автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Устойчивость системы "Экипаж-ВС" при заходе на посадку



ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи УДК 533.6 Бабаскин Василий Викторович

УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ «ЭКИПАЖ-ВС» ПРИ ЗАХОДЕ НА ПОСАДКУ

Специальность 05. 22.14. Эксплуатация воздушного транспорта Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор физ.-мат. наук, профессор, Член-корр. Академии транспорта России

Чепига В.Е

Санкт-Петербург 1998

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................6

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД......................................................11

1.1 .Летная эксплуатация как функционирование системы «Экипаж—ВС»....................................................................11

1.2. Формализация летной эксплуатации..................................................13

1.3. Методы исследований, математические модели...........................15

1.3.1. Алгоритмический метод...................................................................15

1.3.2. Структурное моделирование...................................................!........ 16

1.3.3. Информационный метод...................................................................17

1.3.4. Статистические модели, основанные на теории принятия решения..........................................................................19

1.3.5. Динамическое моделирование.........................................................21

1.4. Проблемы математического моделирования. Выбор модели...........23

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ « ЭКИПАЖ—ВС»...............................................26

2.1. Уравнение движения воздушного судна.........................................26

2.1.1. Классические уравнения движения............................................... 26

2.1.2. Системы координат и уравнения движения воздушного судна......29

2.2. Уравнение управления воздушным судном.....................................34

2.3. Линеаризованные уравнения устойчивости. Критерии устойчивости..........................................................................40

3.АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ЭКИПАЖ—ВС».................................................47

3.1. Требования норм летной годности к устойчивости ВС..................48

3.2. Авиационные происшествия и инциденты, связанные с проявлением неустойчивости системы «Экипаж-ВС».......................................51

3.3. Вычисление траекторий движения ВС при различных параметрах, оптимизация по вертикальной перегрузке...................................57

3.4. Оценка устойчивости системы «Экипаж-ВС»...............................62

4. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ГРУБЫХ ПОСАДОК.....................................69

4.1. Анализ статистических данных, типичные случаи грубых приземлений........................................................................69

4.2. Характерные ошибки пилотирования. Основные причины грубых посадок.............................................................................86

4.2.1. Отклонения и ошибки при заходе на посадку по ОСП..................86

.4.2.2. Отклонения и ошибки при заходе на посадку по курсоглиссадной системе..............................................................................87

4.2.3. Маневры в вертикальной плоскости и управление силовой

установкой, приводящие к разбалансировке ВС........................87

4.2.4. Преднамеренный уход под глиссаду.........................................89

4.2.5. Основные причины грубых приземлений.............................. .. .90

4.3. Основные рекомендации..................................................;......93

4.3.1. Определение высоты выравнивания.........................................94

4.3.2. Продольная балансировка воздушного судна при заходе на посадку96

4.3.3. Подходы к повышению уровня взаимодействия в экипаже...........100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................117

Приложение 1 — Тестовая задача...............................................118

Приложение 2 — Посадка в а/п. Оренбург 1.03.80..........................121

Приложение 3 — Посадка в а/п. Чита 8.10.80................................129

Приложение 4 — Посадка в а/п. Норильск 16.11.81........................133

Приложение 5 — Посадка в а/п. Красноводск 21.01.88.....................134

Приложение 6 — Посадка в а/п. Норильск 24.09.88........................135

Приложение 7 — Посадка в а/п. Алеппо 24.09.88...........................136

Приложение 8 — Посадка в а/п. Пулково 21.05.91..........................137

Приложение 9 — Рисунки из разных глав.....................................145

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ.

АБСУ — автоматическая бортовая система управления

А/П — аэропорт

АП — авиационное происшествие

БПБ — боковая полоса безопасности

БПРМ — ближний приводной радиомаяк

ВПП — взлетно-посадочная полоса

ВПР — высота принятия решения

ВС — воздушное судно

ГА — гражданская авиация

ГАП — государственное авиа предприятие

ДПРМ — дальний приводной радиомаяк

ед. — единица

ЗМГ — земной малый газ

ИВПП — взлетно-посадочная полоса с искусственным покрытием

ИКАО — Международная организация гражданской авиации

КВД — компрессор высокого давления

КВС — командир воздушного судна

КПБ — концевая полоса безопасности

ЛЭ — летная эксплуатация

МСРП — магнитный самописец регистрации параметров

ОАО — объединенный авиаотряд

ОЕ — оперативная единица

ОСП — основная система посадки

РЛЭ — руководство по летной эксплуатации

РСП — радиолокационная система посадки

РУД — рычаги управления двигателями

САУ — система автоматического управления

САХ — средняя аэродинамическая хорда

СМУ — сложные метеоусловия

СОП — служба отдела перевозок

СП — система посадки

СУ — силовая установка

СЭВС — система экипаж-воздушное судно

ТУ — технические условия

УВД — управление воздушным движением

УНТ — угол наклона глиссады

ЦВМ - цифровая вычислительная машина

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы, стоящие перед гражданской авиацией (ГА) -системой воздушного транспорта, как отраслью народного хозяйства, обусловлены с одной стороны, особенностями научно-технического прогресса, а с другой,— спецификой данной отрасли. Отличительной чертой нынешнего периода бурного развития научных и технических знаний явился информационный «взрыв», который вместе с другой особенностью современной авиации— увеличением скорости полета (сокращением времени на переработку информации) породил новую проблему, связанную со значительным увеличением (до 75%) авиационных происшествий (АП) из-за ошибок человека-оператора. Множество причин АП, обуславливающих разнообразные ошибки человека, получило название человеческого фактора.

