Емкостной метод измерения сверхмалой высоты полета летательного аппарата гидроавиации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Мушенко, Александр Сергеевич

• Мушенко, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мушенко, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I ЕМКОСТНОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ ВЫСОТ ПОЛЕТА ЛЕТЕТЕЛЬНОГО

АППАРАТА.

1.1. Сущность емкостного метода измерения сверхмалых высот полета гидросамолета.

1.2. Упрощенные модели.

1.3. Выводы.

ГЛАВА II ДИСКОВЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК С ДВУХСЛОЙНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ

ЗАПОЛНЕНИЕМ.

2.1. Сведение краевой задачи к интегральному уравнению.

2.2. Определение функции Грина.

2.3. Способ приближенного решения интегральных уравнений.

2.4. Особенности вычисления элементов матриц.

2.5. Проверка разработанной методики, результаты расчета.

2.6. Выводы.

ГЛАВА III ЕМКОСТНЫЙ ДИСКОВЫЙ ДАТЧИК НАИБОЛЬШЕЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.

3.1. Уменьшение эффективной диэлектрической проницаемости изоляционного материала, заполняющего датчик.

3.2. Оптимальная конструкция дискового емкостного датчика.

3.3. Сведение краевой задачи по определению заряда на диске к интегральному уравнению.

3.4. Расчетные соотношения.

3.5. Описание программного продукта ИагСоЮг.

3.6. Проверка методики расчета.

3.7. Выводы.

ГЛАВА IV ВЛИЯНИЕ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ НА РАБОТУ ДИСКОВОГО ЕМКОСТНОГО

ДАТЧИКА.

4.1. Метод отыскания функции грина для взволнованной поверхности моря.

4.2. Функция Грина для случая взволнованной морской поверхности.

4.3. Вывод интегральных уравнений для гармоник плотности заряда на диске и на кольцах.

4.4. Приближенный способ замены интегральных уравнений системой линейных алгебраических уравнений.

4.5. Представление обратных расстояний в цилиндрических координатах.

4.6. Вычисление некоторых интегралов.

4.7. Описание программного продукта БеаУУауез.

4.8. Результаты расчета.

4.9. Выводы.

ГЛАВА V ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА СВЕРХМАЛОЙ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

5.1. Исследование возможности реализации индуктивности.

5.2. Измерение ухода резонансной частоты.

5.3. Эксперимент по оценке чувствительности емкостного измерителя сверхмалых высот полета.

5.4. Источники и оценка погрешностей.

5.5. Системотехнические характеристики.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Емкостной метод измерения сверхмалой высоты полета летательного аппарата гидроавиации»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Современные тенденции развития некоторых направлений авиации заставляют еще раз обратиться к проблеме высотометрии. Речь идет о тех летательных аппаратах (ЛА), которые в силу своих свойств или необходимости должны осуществлять свой полет на расстояниях, как можно ближе к поверхности воды. И если измерение больших высот уже давно не представляет никаких проблем, то измерение очень малых высот полета ЛА, составляющих всего один или несколько метров, и по сей день является предметом научных исследований. Тот факт, что полеты подобных летательных аппаратов происходят над взволнованной, как правило, морской поверхностью, накладывает свои особенности на решение указанной проблемы.

Назовем высоту полета, меньшую размаха крыла летательного аппарата, сверхмалой высотой. На сверхмалой высоте осуществляют свой крейсерский полет экранопланы. В частности [24], высота полета экраноплана "Орленок" в экранном режиме составляет 2 метра, для экраноплана "Каспийский монстр" эта высота равна 4-м метрам, а проект трансатлантического экраноплана "Большой Вейландкрафт" с размахом крыла 152 метра предусматривает высоту полета до 6-и метров. Малые экранопланы типа "Волга-2" осуществляют полеты на высотах даже менее одного метра.

Режимы полета на сверхмалой высоте присущи также экранолетам. Во время полета на сверхмалой высоте эти аппараты используют влияние экрана для улучшения своих взлетно-посадочных свойств [25]; в качестве одного из перспективных проектов следует отметить экранолет Бе-2500 разработки ТАНТК им. Г.М. Бериева.

Гидросамолеты совершают полет на сверхмалой высоте на завершающем этапе посадки перед приводнением. На ТАНТК им. Г.М. Бериева разработаны и готовы к серийному производству два новейших самолета-амфибии - это самолет А-40 "Альбатрос" и многоцелевой самолет Бе-200.

