Авиационная и ракетно-космическая техника
Повышение эффективности работы аэродрома в значительной степени зависит от качества решения проблем на границах взаимодействия различных технологических участков, в том числе использование одной взлетно-посадочной полосы (ВПП) прилетающими и вылетающими воздушными судами (ВС). При определенной интенсивности вылетающего и прилетающего потоков движения воздушных судов неизбежно возникает конфликт их интересов, где расставить приоритеты зачастую бывает сложно даже для опытных диспетчеров, вследствие чего возникают ошибки при принятии решения.
В данной работе сформулирована задача оперативной коррекции времени посадки и взлета воздушных судов, использующих одну ВПП в условиях возникновения конфликта интересов «прилет-вылет» при повышенной операционной интенсивности. Выбор варианта оптимального решения производится с учетом обоюдных интересов без полного перебора и оценки всех вариантов решения.
В этой связи предложен генетический алгоритм, предлагающий простой и эффективный подход к решению задачи выбора оптимального управления при обеспечении безопасности полетов на приемлемо высоком уровне. В качестве критериев оценки оптимальности выбора используется оценка дополнительного расхода авиационного топлива.
Показаны преимущества применения генетического алгоритма при выборе решения по сравнению с принятым сегодня «командным» вариантом разрешения конфликта вылета и прилета в районе аэродрома.
Транспорт
Прогресс в авиационном двигателестроении определяется возрастанием рабочих параметров газотурбинных двигателей, который неизбежно сопровождается повышением значений рабочих температур и нагруженности высокоответственных элементов горячего тракта турбины. Кроме того, повышаются требования к надежности двигателя в целом. Выполнение этих требований прежде всего обуславливается работоспособностью материалов лопаток турбин и обеспечивается применением высокожаропрочных никелевых сплавов в сочетании с комбинированными теплозащитными покрытиями.
В статье решается задача оценки влияния нестационарного теплового воздействия на распределение температуры в многослойном теплозащитном покрытии. С целью оценки работоспособности теплозащитного покрытия предложен метод вычисления температурного поля по профилю лопатки и глубине покрытия, базирующийся на решении основного одномерного дифференциального уравнения теплопроводности.
Данный метод позволяет оценить работоспособность теплозащитного покрытия, а также дает возможность подобрать комбинацию слоев теплозащитного покрытия для конкретных условий эксплуатации лопаток газотурбинного двигателя.
Кроме того, с помощью предложенного метода можно оценить воздействие нестационарного теплового потока на структуру жаропрочного сплава лопатки турбины двигателя, а следовательно, оценить ресурс с данным теплозащитным покрытием. При температурах 1150–1200 °С и выше в жаропрочных никелевых сплавах происходит процесс коагуляции основных упрочняющих когерентных частиц y'-фазы на основе интерметаллида Ni3Al, вместо кубоидов формируются длинные пластины волнистой формы, происходит образование топологически плотноупакованных фаз, представляющих собой игольчатые образования. Эти процессы приводят к значительному ухудшению прочностных характеристик жаропрочных сплавов. Проводя расчеты по предложенной методике, можно прогнозировать работоспособность лопаток турбин, имея информацию об интенсивности фазовых превращений в сплаве и о температурных забросах в процессе работы газотурбинного двигателя (по данным бортовых систем контроля и фиксации параметров).
Исследуется вопрос управляемости воздушного судна при допущении отказов органов управления (ОУ) путем моделирования характеристики управления с учетом особенности его системы автоматического управления. Приводятся виды отказов органов управления самолетом, такие как клинение, колебание, увод в крайнее положение и снижение производительности.
Обосновано, что при допущении отказа вследствие потери привода (actuator) или разрушения конструкции ОУ эксплуатационно-летные характеристики самолета значительно ухудшаются. Гражданские воздушные суда (ВС) нередко могут находиться в зонах конфликтов и террористической активности, где не исключена вероятность обстрела, например, в Сирии, Ираке, Южном Судане и т. д. Следовательно, необходима модель отказов, способная идентифицировать отказы вследствие разрушения конструкций и отказов компонентов, органов управления.
Результаты данного исследования показывают, что адекватная модель отказов является первым шагом в сторону решения задач потери управляемости ВС при допущении отказов и частью дальнейшей адаптационной модели управления. Таким образом, можно обеспечить высокую эксплуатационную живучесть и надежность ВС, а также экономически рационально повысить уровень безопасности его полетов (БП).
