

учитывались следующие ограничения, которые накладывает практика эксплуатации судов различных типов:

- максимальный период качки судов по крену -30 сек.;

- максимальный период качки судов по дифференту -15 сек.;

- максимальная амплитуда качки корабля по крену -15°;

- максимальная амплитуда качки корабля по дифференту~6°;

На основании полученных результатов построены диаграммы для определения допустимых параметров качки корабля в плоскости дифферента и в плоскости крена.

Эти диаграммы позволяют определить, что эксплуатационный диапазон ИК/ИГ определяемый требованиями ТЗ ОСПВ 20380 (5/с = 0.1°, 5д = 0.1°), очень узок. Эксплуатационный диапазон ИК/ИГ по амплитуде и периоду качки корабля в полкости дифферента при требовании на точность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали лежит в узком интервале периодов качки по дифференту.

Расширение эксплуатационного диапазона за счет снижения требований на точность стабилизации ИК/ИГ до значений £/<• = 1°,<5д = 0.1° не приносит существенного выигрыша, поскольку никак не изменяет требование на погрешность стабилизации ИК/ИГ в плоскости дифферента, хотя и позволяет расширить интервал допустимых значений амплитуд и периодов качки корабля в плоскости крена.

Расширение эксплуатационного диапазона за счет снижения требований на точность стабилизации ИК/ИГ до значений 8К = 1°, 5д = 0.5° позволяет расширить допустимый диапазон приблизительно в 5 раз по параметрам качки корабля по крену и приблизительно в 15 раз по параметрам качки корабля по дифференту.

Для оценки точности моделирования движения ИК/ИГ на регулярном волнении и с помощью инженерной методики использовалась модель движения ИК/ИГ на нерегулярном волнении на базе метода Монте-Карло. Ввиду того, что плотности спектра качки для судов, на которых применяется система ОСПВ 20380, недоступны, для вычислений использовались расчетные спектры качки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной работе были решены сформулированные во введении задачи и получены следующие результаты:

1. Разработаны критерий и предложен метод оценки качества работы индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой

стабилизации оптических осей при воздействии качки корабля по крену и дифференту.

2. Предложен метод расширения допустимого эксплуатационного диапазона индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей.

3. Проведена апробация предложенного метода расширения эксплуатационного диапазона с использованием экспертных оценок и имитационного моделирования. Установлено, что использование данного метода позволяет расширить эксплуатационный диапазон индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей приблизительно в 15 раз по параметрам качки по дифференту и приблизительно в 5 раз по параметрам качки по крену.

4. Разработана имитационная программа, позволяющая производить субъективную оценку качества работы системы индикаторов курса и глиссады при различных параметрах качки корабля и различном размещении ИК/ИГ на ВППл.

5. Разработаны следующие математические модели движения индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей под воздействием регулярной и нерегулярной качки корабля.

- модель ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей для условий качки корабля на регулярном волнении;

- модель ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей для условий качки корабля на нерегулярном волнении;

- упрощенная модель в случае размещения ИК/ИГ в непосредственной близости от диаметральной плоскости корабля;

6. На базе разработанных моделей построены методики расчета погрешности стабилизации индикаторов курса и глиссады относительно истинной вертикали при воздействии регулярной и нерегулярной качки корабля и при различном размещении индикаторов на палубе корабля.

7. Разработан комплекс программ для системы Маг1аЬ2008Ь для проведения расчетов с использованием указанных выше методик.

8. Выполненный в диссертации комплекс теоретических и

расчетных исследований был внедрен в производство и нашел практическое применение при создании опытных и серийных образцов индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей ОСПВ 20380 разработанной компанией ЗАО НТЦ «Альфа-М».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Икрянов И.И. Моделирование индикаторов курса и глиссады с пассивной системой стабилизации оптических осей. // 7-я Международная конференция "Авиация и Космонавтика-2008": Тезисы докладов - М.:Изд-во МАИ-ПРИНТ - 2008 - с.26.

2. Икрянов И.И., Тяпченко Ю.А. Исследование особенностей отображения информации корабельными индикаторами курса и глиссады с маятниковой стабилизацией оптических осей. // Авиакосмическое приборостроение - М.:Изд-во Научтехлитиздат -2009- №3 - с. 3-10 - ISSN 2073-0020.