Длительный полет экраноплана или экранолета в непосредственной близости к водной поверхности подразумевает практически полную его автоматизацию, поскольку осуществление управления в ручном режиме на больших скоростях (500 км/час и более) и на такой высоте для человеческого организма не представляется возможным. При посадке ЛА, несмотря на ее кратковременность, желательно максимально использовать бортовую систему автоматического управления (САУ) при выполнении задач пилотирования, и в особенности - выдерживания требуемой вертикальной скорости аппарата непосредственно перед приводнением.

Для создания систем автоматизированного управления параметрами полета ЛА на сверхмалой высоте и, в частности, для автоматизации посадки (приводнения) ЛА на морскую поверхность необходим всепогодный бесконтактный способ измерения сверхмалой высоты полета самолета над морской поверхностью, обладающий свойством, согласно которому точность измерения возрастает по мере приближения ЛА к водной поверхности. Только в этом случае для сверхмалых высот можно будет с требуемой точностью определить вертикальную скорость путем численного дифференцирования по времени непрерывно измеряемой высоты полета. Это откроет возможность широкого использования канала высоты и вертикальной скорости бортовой системы автоматического управления ЛА на сверхмалых высотах [41, 42].

В случае посадки на гладкую водную поверхность (водное зеркало) визуальное определение высоты полета практически невозможно. Кроме того, помимо высоты полета перед посадкой на воду в условиях плохой видимости или ночью летчику необходимо знать не только состояние водной поверхности, но и положение ЛА относительно фронта распространения морской волны в месте приводнения. Актуальной является также задача определения высоты и характера волн при нахождении самолета на плаву перед взлетом с малооборудованных и вообще необорудованных посадочно-навигационными средствами акваторий [40].

Требования, предъявляемые к новому поколению ЛА и гидросамолетов, включают в себя повышение эффективности их применения в сочетании с высокой безопасностью и надежностью. Всепогодность расширяет эксплуатационные возможности гидросамолета, позволяя совершать посадку в экстремальных условиях, в отсутствии прямой видимости -ночью, в тумане, в дыму (при пожаре) и т.п.

Таким образом, существует потребность в высокоточном всепогодном бесконтактном измерителе сверхмалых высот полета ЛА над водной поверхностью, который одновременно мог бы определять параметры морской поверхности непосредственно в том месте, над которым пролетает летательный аппарат.

ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА

ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В настоящее время существует несколько способов измерения высоты полета ЛА. Однако, особенности полета на сверхмалой высоте над морской поверхностью накладывают ограничения на применение тех или иных методов. Рассмотрим подробнее эффективность существующих способов измерения высоты при решении поставленных выше задач.

Барометрический способ [2] определения высоты полета самолета путем учета статического атмосферного давления вблизи самолета и параметров состояния атмосферы у поверхности Земли (давления и плотности воздуха) является всепогодным, но при полете на дозвуковой скорости перед фюзеляжем, крылом и другими частями самолета образуется зона повышенного давления. Эта зона настолько велика, что вынести на штанге за ее пределы приемник воздушного давления (ПВД) практически не удается. Поэтому в камеру ПВД подается статическое давление, большее, чем атмосферное статическое давление воздуха. При полете самолета на сверхмалых высотах дополнительную погрешность определения барометрической высоты вносит и аэродинамическое влияние экрана (водной или земной поверхности) на значение давления вблизи самолета. Таким образом, указанный способ не пригоден для измерения сверхмалых высот полета и создания системы автоматизированного управления вертикальной скоростью самолета из-за сравнительно большой инерционности измерений и, главное, из-за недопустимо большой погрешности в определении высоты.

Для точного измерения малых высот полета применяются изотопные высотомеры. В качестве информационного сигнала изотопного высотомера используется мощность принятого сигнала. Следует отметить, что изотопные высотомеры могут быть как автономными, так и представляющими собой систему посадки, когда источники у-излучения устанавливаются вдоль линии посадки ЛА, а на его борту устанавливается приемник излучения [26]. Поскольку ставится задача определения высоты во время всего полета, в том числе и при посадке на неподготовленную акваторию, будем рассматривать только автономные высотомеры.

Работа автономного изотопного высотомера базируется на измерении интенсивности отраженного излучения [24]. В случае полета над взволнованной морской поверхностью измеряемый сигнал будет зависеть не только от высоты полета, но и от крутизны склона морской волны непосредственно под ЛА. Это приводит к значительным ошибкам измерения высоты. Кроме того, коэффициент отражения используемых у-лучей сильно зависит от температуры и солености воды. Коэффициент поглощения у-лучей воздухом сильно зависит от его влажности. Помимо всего прочего изотопный высотомер теряет работоспособность при полете в зоне радиоактивного заражения. Все эти факторы очень сильно ограничивают универсальность применения изотопных высотомеров.