Результаты исследования, полученные в данной статье на основе моделирования нелинейного движения ВС при стабилизации углов по тангажу и крену, позволят в дальнейшем разработать алгоритм своевременного выявления отказа конкретной ОУ, который будет использован при проектировании автоматизированной системы управления самолета и на стадии разработки перспективных бортовых систем управления (БСУ). Внедрение полученных результатов позволит эффективно повысить отказоустойчивость ОУ, надежность элементов конструкции ЛА и поддерживать приемлемый уровень БП при допущении частичной или полной потери управляемости ВС из-за разрушения конструктивных компонентов органов управления и отказов ОУ ВС.
Рассматривается проблема упорядочения потока воздушных судов (ВС) как одна из задач обслуживания воздушного движения. Фактически этап полета воздушного судна, на котором к нему должны применяться меры по регулированию и построению потока, сильно зависит от интенсивности воздушного движения и структуры воздушного пространства аэропорта, который данное ВС следует.
Приведен пример воздушной обстановки с двумя прилетными ВС на аэродром Домодедово, при работающей ВПП 32 (правая), в обстановке, не осложненной какими-либо погодными условиями. При расчете была учтена структура воздушного пространства, удаление ее элементов друг от друга, применяющиеся схемы захода на посадку, а также ограничения по скоростям и их изменению, описанные в руководящих документах и сборниках аэронавигационной информации. Для большей достоверности результатов были применены два метода расчета, которые в итоге дали схожие результаты.
Как показал расчет, без должного построения потока воздушных судов до входа в зону на диспетчеров подхода будет падать дополнительная нагрузка по решению задач, которые могли быть решены еще до входа ВС в их зону.
В статье учтен международный опыт решения проблемы, показана возможность и методы упорядочивания потока ВС в секторах районного центра, предложены изменения в технологии работы диспетчеров, а также предложено рассмотреть данную проблему с точки зрения автоматизации ее решения.
В статье рассматриваются различные варианты организации воздушного движения на аэродромах с низкой интенсивностью полетов, на которых наличие диспетчерского обслуживания не всегда оправдано.
Приведены примеры уже реализованных концепций в зарубежных странах: такие как удаленные командно-диспетчерские пункты (КДП), которые позволяют управлять воздушным движением, находясь на значительном расстоянии от аэродрома. Первый удаленный КДП уже введен в эксплуатацию в аэропорту Örnsköldsvik (Швеция). Перспективы развития таких систем рассматриваются и в других странах, например, в Австралии, США и Германии. В ближайшее время на территории США также появится аэропорт с удаленным КДП. В статье проанализированы плюсы и минусы данной системы управления воздушным движением и ее влияние на безопасность полетов.
В статье рассматривается зарубежный опыт использования неконтролируемых аэродромов, на которых полностью отсутствует диспетчерское обслуживание. На примере аэродромов США и Новой Зеландии проведен анализ основных правил полетов в районе неконтролируемых аэродромов и их влияние на безопасность полетов. Приняты во внимание правила полетов при визуальных метеорологических условиях для учебно-тренировочных полетов и при полетах по приборам для регулярных и нерегулярных рейсов авиакомпаний. Приведены критерии оценки необходимости того или иного обслуживания в зависимости от интенсивности полетов.
Дана оценка перспектив внедрения удаленных КДП и неконтролируемых аэродромов в структуре ЕС ОрВД, в которой большая часть аэродромов имеет менее 10 взлетно-посадочных операций в сутки, а диспетчерское обслуживание предоставляется на всех аэродромах.
В связи с возрастающей сложностью навигационного обеспечения воздушных судов (ВС), с ростом требований, предъявляемых к ним, всё более необходимой является разработка систем комплексной обработки навигационной информации путем решения задач синтеза на основе методов оптимальной фильтрации. Одним из перспективных направлений совершенствования навигационного обеспечения ВС является создание интегрированных систем навигации (ИСН). В работе предложена триадная структура перспективной интегрированной системы навигации на основе инерциальных и спутниковых технологий. Объединение навигационных измерителей в рамках реализации триадной концепции позволяет гибко использовать различные алгоритмы обработки навигационной информации и оптимизации траекторий движения на различных этапах полета. Синтезирован на основе методов теории оптимальной фильтрации алгоритм комплексной обработки навигационной информации, представляющий собой расширенный фильтр Калмана. Отличительная особенность алгоритма заключается в том, что переменными вектора состояния, подлежащими оценке, являются ошибки определения соответствующих навигационно-временных параметров.