3. Икрянов И.И. Использование имитационного моделирования для исследования системы визуальной посадки вертолета на палубу корабля.// 2-я Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009": Тезисы докладов. - М.:Изд-во МАИ-ПРИНТ - 2009 - с.84.

4. Икрянов И.И. Исследование критериев и разработка методов оценки качества работы индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей. // 8-я Международная конференция "Авиация и Космонавтика-2009"-М.:Изд-во МАИ-ПРИНТ - 2009 - с.117.

5. Икрянов И.И. Разработка и сравнение моделей движения индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей в условиях качки корабля на регулярном и нерегулярном морском волнении// Тр. Межд. школы-семинара "МДОЗМФ" - Вып.7 - Орел, 2009 - с.58-64.

6. Икрянов И.И. Модели движения индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей. // Научно-технические ведомости СПбПГУ. Серия Информатика. Телекомуникации. Управление. - Санкт-Петербург:Изд-во СПбПГУ - Вып. 5 - 2009 - с. 181-187.

Подписано в печать:

03.11.2009

Заказ № 2907 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Список основных условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Характеристика объектов исследования.

1. Назначение и принцип работы индикаторов курса и глиссады.

2. Характеристики воздействий на индикаторы курса и глиссады, обусловленные качкой судна.

3. Критерии и показатели.

4. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Построение моделей индикаторов курса и глиссады.

1. Математическая модель индикаторов курса и глиссады.

2. Математическая модель индикаторов курса и глиссады при качке корабля на регулярном волнении.

3. Математическая модель индикаторов курса и глиссады при качке корабля на нерегулярном волнении на базе метода Монте-Карло.

4. Инженерная методика оценки величины отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали.

5. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Определение эксплуатационного диапазона для индикаторов курса и глиссады, входящих в систему ОСПВ 20380.

1. Изменение областей видимости сигналов ИК и ИГ, обусловленное погрешностью стабилизации относительно истиной вертикали.

2. Определение эксплуатационного диапазона для ИК/ИГ системы ОСПВ 20380.

3. Выводы к главе 3.

Использование вертолетов на кораблях различных типов существенно повышает эксплуатационные возможности как гражданских судов, так и кораблей ВМФ. Вместе с тем, использование вертолетов палубного базирования предъявляет существенные требования к обеспечению безопасности взлета и, особенно, посадки на палубу корабля [32,37]. В таблице 1 приведена сводка летных происшествий, произошедших при посадке вертолетов на взлетно-посадочную палубу кораблей различных типов. Из этой таблицы видно, что большая часть летных происшествий произошла из-за ошибок пилотирования, как правило связанных либо с неправильным расположением вертолета на глиссаде, либо неправильным позиционированием вертолета над ВППл.

Таблица 1. Летные происшествия, произошедшие при заходе вертолетов на посадку на ВППл кораблей различных типов. [32]

Дата Описание Причина

04.05.2007 Во время посадки на палубу сторожевого корабля "Ярослав Мудрый" вертолет Ка-27 задел лопастями винта палубную надстройку. Из-за разрушения винта машина упала сначала на палубу, а оттуда — в воду. Два пилота Ка-27 и три технических специалиста, находившихся на борту, успели выскочить из тонущей машины. Всех подняли на борт "Ярослава Мудрого" и оказали им необходимую медпомощь. Вертолет спасти не удалось. Ошибка пилотирования

26.03.2003 При выполнении посадки на БГПС «Адмирал Трибуц» ночью потерпел катастрофу из-за потери пространственной ориентировки Ка-27пс, пилотируемый подполковником Топырычевым А. С. Экипаж погиб. Потеря пространственной ориентировки

26.02.1992 При заходе на посадку на БПК Ошибка

Симферополь» ввиду ошибки летчика произошла катастрофа вертолета Ка-27пс, пилотирования пилотируемого майором 11. П. Сизовым и инструктором майором М. Ю. Алексеевым. При подлете к кораблю летчик выполнил резкое гашение скорости путем увеличения угла тангажа, что вызвало интенсивное снижение вертолета. Инструктор помощи летчику не оказал. На удалении 670 м от корабля вертолет коснулся водной поверхности, перевернулся и затонул на глубине 220 м. Экипаж погиб. При этом так же погибло 7 летчиков полка, перевозимых в качестве пассажиров.