Высокая точность измерений высоты достигается при использовании лазерных высотомеров. Однако, работа на сверхмалых высотах в непосредственной близости к морской поверхности налагает свои особенности на их применение. Во-первых, необходимо иметь ввиду, что лазерный высотомер измеряет высоту не только относительно поверхности моря, но и относительно тумана и других оптических неоднородностей среды. Это является существенным недостатком, который никоим образом нельзя игнорировать.

К преимуществам лазерных высотомеров следует отнести возможность измерения профиля подстилающей поверхности (т.е. высоты морских волн и их длины в направлении полета летательного аппарата) в связи с использованием в таких высотомерах очень узкого луча.

Лазерные высотомеры бывают импульсные и с непрерывным излучением. Импульсные высотомеры не получили широкого распространения в качестве высотомеров сверхмалых высот по той причине, что они имеют мертвую зону из-за необходимости стробирования приемника от лазерного излучения передатчика, рассеянного ближайшим слоем атмосферы [28].

Указанный недостаток отсутствует у высотомеров непрерывного излучения. В основу их работы положен фазовый метод определения высоты. Однако высокоточная модуляция лазерного луча и эффективное разделение прямого и обратного лучей связаны с техническими трудностями, что ограничивает минимально возможную высоту, измеряемую лазерными высотомерами [24].

Широкое использование лазерных высотомеров в гидроавиации затруднено также из-за попадания брызг на оптическую систему датчика перед посадкой. Кроме того, лазерные высотомеры очень дороги и их установка на летательном аппарате увеличивает его стоимость.

Ультразвуковая локация-одно из эффективных средств измерения расстояний. Однако сравнительно небольшая скорость распространения звуковых волн в воздухе ограничивает возможности ультразвуковой локации при высоких скоростях движения. Кроме того, затруднительно выделение полезного ультразвукового сигнала из помех, вызываемых работой двигателей ЛА [24].

При построении канала высоты и вертикальной САУ использование в качестве датчиков двухстепенного гироскопа (акселерометра) с интеграторами будет мало эффективным, поскольку на таких малых высотах в режиме стабилизации высоты этот датчик должен обладать большой чувствительностью и моментально реагировать на самые плавные изменения высоты. В виду очень малых высот полета время на принятие решения мало, а поздняя реакция датчика может привести к летному происшествию. Кроме того, этот датчик не дает никакой информации о состоянии водной поверхности в месте, над которым пролетает ЛА.

Широкое применение в авиации нашли радиовысотомеры. Их работа, как и работа акустических и лазерных высотомеров, основана на измерении времени прохождения сигнала до поверхности Земли и обратно. По виду излучения радиовысотомеры делятся на высотомеры с непрерывным излучением и импульсные.

В импульсных высотомерах измеряется время запаздывания отраженных импульсов относительно зондирующих. Для обеспечения временного разделения зондирующего и отраженного импульсных сигналов на сверхмалых высотах необходимо применять импульсы очень малой длительности. При длительности зондирующего импульса т приемник высотомера должен быть закрыт на время, не меньшее т. Это и является причиной невозможности применения импульсных высотомеров для измерения сверхмалых высот полета ЛА. Так, например, если т = 100 не, то мертвая зона такого высотомера Нмз=ст/2=15 м. Для уменьшения мертвой зоны необходимо уменьшать длительность зондирующего импульса. При этом потребуются очень широкополосные приемники. Все это сильно усложняет аппаратуру и не исключает основного недостатка импульсных высотомеров при измерении сверхмалых высот, обусловленного самим принципом его работы - наличием мертвой зоны.

Существуют высотомеры, использующие так называемое квазинепрерывное излучение [29, 30], однако в них также, как и в импульсных высотомерах, используется временное разделение зондирующего и отраженного сигнала, следовательно, им также присуща мертвая зона.

Радиовысотомеры с непрерывным излучением свободны от такого принципиального недостатка. Это и позволяет использовать радиовысотомеры с непрерывным излучением для измерения малых высот. Поэтому дальнейшую оценку возможности применения радиовысотомеров для измерения сверхмалых высот полета над водной поверхностью будем проводить для радиовысотомеров с непрерывным излучением.