Априорная информация о динамике погрешностей известна более достоверно, чем информация о параметрах движения ВС. Показано, что применение предлагаемой системы навигации в качестве навигационного средства для решения задач высокоточного определения местоположения ВС удовлетворяет требованиям, предъявляемым к точности навигационно-временных определений. Выполнено имитационное статистическое моделирование алгоритма оптимальной фильтрации триадной интегрированной системы, приведены точностные характеристики подсистем для различных конфигураций рабочего созвездия. Анализ результатов исследования точностных характеристик ИСН в различных условиях функционирования показал, что точность определения координат в навигационном вычислителе находится на уровне современных приемников спутниковой навигации.
Эффективность работы аэродрома зависит от способности органов ОВД организовать подход, прибытие и вылет воздушных судов для обеспечения требуемой пропускной способности воздушного пространства в районе аэродрома. В настоящее время на большинстве аэродромов авиадиспетчер организует вылет или прилет воздушных судов. Кроме этого существуют проблемы планирования прилета/вылета.
В статье описывается общее решение регулирования потоков прилета и вылета воздушных судов путем внедрения новых технологий автоматизации процессов текущего планирования и совместного принятия решений (AMAN, DMAN, CDM, A-CDM).
Предложено конкретное решение, которое способно объединять интересы партнеров (операторов аэропорта, эксплуатантов воздушных судов, агентов по наземному обслуживанию и службы организации воздушного движения (ОВД)) в совместной работе, создать основы эффективного принятия решений, благодаря более точной и своевременной информации, дающей всем партнерам в аэропорту единую оперативную картину воздушного движения.
Менеджер прибытия (АМАN) предназначен для автоматизированной поддержки авиадиспетчеров по обработке трафика прибывающих в аэропорт воздушных судов, непрерывного расчета времени и последовательности прибытия. Информация AMAN может быть составной частью информационной среды процесса совместного принятия решений в аэропорту (A-CDM) для всех заинтересованных сторон.
В статье рассмотрены основные типы систем координат, используемых для решения задач воздушной навигации, связанных с аэронавигационным обеспечением процессов самолетовождения и посадки. Приводятся основные требования, предъявляемые к выбору системы координат. Указаны противоречия, возникающие при выборе системы координат.
Рассмотрены локальные системы координат: прямоугольная, цилиндрическая и сферическая. Указаны достоинства и недостатки данных систем координат, процессы навигации, при которых их применение целесообразно. Приведены прямые и обратные координатные преобразования между локальными системами координат.
Показаны основные особенности применения глобальных систем координат, связанные с выбором модели фигуры Земли и проблемами ее математического описания. Даны основные сведения об общеземных эллипсоидах и их параметрах. Раскрыты понятия геоида, волны геоида, референц-эллипсоида. Показана необходимость перехода к общеземному эллипсоиду и глобальным системам отсчета и этапы такого перехода. Приведены общие сведения о Международной системе отсчета ITRS и Международной земной отсчетной основе ITRF. Выделены отличия в определении пространственных координат объектов в этих системах отсчета. Указаны отличия в областях применения систем ПЗ-90 и СК-2011 и их аналогов WGS-84 и NAD-83.
Рассмотрены особенности глобальных геодезической и геосферической (ортодромической) систем координат, их достоинства и недостатки. Приведены прямые и обратные координатные преобразования для глобальных систем координат, а также выражения, устанавливающие связь между геоцентрическими и топоцентрическими системами координат.
Информатика, вычислительная техника и управление
На основании опыта подготовки специалистов в области управления воздушным движением в МГТУ ГА выявлена целесообразность использования в процессе обучения демонстрации полетов самолетов в различной воздушной обстановке. При этом достаточно визуализации траекторий воздушных судов на экране компьютера.
Рассматриваются вопросы моделирования воздушной обстановки на ЭВМ. Автор не ставил целью оптимизацию среды программирования. Важна была простота разработки интерфейса программы и получение результатов моделирования воздушной обстановки с учетом динамики изменения места самолета и возможности управления параметрами полета.
Предполагалось получить качественные результаты в среде программирования с оболочкой визуального построения программ. Требуемые для вычислительного эксперимента маршруты воздушных судов задаются пользователем с указанием курса и протяженности отрезков линейно-ломаных кривых. Изображение самолета – условная фигура самолета, положение продольной оси которого соответствует его курсу.
Пользователь, одновременно являясь диспетчером, может осуществлять векторизацию – управление с заданием нового курса для изменения траектории полета. В программе реализованы как автоматический, так и ручной режимы изменения траектории полета. Математическое моделирование динамики полета при переходе на новый курс не связано с характеристиками конкретного типа летательного аппарата.