11.02.1991 При выполнении захода на посадку на ТРКР «Калинин» произошло столкновение с водной поверхностью вертолета Ка-25, пилотируемого капитаном В. А. Новиковым. Экипаж спасен. Ошибка пилотирования

19.4.1989 При выполнении полета с БПК «Адмирал Исаченко» произошло столкновение с водной поверхностью вертолета Ка-25, пилотируемого капитаном Р. В. Гиматдиновым. Экипаж спасен. Ошибка пилотирования

02.11.1988 при заходе на посадку произошла авария' вертолета Ка-27пл, пилотируемого ст. лейтенантом Кузнецовым С. Н. Не установлена

19.03.1987 произошла катастрофа Ка-29, пилотируемого майором Ю. И. Блатцевым и штурманом В. М. Корзининым. Через 6 минут после взлета с корабля летчик допустил отклонение от требований руководства по летной эксплуатации по правилам захода на корабль , срубил лопастями несущего винта штыревую антенну, что привело к повреждению лопастей и нарушению управляемости вертолета. Вертолет с правым креном столкнулся с водной поверхностью и затонул. Экипаж погиб. Ошибка пилотирования

23.06.1987 При заходе на посадку произошла авария вертолета Ка-27, пилотируемого Не установлена подполковником С. Ф: Лаврешиным.

Из таблицы 1 видно, что в 80-х годах прошлого века в среднем каждый год происходило одно летное происшествие при посадке вертолета-на ВППл. Снижение числа летных проишествий в 90-х годах прошлого века и в период с 2000 — 2009гг связано с резким уменьшением числа производимых посадок. Фактически в этот период производились единичные посадки на ВППл.

До сих пор в отечественной практике вертолеты- использовались на крупных кораблях, таких как авианосцы, крейсеры- эсминцы: В последнее время вертолеты стали размещаться и на малых; сторожевых кораблях.

Для обеспечения безопасного захода на посадку вертолетов на взлетно-посадочные площадки (ВППл) кораблей ВМФ и судов различного назначения используются радиотехнические, телевизионные ихпутниковые системы.

Для*; повышения безопасности захода на посадку ночью в сложных метеоусловиях многие годы качестве резервных за рубежом применяются^ оптические системы визуальной посадки: В 80-х годах XX века на английском авианосце «Гермес» была испытана система под названием «новая светотехническая система? ночной: посадки VLA» (Visual! Banding Aids). Вскоре ее испытания были продолжены; на; американском универсальном корабле «Тарава». Система VLA состоит из трех элементов: индикатора горизонтального захода по глиссаде HAPI, проблескового индикатора захода, на посадку PCOLS индикатора положения вертолета в режиме виденья HIP.

Двухцветный, индикатор HAPI показывает летчику местонахождение относительно? оптимальной глиссады. Он состоит из двух огней, расположенных по левому борту корабля на расстоянии 91,5м друг от друга, каждый из которых стабилизирован по качке и разделен на две зоны. Если летчик будет входить в; зону действия огней ниже заданной глиссады, то он увидит красный огонь над красным, если выше, то белый огонь над белым. При заходе по оптимальной глиссаде летчик видит белый огонь над красным. Данная система до сих пор используется на кораблях НАТО, но несмотря на неоднократную модернизацию, все еще далека от совершенства и не отвечает полностью требованиям безопасности полетов [22].

В разрабатываемых в настоящий момент отечественных системах используются оптические индикаторы курса (ИК) и глиссады (ИГ) с пассивной (маятниковой) системой стабилизации оптических осей относительно крена и дифферента корабля. Принцип работы этих индикаторов будет рассмотрен далее, в 1 -ой главе. Аналогичные системы устанавливаются и на новых кораблях стран НАТО (см. рис. 1), однако, сведенья по этим системам закрыты.

Рис. 1 Корабль испанских ВМФ, фрегат «Blaz de Lezo» (2005) Длина: 133 м, Ширина: 17.5 м, водоизмещение: 5800 т, скорость: 29 узлов

Качка корабля вызывает погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно -истинной—вертикали,—которая выражается—-в—колебаниях-оптической оси индикаторов курса и глиссады. Колебания оптической оси индикаторов, в свою очередь, вызывает искажение сигнала, передаваемого летчику. Погрешность стабилизации индикаторов курса и глиссады относительно истинной вертикали зависит от размещения ИК/ИГ на ВППл (расстояния точки подвеса ИК/ИГ от кормы и борта корабля), от конструктивных особенностей ИК/ИГ, от амплитуды и частоты качки корабля по крену и дифференту.