Говоря о специфике ГА следует, прежде всего, отметить повышенную опасность воздушных перевозок, как и любого другого вида транспорта, связанного с перевозкой людей. Решение проблемы человеческого фактора, проблемы безопасности полетов возможно только при комплексном, системном подходе.

Важнейшим звеном системы воздушного транспорта (подсистемой) является система «Экипаж—воздушное судно» (СЭВС). Определяющая роль СЭВС в достижении целей, стоящих перед гражданской авиацией — осуществление безопасных воздушных перевозок - заключается в том, что работа этой системы завершает, реализует, суммирует и в то же время оценивает усилия всех составных частей (служб) авиационного комплекса. Функционирование системы «Экипаж—ВС» представляет собой летную эксплуатацию, которая включает следующие основные этапы: предварительная и предполетная подготовки, выполнение полета, послеполетный разбор в экипаже с анализом качества выполненного полета.

Качество функционирования системы «Экипаж—ВС» в значительной мере определяется устойчивостью её вблизи эксплуатационных ограничений. Под устойчивостью функционирования системы «Экипаж—ВС» понимается способность системы сохранять свои выходные характеристики в заданных границах при действии различных возмущений. В математическом плане исследование устойчивости сложных систем типа «Экипаж—ВС» является нерешенной проблемой, хотя при введении некоторых ограничений для конкретных задач такие решения возможны.

Анализ статистических данных по безопасности полётов показывает, что большинство авиационных происшествий с тяжелыми последствиями, связано с проявлением неустойчивости системы «Экипаж—ВС» при заходе на посадку. При этом на систему воздействует, как правило, несколько неблагоприятных факторов. В Руководстве по лётной эксплуатации (РЛЭ) каждого типа ВС вводятся ограничения на неблагоприятные факторы и отклонения параметров при управлении функциональными системами ВС. Однако эти ограничения сформулированы корректно для случаев, когда на систему действует только один фактор или существуют отклонения одного параметра.

Если на систему действует много факторов при условии, что ни один из них не выходит за пределы, указанные в РЛЭ, то экипаж не может быть уверенным, что система находится в области устойчивости, так как при совместном действии многих факторов ограничения должны быть другими. В связи с этим оценка устойчивости системы «Экипаж - ВС» при одновременном влиянии на её функционирование большого числа неблагоприятных факторов является актуальной проблемой, решение которой связано с повышением уровня безопасности полётов.

В диссертации проводится анализ особых ситуаций, возникающих при посадке ВС, грубых приземлений, которые характеризуются повышенными по сравнению с допустимыми (нормируемыми для данного типа ВС)

вертикальными перегрузками. Статистические данные об авиационных происшествиях и инцидентах дают возможность сделать выводы, что грубые посадки являются частыми событиями в летной эксплуатации, а вероятность их перехода в авиационные происшествия с человеческими жертвами достаточно высока.

Моделирование грубого приземления на ЭВМ с внешними и начальными условиями, взятыми из материалов расследования авиационных происшествий (Норильск, Ленинград и др.) выявило основные факторы, приводящие к грубым посадкам.

Оптимизация траекторий движения ВС на этапе посадки с минимизацией вертикальной перегрузки при неблагоприятных внешних и начальных условиях, оценка устойчивости системы «Экипаж - ВС» на предпосадочной прямой позволили сформулировать научно обоснованные рекомендации экипажу по предотвращению особых ситуаций на этапе посадки.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в исследовании устойчивости сложной системы «Экипаж—ВС» при заходе на посадку путём моделирования её функционирования с учётом различных отклонений от программного движения по глиссаде и разработке рекомендаций по предотвращению особых ситуаций на посадке.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНО—ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ.

В диссертации решаются следующие задачи:

— анализируется устойчивость системы «Экипаж—ВС» на основе статистических данных;

—моделируется функционирование системы «Экипаж—ВС»;

—вычисляются оптимальные по перегрузке траектории движения ВС при различных параметрах;

— определяется высота начала выравнивания при заданной вертикальной перегрузке в зависимости от скорости полета, вертикальной скорости снижения и величины скорости попутного ветра;

— проводится оценка области устойчивости системы «Экипаж—ВС»;

—разрабатываются рекомендации экипажу ТУ—154 при заходе на посадку при различных условиях.

ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

— результаты анализа статистических данных по безопасности полётов, показывающие, что значительная часть произошедших авиационных происшествий при заходе на посадку связана с неустойчивостью системы «Экипаж—ВС»;

— построенная математическая модель функционирования системы «Экипаж-ВС»;

— оптимизированные траектории движения ВС с минимизированными перегрузками;

— приведенная зависимость высоты начала выравнивания;

— полученные оценки области устойчивости системы «Экипаж—ВС»;

— разработанные рекомендации экипажу по предотвращению авиационных происшествий и грубых посадок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

В работе предложена для исследований математическая модель функционирования системы «Экипаж—ВС», основанная на использовании уравнений движения ВС и уравнений управления, в которых поведение членов экипажа описывалось передаточной функцией. Линеаризованные уравнения устойчивости системы «Экипаж-ВС» приведены к нормальному виду Коши и записаны компактно в матричной форме, удобной для численного исследования. Реализован подход, позволяющий при заданных внешних и начальных условиях путём соответствующего выбора коэффициентов

управления (управляющих воздействий) получить оптимизированные траектории движения ВС с минимизированными перегрузками при посадке; определить основной фактор грубых приземлений— высоту начала выравнивания в зависимости от скорости полета, вертикальной скорости снижения, составляющей скорости попутного ветра.

Получены соотношения, определяющие оценку устойчивости системы «Экипаж—ВС» при комбинации различных факторов влияния.

На основании полученных результатов разработаны практические научно обоснованные рекомендации экипажу, направленные на повышение уровня безопасности полетов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, ПУБЛИКАЦИИ.

Материалы диссертации были апробированы на научно-технических семинарах и научно-практических конференциях по безопасности полётов, а также были изложены в докладах и материалах, предоставленных для внедрения.

Всего по материалам диссертации опубликовано 11 работ. СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 148 страниц, в том числе 32 страницы приложения.

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ,

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД.

Моделирование летной эксплуатации, как функционирования сложной системы «Экипаж-ВС» связано с развитием теории систем, с системным подходом.

Системный подход как направление современной науки обычно связывают с трехчастным исследованием A.A. Богданова, которое появилось в нашей стране в 20-е годы .[22] Это была попытка связать воедино накопленные человечеством знания. Однако претензии теории систем на роль всеобщей науки тогда в нашей стране не состоялись, и исследования по системным проблемам в России почти прекратились.

В 30-е годы идея системного подхода нашла воплощение в работах Л. Берталанфи [23] при построении общей теории систем. С развитием кибернетики системные исследования приобрели действительную научную и техническую базу, и в настоящее время разработка, расчеты, исследования сложных комплексов невозможны без использования теории систем.[24,25,26]

Система воздушного транспорта является одним из таких комплексов, состоящих из большого количества подсистем, каждая из которых в свою очередь может рассматриваться как сложная система. Важнейшим звеном системы воздушного транспорта считается подсистема «Экипаж-воздушное судно», которая в процессе своего функционирования опосредует и оценивает усилия всех подсистем (служб) авиационного комплекса.

1.1. Летная эксплуатация как функционирование системы «Экипаж—ВС»

В системе воздушного транспорта подсистема « Экипаж—ВС» выполняет роль элемента системы. При решении задач летной эксплуатации подсистема «Экипаж—ВС» рассматривается как основная система СЭВС [1,2]. Различие между элементом и системой является чисто условным.

При формальном описании системы элемент выступает как объект, не

подлежащий дальнейшему делению на части. Однако выделенный элемент может в свою очередь являться большой и сложной системой, т. е. подсистема выступает в виде части и целого. В системе «Экипаж-ВС» ее основные элементы экипаж и воздушное судно на этапах подготовки могут рассматриваться как самостоятельные системы.

Функционирование СЭВС—летная эксплуатация—включает следующие этапы: предварительную и предполетную подготовку, полет и послеполетный анализ отклонений в экипаже. Входными характеристиками системы являются программные параметры полетов, выходными—фактические параметры. Функционирование СЭВС определяется функционированием экипажа и систем ВС, функционированием УВД и подсистем обеспечения полета. На летную эксплуатацию как функционирование СЭВС оказывает влияние ряд внесистемных факторов, таких как опасные метеоявления, случайные факторы, неизвестные факторы. (Рис. 1.1.)

К опасным метеоявлениям относятся грозы, статическая электризация, шквалы, смерчи, пыльные бури, сдвиг ветра, турбулентность, обледенение и т.д.

Случайные факторы связываются с геофизическими явлениями (извержения вулканов, землетрясения и др.), столкновения с птицами и инородными телами в атмосфере, с нападением на экипаж.

Неизвестные факторы могут проявляться при функционировании экипажа, ВС или системы в целом, и отнесение их к внесистемным имеет определенную условность.

Описание функционирования сложной системы в математических символах является математической моделью системы, которая охватывает только существенные связи, рассматривает основные явления и учитывает главные факторы и условия реального процесса. Построение моделей, полностью адекватных реальности, п