На примерах с одним или несколькими самолетами показывается эффективность объектно-ориентированного программирования воздушной обстановки для целей обучения. Разработанная программа отвечает требованиям приложений среды Windows. Рекомендуется среда программирования Delphi, в которой после компиляции создается *.exe-файл, не требующий никаких дополнительных файлов. Такую прикладную программу легко распространять и поддерживать.
Рост потребностей в услугах авиатранспорта устойчиво опережает возможности перевозчиков. Передовые авиационные державы поставили цель к середине двадцатых годов утроить пропускную способность действующей системы организации воздушного движения. Технической основой таких достижений становится оснащение всех бортов аппаратурой вещательного автоматического зависимого наблюдения, обеспечивающего как контроль параметров их движения в любой точке планеты, так и надежный взаимный обмен достоверной информацией о воздушной обстановке и прогнозах ее развития между всеми участниками движения и наземными службами.
Выдвинутые экспертами ИКАО концепции совместного принятия решений по организации потоков воздушного движения и управления общесистемной информацией провозгласили в качестве средства повышения интенсивности полетов идею доступности полетной информации, причем не только для принятия к сведению, но и для внесения изменений в нее всеми участниками процесса организации и обслуживания потоков – аналитиками, метеорологами, плановиками, диспетчерами, пилотами (в части, их касающейся). Предложена технология совместной работы специалистов, позволяющая при изменении условий выполнения рейсов принимать взвешенные решения по обслуживанию потоков воздушных судов на всю глубину их полетов (как по трассам, так и по свободным траекториям).
Возникает задача разработки программных процедур компьютерной поддержки новых концепций, обеспечивающих целостность аэронавигационных данных, используемых участниками оперативной организации потоков. Все взаимосвязанные элементы организации воздушного движения (персонал и техника) могут с конечной вероятностью исходов событий совместной деятельности искажать общедоступную информацию. В статье предлагается трехуровневый алгоритм нейтрализации рассогласования данных в элементах распределенной сети наземных и бортовых вычислительных средств участников процесса, позволяющий в реальном масштабе времени поддерживать непротиворечивость сведений о текущей воздушной обстановке и тенденциях ее развития. Построена оптимальная (по критерию затрат вычислительных ресурсов) стратегия применения алгоритма.
Радиотехника и связь
Рассматриваются вопросы по развитию и практическому применению на воздушных судах гражданской авиации бортовых оптико-электронных систем, обеспечивающих получение информации видения пилоту в полете днем и ночью в простых и сложных метеоусловиях. Представлены нормативно-правовые документы, устанавливающие требования по применению подобного типа оптико-электронных систем на воздушных судах. Проанализирована классификация бортовых оптико-электронных систем, объединенных общим названием электронные системы визуализации. Рассмотрены пути реализации рекомендаций по их построению.
Проанализированы возможности систем разных классов: систем улучшенного видения (Enhanced Vision Systems (EVS)), систем искусственного видения (Synthetic Vision Systems (SVS)), комбинированных систем искусственного видения (Combine Vision Systems (CVS)) и бортовых систем технического зрения с расширенными возможностями визуализации Enhanced Flight Vision Systems (EFVS)). Указано, что в настоящее время к системам перспективного применения относят системы класса EVS. С целью анализа возможностей практического применения таких систем в задачах обеспечения безопасности полета на малых высотах и посадки были проведены летные эксперименты системы, установленной на легком вертолете. Представлены результаты летных экспериментов по практической работе телевизионного и инфракрасного каналов видения типовой перспективной системы визуализации в простых и сложных условиях наблюдения. На основании результатов летных экспериментов сделаны выводы о целесообразности практического применения электронных систем визуализации на воздушных судах для обеспечения безопасности полета. Установлено, что системы можно применять при полете как для задач наблюдения, обследования местности, так и обеспечения безопасного полета. При полете вертолета на малых высотах и выполнении посадки пилоту целесообразно использовать от оптико-электронной системы визуализации информацию видения со стороны задней полусферы нижней хвостовой части. Выявлено, что в работе инфракрасного (ИК) канала и быстрых поворотах камеры системы визуализации проявляется запаздывание соответствия направлений видения и реального полета. Проявляется размытие изображения видения. В режиме регистрации информации ИК-спектра возникает проблема фильтрации помех, вызванных появлением в секторе наблюдения выхлопных газов двигателя вертолета, снега. Это затрудняет получение преимущества видения систем визуализации в сложных метеоусловиях. В выводах указано, что в перспективных системах визуализации для ИК каналов требуется дополнительное использование методов и алгоритмов обеспечения высокой четкости изображения видения.