Ввиду того, что системы индикаторов курса и глиссады в РФ разрабатываются впервые, в отечественной практике полностью отсутствует методики применения систем ИК/ИГ для обеспечения безопасного захода вертолета на ВППл, методики расчета эксплуатационных параметров, а так же критерии и методы оценки качества работы ИК/ИГ. Сведения по подобным методикам в открытой зарубежной литературе отсутствуют.

Таким образом, разработка методик расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе корабля, методики применения подобных систем для обеспечения безопасного захода вертолета на ВППл, а так же методов их оценки и сравнения для обеспечения безопасной посадки вертолетов на ВППл в условиях наличия качки ВППл, является актуальной.

Целью данной работы является:

1) Создание методики расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля на регулярном и нерегулярном волнении.

2) Создание методики расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе кораблей различных типов, при которых погрешность стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали будет минимальна.

3) Определение эксплуатационного диапазона разрабатываемой в настоящий момент системы ИК/ИГ ОСПВ 20380 по амплитудам и частотам и качки корабля по крену и дифференту. Эксплуатационный диапазон, определяетсяиз-условия—максимально-—допустимой—погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали.

4) Разработка и апробация метода использования ИК/ИГ, который бы позволил расширить эксплуатационный диапазон ИК/ИГ.

Для достижения поставленных целей в работе необходимо решить задачи:

- разработать критерии и метод оценки качества работы индикаторов курса и глиссады;

- выработать критерии оценки и сравнения степени искажения сигнала ИК/ИГ, обусловленные колебаниями ИК/ИГ относительно истинной вертикали в плоскости крена и дифферента;

- сравнивая искажения, вносимые движением ИК/ИГ относительно истинной» вертикали в плоскости крена и дифферента, разработать метод расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ;

- провести апробацию возможности разработанного метода расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ;

- исследовать влияние расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ на качество работы ИК/ИГ;

- разработать математические модели движения ИК/ИГ при воздействии на судно регулярного и нерегулярного волнения;

- на основе разработанных моделей построить методики расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали;

- рассчитать амплитуды отклонения ИК/ИГ от истинной вертикали и проанализировать влияние погрешности стабилизации ИК/ИГ на точность передачи в пространство информации по крену и дифференту.

Для решения поставленных задач использовались методы, теории математического моделирования и системного анализа, теории вероятностей и инженерной психологии. В экспериментальных исследованиях применялось имитационное моделирование с использованием ЭВМ.

-Научнаяновизна.В диссертационнойработе-предложенновый-подход к моделированию движения маятниковых систем под воздействием качки корабля на морском волнении на базе метода Монте-Карло, который основывается на предположении о том, что качку корабля на волнении, при определенных условиях, можно рассматривать как стационарный случайный процесс.

Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных разработок и исследований, направленных на повышение безопасности посадки вертолета на ВППл судов различных типов. Результаты данной работы были использованы при разработке системы ОСПВ 20380 ЗАО НТЦ «Альфа-М». Данная система прошла необходимые заводские и государственные испытания и поставлена заказчику, о чем имеются соответствующие документы. В работе получены следующие, важные практические результаты:

- разработаны критерии и метод оценки качества работы ИК/ИГ;

- разработаны математические модели, описывающие движение ИК/ИГ при различном расположении на палубе корабля и различных параметрах качки корабля;

- создана методика расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля в условиях регулярного и нерегулярного морского волнения;

- определены эксплуатационные ограничения ИК/ИГ в зависимости от параметров качки корабля на волнении и размещении ИК/ИГ на палубе корабля;

- создан метод использования ИК/ИГ, который позволяет расширить область применения ИК/ИГ.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: на ежегодной международной конференции «Авиация и Космонавтика», Москва, 2008-2009;—на—ежегодной -Всероссийской—конференции—ученых^ молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике», Москва, 2009; на Международном авиационно-космическом научно-гуманитарном семинаре имени С.М. Белоцерковского, Москва, 2009; на IX международной школе-семинаре молодых ученых России и Украины «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики», Орёл, 2009; на семинаре кафедры компьютерного моделирования ФАЛТ МФТИ, Москва, 2009. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе две статьи в журналах, входящих в «перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора и кандидата наук».