Излучаемый сигнал модулируется по частоте по различным законам [29]. Время прохождения сигнала до отражающей поверхности и обратно пропорционально величине ухода частоты за этот период. Все многообразие существующих типов радиовысотомеров с непрерывным излучением обусловлено различными способами сравнения опорного и отраженного сигналов, а также видами модуляции [29]. Радиовысотомеры непрерывного излучения могут строиться по следящей и неследящей схемам. При полете на высотах, соизмеримых с высотой волны, параметр измерения претерпевает быстрые и чрезвычайно интенсивные флюктуации, что ставит под сомнение надежность работы высотомера, выполненного по следящей схеме [24]. Поэтому радиовывысотомер сверхмалых высот полета над морской поверхностью должен строиться по неследящей схеме.

Не останавливаясь подробно на методах обработки сигнала радиовысотомера с непрерывным излучением, рассмотрим принципиальные ограничения, накладываемые на их применение на летательных аппаратах, совершающих полет на сверхмалой высоте, в том числе и над взволнованной морской поверхностью.

Задача высотомера заключается в определении высоты полета относительно среднего уровня морской поверхности и определении высоты морской волны. Под средним уровнем понимается, как правило, усредненное значение ординат взволнованной морской поверхности. Для оценки среднего уровня необходимо, чтобы в пределы облучаемого пятна попадала как можно большая совокупность высот и уклонов морских волн. При полете на сверхмалой высоте диаметр облучаемого пятна не может превышать нескольких метров.

В случае полета на сверхмалой высоте диаметр облучаемого высотомером участка морской поверхности на один или даже на несколько порядков меньше длины морской волны (в зависимости от характера морского волнения). Таким образом, требование измерения среднего уровня взволнованной поверхности, с одной стороны, влечет за собой необходимость выполнения полета на как можно большей высоте, а с другой, - необходимость расширения диаграммы направленности приемной и передающей антенны.

Первое требование не соответствует решаемой задаче, поскольку изначально стоит проблема обеспечения информацией положения ЛА относительно подстилающей поверхности при полете на сверхмалой высоте. Что касается второго требования, то оно противоречит требованию определения высоты волны (или профиля волнения в направлении полета). В самом деле, при широкой диаграмме направленности и, как следствие, большом диаметре "освещаемого" на фрагменте волны пятна невозможно определить, с какого расстояния пришел принятый сигнал, поскольку радиовысотомеры с непрерывным излучением реализуют интегральный способ обработки принятого сигнала, т.е. способ обработки сигнала, полученного от всей облученной поверхности без селекции по дальности [29]. Для устранений такой неопределенности необходимо уменьшить размеры облучаемого пятна на водной поверхности, что эквивалентно уменьшению ширины диаграммы направленности антенны. А это, как мы только что видели, противоречит требованию определения высоты полета ЛА относительно среднего уровня взволнованной морской поверхности. Преодолеть такое противоречие можно, если отказаться от широкой диаграммы направленности, а средний уровень определять косвенно, путем анализа сигнала высотомера с узкой диаграммой направленности антенны. В этом случае сигнал высотомера будет описывать профиль волны в направлении полета. Чтобы определить средний уровень волнения, необходимо этот сигнал подвергнуть соответствующей обработке.

Сужение диаграммы направленности антенны высотомера приводит к увеличению ее геометрических размеров. Помимо этого, увеличивается и граница дальней зоны антенны [43]. Если отражаемый объект попадает не в дальнюю, а в промежуточную или тем более в ближнюю зону электромагнитного поля антенны, однозначно интерпретировать характеристики отраженного сигнала не представляется возможным. Если же отражающая поверхность не является гладкой, то интерпретировать сигнал становится еще сложнее.

Обычно расстояние Кдз до дальней зоны определяют по формуле

Кд=2и/Х, где Ь - максимальный поперечный размер антенны, Я - длина электромагнитной волны. Например, при размере антенны 15 см и длине волны X = 3 см дальняя зона начинается с расстояний 1,5 метра. Таким образом, сужением диаграммы направленности антенны можем добиться более точного описания профиля морской волны, но этим мы увеличиваем то расстояние, при котором может нормально работать антенна. Отметим еще раз, что нам требуется определять высоты полета вплоть до нуля, причем чем меньше высота, тем выше должна быть точность ее измерения.