Машиностроение и машиноведение
Анализируется десятилетний опыт разработки проектов санитарно-защитных зон отечественных аэропортов в гражданской авиации на основании требований СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03, выявлены причины снижения качества проектных работ и затягивания сроков согласования на завершающей стадии разработки. Показано, что к числу основных причин сложившейся негативной ситуации с разработкой и согласованием проектов относятся: отсутствие в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 механизма проверки расчетных границ зон и контуров авиационного шума методами натурных исследований; порядка внесения корректировок в проект; регламента установления окончательных размеров санитарно-защитных зон аэропорта. Приведены примеры как завышенных, так и заниженных размеров шумовых зон и зон рассеивания загрязняющих веществ и причины заинтересованности в этом аэропортов, органов Роспотребнадзора и местных органов власти.
Обосновываются концептуальные положения, которые следует использовать в редакции нового нормативного документа санитарного законодательства России, регламентирующего разработку проектов санитарно-защитных зон аэропортов, аэродромов, вертодромов и посадочных площадок. Новый документ позволит учитывать разнообразные факторы негативного воздействия на окружающую среду при эксплуатации аэропортов, аэродромов, вертодромов и посадочных площадок.
Предлагается ввести понятие «оперативная карта заданного индекса авиационного шума», чем будет решаться задача легитимизации учета пролетного авиационного шума в государственном кадастре недвижимости. Даны предложения по величинам эквивалентных и максимальных уровней звука, создаваемого на селитебной территории городов и поселков городского типа при пролетах и наземной эксплуатации воздушных судов. Нормативы предложено гармонизировать с аналогичными международными правилами, они должны предусматривать градацию зон по 5 дБА.
Даются итоговые предложения по учёту выявленных недостатков, сформулированы требования к составу разделов проекта санитарно-защитных зон, вносятся предложения по установлению гигиенических нормативов авиационного шума на приаэродромной территории аэропортов.
Развитие мировой гражданской авиации осуществляется на основе выполнения концепции ИКАО CNS/ATM, которая определила основные стратегические направления повышения эффективности выполнения полетов воздушных судов. На основе этой концепции в последние годы в ИКАО был разработан Глобальный аэронавигационный план, в котором основные стратегические направления реализации концепции CNS/ATM были конкретизированы в так называемые блоки, что сформулировано в виде понятия блочной модернизации Глобальной авиационной системы. При этом в Глобальном аэронавигационном плане указано, что введение новых процедур и систем обеспечения полетов ВС неизбежно вызовет изменения в уровне управления безопасностью полетов. Поэтому ставится задача сохранения, а возможно и повышения, уровня управления безопасностью полетов при внедрении новых процедур и систем в рамках реализации Глобального аэронавигационного плана ИКАО. Немаловажная роль в этом процессе отводится различным радиоэлектронным системам, которые самым непосредственным образом связаны с внедрением новых систем и процедур.
Отсюда возникает общая глобальная задача оценки изменения уровня управления безопасностью полетов при внедрении новых процедур и систем, связанных с использованием радиоэлектронного оборудования как на борту воздушного судна, так и на земле. Отдельные аспекты решения указанной проблемы рассматриваются в представленном материале.
Анализируется понятие «концепции приемлемого риска», пришедшее на смену устаревшей концепции абсолютной безопасности, и отмечается возрастающая значимость оценки производственных рисков на современном этапе. Рассмотрели несколько основных методов оценки рисков. Более подробно рассмотрен матричный метод оценки рисков, который можно применять при оценке рисков на авиапредприятиях в рамках системы управления охраной труда.
Способность корректно оценить риски и разработать адекватные меры предосторожности позволит авиапредприятию избежать происшествий, ведущих к тяжелым последствиям для работников, а также к прямым и косвенным издержкам предприятия, среди которых можно выделить как прямой ущерб имуществу и потерю прибыли, так и затраты, связанные с расследованием происшествия, выплатой штрафов и компенсаций, потерей делового имиджа и т. п. С целью снижения травматизма и выработки навыков безопасного поведения у персонала на авиапредприятиях предлагается внедрить карту с оценкой рисков, которая будет является мощным инструментом предупреждения аварийных ситуаций с вовлечением всего персонала в процесс предупреждения аварийных ситуаций и соблюдения безопасных условий труда.
Оценка производственных рисков является неотъемлемой частью оценки всей деятельности организации и системы измерения качества работы подразделений и отдельных работников. Работа по охране труда на предприятии должна основываться на выявлении имеющихся рисков и управлении ими. Оценка рисков является при этом краеугольным камнем планирования по охране труда.
ISSN 2542-0119 (Online)