На защиту выносятся:

- критерий и метод оценки и сравнения качества работы ИК/ИГ;

- методика расчета погрешности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали при различных параметрах качки корабля в условиях регулярного и нерегулярного морского волнения;

- инженерная методика расчета размещения систем ИК/ИГ на палубе кораблей различных типов;

- принцип использования ИК/ИГ при эксплуатации ИК/ИГ в условиях превышения допустимых значений амплитуды качки корабля по крену и дифференту;

- метод расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ по параметрам качки корабля по крену и дифференту.

Работа состоит из трех глав, заключения и приложений. В первой главе, которая носит обзорно-постановочный характер, дается общая характеристика объектов исследования и характеристика воздействий, которые обусловлены качкой корабля. Приводится описание методов, положенных-в-основу-диссертационного-исследованиягопределяются-цели-и-задачи диссертационной работы. Объектами исследования являются оптические индикаторы курса и глиссады (ИК/ИГ), предназначенные для визуальной посадки вертолётов на палубы морских судов днём и ночью, в простых и сложных метеоусловиях.

Во второй главе строится математическая модель движения индикаторов курса и глиссады под воздействием качки корабля на регулярном и нерегулярном волнении. Рассматриваются практические аспекты реализации разработанных теоретических положений: задача расчета величины погрешности стабилизации индикаторов курса и глиссады, обусловленной качкой корабля на регулярном и нерегулярном волнении. Приводятся результаты моделирования для некоторых параметров качки.

В третьей главе решена важная с практической точки зрения задача расширения эксплуатационного диапазона индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей. Разработан критерий и метод оценки качества работы системы индикаторов курса и глиссады с использованием вычислительного эксперимента. Представлены результаты моделирования, которые позволяют определить эксплуатационный диапазон индикаторов курса и глиссады системы ОСПВ 20380.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы. В приложениях приведены документы, подтверждающие внедрение полученных результатов и исходные коды программ, использовавшихся для проведения моделирования.

3. Выводы к главе 3

В данной главе рассмотрены особенности эксплуатации ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей в условиях качки корабля на волнении. Проведенное в данной главе исследование позволяет сделать следующие выводы:

1) Наибольшее искажение в информацию, передаваемую летчику индикаторами курса и глиссады, вносит погрешность стабилизации ИГ относительно истинной вертикали в плоскости дифферента. При этом, степень искажения информации, обусловленная погрешностью стабилизации ИГ относительно истинной вертикали в плоскости дифферента, на порядок превосходит степень искажения, вносимые погрешностью стабилизации ИГ в плоскости крена и ИК в плоскости крена/дифферента.

2) При требовании к точности стабилизации ИК/ИГ относительно истинной вертикали 8 < 0.1° степень искажения, обусловленная погрешностью стабилизации ИГ в плоскости дифферента, составит:

4 = 0.1.

3) Анализ возможного использования ИК/ИГ для обеспечения безопасного захода вертолета на посадку на ВППл в условиях качки корабля показывает, что допустимую погрешность стабилизации ИГ в плоскости крена/дифферента можно увеличить до 5К = 1°, 5д = 0.5°. При этом проведенные исследования показывают, что качество работы системы индикаторов практически не ухудшится. По адаптированной шкале Купера-Харпера качество работы системы может быть оценено на 4. Такая оценка означает, что обеспечение летчика информацией достаточно хорошее и отвечает требованиям поставленной задачи, однако, желательно обеспечение летчика дополнительной информацией по другим каналам.

Снижение требований к допустимой погрешности стабилизации ИК/ИГ позволит значительно расширить диапазон значений амплитуды и периода качки корабля по крену/дифференту, при которых допустимо использование ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей.

4) Представленные на рис. 3.2.1 а,б диаграммы позволяют определить допустимый эксплуатационный диапазон ИК/ИГ как при требовании к точности стабилизации ИК/ИГ в соответствии с ТЗ ОСПВ 20380 5К = 0.1°, 5д = 0.1° (область 1), так и при смягчении требований на точность стабилизации ИК/ИГ до значений 8К = 1°,5Д = 0.5° (область 3).

5) Сравнение результатов расчетов погрешности стабилизации ИК/ИГ, относительно истинной вертикали, выполненное с помощью различных методик, показывает их хорошее согласование друг с другом.

6) Смягчение требований на точность стабилизации ИК/ИГ до значений 5К = 1°, 5д = 0.5° не позволяет расширить эксплуатационный диапазон индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей на корабли с периодами качки по дифференту меньше 7 сек. Для таких кораблей необходимо рассматривать возможность установки индикаторов курса и глиссады на гиростабилизированных платформах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были решены сформулированные во введении задачи и получены следующие результаты:

1. Разработан критерий и предложен метод оценки качества работы индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей при воздействии качки корабля по крену и дифференту, (см. глава 3 часть 1).

2. Предложен метод расширения допустимого эксплуатационного диапазона индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей.

3. Проведена апробация предложенного метода расширения эксплуатационного диапазона с использованием экспертных оценок и имитационного моделирования. Установлено, что использование данного метода позволяет расширить эксплуатационный диапазон индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей в «15 раз по параметрам качки по дифференту и в ~ 5 раз по параметрам качки по крену (см. глава 3 часть 2).

4. Разработана имитационная программа, позволяющая производить субъективную оценку качества работы системы индикаторов курса и глиссады при различных параметрах качки корабля и различном размещении ИК/ИГ на ВППл.

5. Разработаны следующие математические модели движения индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей под воздействием регулярной и нерегулярной качки корабля (см. глава 2).

- модель ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей для условий качки корабля на регулярном волнении;

- модель ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей для условий качки корабля на нерегулярном волнении;

- упрощенная модель в случае размещения ИК/ИГ в непосредственной близости от диаметральной плоскости корабля.

6. На базе разработанных моделей построены методики расчета погрешности стабилизации индикаторов курса и глиссады относительно истинной вертикали при воздействии регулярной и нерегулярной качки корабля и при различном размещении индикаторов на палубе корабля, (см. глава 2 часть 2,3)

7. Разработан комплекс программ для системы Matlab2008b для проведения расчетов с использованием указанных выше методик (см. Приложение 1).

8. Выполненный в диссертации комплекс теоретических и расчетных исследований был внедрен в производство и нашел практическое применение при создании опытных и серийных образцов индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей ОСПВ 20380, разработанной компанией ЗАО НТЦ «Альфа-М»

Таким образом, можно утверждать, что в диссертации получены следующие результаты, заключающиеся в создании:

- методов оценки качества работы индикаторов курса и глиссады;

-методик расчета основных характеристик ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей, пригодных для различных областей применения;

-метода расширения эксплуатационного диапазона ИК/ИГ с маятниковой системой стабилизации оптических осей.

Так же в работе проведена апробация разработанных в работе методов и методик.

Полученные в работе результаты позволяют существенно расширить возможности применения систем индикаторов курса и глиссады с маятниковой стабилизацией оптических осей и тем самым способствуют повышению общего уровня безопасности при выполнении посадок вертолетов на ВППл кораблей и судов различных типов.

1. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. Л.:Гидрометеоиздат, 1966-255 с.

2. Крылов А.Н. Качка корабля // Собрание трудов. Т. XI. -М. —JL Издательство АН СССР, 1951 -496 с.

3. Фирсов Г.А. Развитие идей академика А.Н. Крылова в области теории и расчета качки кораблей на волнении. //Тр. /НТО Судпром, -Д., 1957. Т.7 -Вып. 2-С.5-19

4. Свешников А.А. Определение вероятностных характеристик трехмерного волнения моря //Известия АН СССР, ОТН /Механика и машиностроение . — 1969 №3 - с.32 -41

5. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. JI: Судостроение, 1969 - 432 с.

6. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов. JI: Судостроение, 1982 - 280 с.

7. Pierson W. Neumann G. James R. Practical methods for observing and forecasting ocean waves by means of wave spectra and statistics /US Naval Oceanographic office. - 1971 - 284 p.

8. Иванов Ю.В. Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на основе короткопериодных маятников. Теория и практика Тула:ТТУ, 2004 - 354 с.

9. Cervasio. Optimal estimation of ship's attitude rates //ffiFF J. Ocean Eng. -1979-T.4 -№2 -p. 52-59.

10. Благовещинский C.H. Холодилин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля Т.2 /Динамика (качка) корабля. Л:Судостроение, 1976 -176 с.

11. Грязин. Д.Г. Расчет и проектирование буев для измерения морского волнения СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2000 -134 с.

12. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающимся основании -М.: Наука, 1978 320 с.

13. Чеголин П.М. Автоматизация спектрального и корреляционного анализа. -М.: Энергия, 1969- 384 с.

14. Бугаенко Б.А. Динамика судовых спускоподъемных операций. -Киев:Наукова думка, 2004 320 с. ISBN 966-00-0235-1

15. Маков Ю.Л. Качка судов: учеб. пособие — Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО "КГТУ", 2007 321 с. ISBN 978-5-94826-191-1

16. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб. и доп. Т.1 /Под ред. Пупкова К.А., Егупова Н.Д. М:Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 -656 с. ISBN 5-7038-2189-4

17. Ривкин С.С. Теория гироскопических устройств 4.1 -Л: Судпромгиз, 1962.- 507 с.

18. ОСТ 5.1003 -80 Методика расчета качки водоизмещающих кораблей и судов.

19. Шайденко А.Я., Иванов Ю.В., Лапаев А.В., Рыбак О.В. Статистическая обработка результатов эксперимента на ЭЦВМ /ТулПИ. -Тула, 1983 -66с.

20. Парс Л.А. «Аналитическая динамика» пер. с англ. К.А.Лаурье М: Наука, 1971 -330 с.

21. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М: Наука, 1964 576 с.

22. Белавин Н.И. Авианесущие корабли. М: Патриот, 1997 - 216с.

23. Бахвалов Н.С. Жидков Н.П. Кобельков Г.М. Численные Методы -М:Наука, 1997 630с.

24. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-изд. СПб:Питер;Киев:Издательская группа BHV, 2004 - 847 с.

25. Купер Д.Е., Харпер Р.П. Использование оценок летчика в исследованиях пилотажных характеристик летательных аппаратов. М: Изд.

26. ЦНТИ «Волна», 1984г. 83 с.

27. Володько A.M. Безопасность полетов вертолетов — МгТранспорт, 1981 -224с.

28. Стрижак Т.Г. Методы исследования динамических систем типа «Маятник»- Алма-Ата:Наука, 1981 -245 с.

29. Тарасевич Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование. Изд. 4-е, испр. -М: Едиториал УССР, 2004 152с. ISBN 5-354-00913-8

30. Ильина А.В., Силаев П.К. Численные методы для физиков-теоретиков. Москва-Ижевск:Институт компьютерных исследоваий, 2003 -132с. ISBN 5-93972-231-8

31. Самарский А.А. Введение в численные методы, изд. Второе переработанное и дополненное. М:Наука, 1987 - 286с.

32. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. -М:Наука,1981 -488 с.

33. Тяпченко Ю.А. Системы отображения информации комплекса Алмаз электронный ресурс. // Энциклопедия Космонавтика, 2002- . Режим доступа: www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia/publications/ index.shtml7tgalmaz.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

34. Серёгин Г.Н. Авиационные тренажеры реальный путь к повышению безопасности полётов. // Право и безопасность - 2006 - №3-4 -с.20-21

35. Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом. // Успехи физических наук 1951 - т.44 - вып. 1 - с.7-20

36. Натазон А., Плоткин М. Маятник с вибрирующим подвесом. // Квант -1976 -№2 -с.28-31

37. Колошенко В. Трагедия в Заполярье электронный ресурс. // Электронная библиотека, 2009 -. Режим доступа:http://bookz.ru/authors/vasilii-kolo6enko/cp-10b97/l-cp-10b97.html, свободный. Загл. с экрана. - Яз. рус.

38. Хлопков Ю.И., Горелов C.JL Методы Монте-Карло и их приложение в механике и аэродинамике. М:МФТИ,1989 -110 с.

39. Хлопков Ю.И., Кравчук А.С., Серов В.В. Возможности методов прямого статистического моделирования. // Юбилейный сборник LXX-летия ЦАГИ, М. 1990-с.Ю

40. Хлопков Ю.И., Горелов C.JI. Приложение методов статистического моделирования (Монте-Карло).- М:МФТИ,1995 -120 с.

41. Благовещенский С.Н. Качка корабля. Л:Судпромгиз, 1954 - 160с.

42. Бородай И.К. Результаты экспериментального исследования остойчивости рыболовных судов на тихой воде при наличии хода // Экспериментальная гидромеханика судна. Л:Судостроение -1972 - вып. 173 -с. 50-57.

43. Бородай И.К. Метод расчета статистических характеристик качки на волнении заданной бальности. // Судостроение 1972 - №6 - с.9-11.

44. Бородай И.К. Метод оценки наибольшей высоты волны и амплитуды качки судна на нерегулярном волнении. // Судостроение — 1971 №2 —с.14-17.

45. Вознесенский А.И., Нецветаев Ю.А. Энергетический спектр морского волнения. // Судостроение — 1966 №7 -с. 11-15

46. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля. Л:Судостроение, 1973 - 230 с.

47. Кондриков Д.В., Липис В.Б. Инженерная оценка мореходности судов в условиях балластного плавания. // Труды ЦНИИМФ Л:Транспорт - 1970 -вып. 137 — с.29 - 76.

48. Лившиц Н.А., Пугачев В.Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. М:Советское радио - 1963 - Т. 1,2

49. Ремез Ю.В. Инженерная методика расчета возмущающих сил при произвольном курсе судна относительно волн. // Труды НКИ— 1972 — вып.58- с.3-13.

50. Ремез Ю.В., Коган Е.М., Пащенко Ю.Н. О влиянии формы аппроксимации судовых обводов на возмущающие силы при качке на косом волнении. // Труды НКИ 1975 - вып. 102 - с.58-60.

51. Ремез Ю.В., Некрасов В.А., Шестопал В.П. Качка судна на нерегулярном волнении. Николаев:Изд. НКИ, 1973 — 330с.

52. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. — М:Наука, 1964-320 с.

53. Лопатухин Л.И. Ветровое волнение. — СПб., 2004 -108 с.

54. Луговский В.В. Динамика моря. Л:Судостроение, 1976 - 200с.

55. Семёнов-Тян-Шанский В.В., Благовещенский С.Н., Холодидин А.Н. Качка корабля. Л:Судостроение, 1969 - 392с.

56. Ремез Ю.В. Качка корабля. Л:Судостроение, 1983 - 328 с.

57. Справочник по теории корабля: в трех томах. т. 2. Статика судов. Качка судов. / под ред. Я.И. Войткунского. — Л Судостроение, 1985 — 440 с.

58. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке Matlab СПб.:Наука, 1999- 467 с.

59. Д'Анжело Г. Линейные системы с переменными параметрами. Анализ и синтез: Пер. с англ. / Под ред. Н.Т. Кузовкова М:Машиностроение, 1974-288 с.

60. Дмитриев А.Н., Егупов Н.Д. Анализ и синтез нелинейных систем автоматического регулирования при помощи рядов Вольтерра и ортогональных спектров. В кн.: Техническая кибернетика / Под ред. В.В. Солодовникова. Кн. 3 4.2 М:Машиностроение, 1969 - с. 223-254.

61. Колмагоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. -МгНаука, 1969-496 с.

62. Платонов К.К., Гольдштейн Б.М. Основы авиационной психологии. -М.: Транспорт, 1987. 222 с.

63. Дьяконов В.П., Круглов В.В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный спра-вочник. СПб.:Питер,2002.- 448 с.

64. Калман Р., Фалб П. Очерки па математической теории систем. -М:Мир, 1971.-400 с.

65. Икрянов И.И. Моделирование индикаторов курса и глиссады с пассивной системой стабилизации оптических осей. // Тез. докл. 7-я Международная конференция Авиация и Космонавтика 2008 Москва - 2008.

66. Икрянов И.И., Тяпченко Ю.А. Исследование особенностей отображения информации корабельными индикаторами курса и глиссады с маятниковой стабилизацией оптических осей.// Авиакосмическое приборостроение 2009 - №3 - с. 3-10 - ISSN 2073-0020

67. Икрянов И.И. Исследование критериев и разработка методов оценки качества работы индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей.// Тез. докл. 8-я Международная конференция Авиация и Космонавтика 2009. Москва - 2009.

68. Икрянов И.И. Модели движения индикаторов курса и глиссады с маятниковой системой стабилизации оптических осей. // Научно-технические ведомости СПбПГУ. Серия Информатика. Телекомуникации. Управление. -Санкт-Петербург вып. №5 - 2009

69. Моделирование систем электронный ресурс. // Пермская лаборатория компьютерного моделирования, 2008-. Режим доступа: http://stratum.ac.ru/textbooks/modelir/contents.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.