Выходом из этой противоречивой ситуации является переход в диапазон более коротких волн, миллиметровых. Однако к недостаткам диапазона миллиметровых волн следует отнести ухудшение радиопрозрачности атмосферы при наличии гидрометеоров, водяных брызг, водной пыли; требуется более высокий технологический уровень изготовления волноводного тракта, возникает необходимость использования дорогостоящих комплектующих и т.д. Кроме того, при работе в этом диапазоне волн при указанных условиях источником погрешностей уже станут дисперсионные свойства такой среды. Дело в том, что излученный сигнал на самом деле представляет собой не монохроматический, а линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал или ему подобный. Следовательно, волны, имеющие разные частоты, будут распространяться с разными фазовыми скоростями, что приведет к искажению спектра принимаемого сигнала и к ошибкам его интерпретации.

Дальнейшее увеличение частоты в конечном счете приведет к лазерным высотомерам, о которых уже было сказано выше.

Рассмотрим подробнее возможность фазового метода определения высоты, считающегося самым точным из всех методов определения расстояний. Фазовый метод основан на измерении разности фаз между опорным сигналом и сигналом, прошедшим измеряемое расстояние. Таким образом, фазовый высотомер в состоянии обеспечить точность измерения, ошибка которого при обеспечении однозначности отсчета будет составлять всего доли длины излучаемой волны. Очевидно также, что чем короче волна, тем меньше и ошибка. Однако, практически каждый из таких вышеперечисленных факторов как дисперсионные свойства среды, интегральный способ обработки сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности, высота волн которой соизмерима с высотой полета, сильные флюктуации измеряемого параметра, лежащая в основе обработки сигнала замена падающей сферической волны плоской, невозможность работы только с дальней зоной поля антенны, а тем более совокупность этих факторов сводит на нет все достоинства фазового метода при решении поставленной задачи.

Отметим, что существуют и другие частотные способы обработки принятого сигнала у радиовысотомеров непрерывного излучения - обработка сигнала на промежуточной частоте [29], обработка сигнала биений [29, 27]. Помимо частотной радиовысотомеры с ЧМ могут использовать и согласованную корреляционную обработку [29]. Надо подчеркнуть, что все выше перечисленные факторы находятся во взаимосвязи, и если с помощью какого-либо усложняющего аппаратуру технического решения и возможно избавиться от отрицательного влияния одного из них, усилится влияние другого. Но поскольку искажающее влияние полей ближней и промежуточной зоны антенны в любом случае остается, обеспечение роста точности измерения сверхмалой высоты по мере ее уменьшения до нуля для радиовысотомеров невозможно принципиально.

Помимо всего сказанного, отметим, что при работе с радиовысотомерами необходимо принимать специальные меры, уменьшающие переотражения от корпуса ЛА.

Поскольку требуется знать скорость сближения летательного аппарата с водной поверхностью, преимущество имеет метод ее вычисления как производной от измеренной высоты, а не метод получения сигнала вертикальной скорости в бортовой системе координат, характерный для доплеровских и инерциальных измерителей. Кроме того, в основе доплеровского метода лежит радиолокационное зондирование, недостатки которого на сверхмалой высоте уже перечислены.

Как было упомянуто выше, наряду с измерением высоты ЛА над водной поверхностью параллельно существует проблема определения параметров морского волнения. Существуют радиолокационные методы зондирования морской поверхности [4]. На основе этих методов сконструировано устройство для измерения параметров морского волнения [5] - высоты морских волн и направления их распространения. Такое устройство позволяет получить характеристики волнения только при полете самолета на большой высоте (полета круга). Но для экраноплана, все время летящего на сверхмалой высоте, это исключено. Кроме того, независимо от результатов измерений параметров волнения, сделанных на большой высоте, летчику уже перед приводнением необходимо знать положение ЛА относительно фронта морской волны. Эта информация особенно нужна при посадке в условиях плохой видимости или ночью.

Требования безопасности полета говорят нам о том, что в распоряжении экипажа должен быть метод измерения параметров морского волнения непосредственно в месте посадки.

В диссертационной работе предложен метод измерения сверхмалой высоты полета ЛА над водной поверхностью, принципиально отличающийся от методов, рассмотренных выше. Это - емкостной метод измерений. Его принципиальное отличие состоит в том, что в нем не используется зондирование, но при этом ключевое значение имеет подстилающая морская поверхность, а точнее - расстояние до нее. Иными словами, базирующийся на емкостном методе измерений датчик не является локационным датчиком, а также не является и датчиком, работающим исключительно в бортовой системе координат и не использующим внешнюю информацию. Первичным информационным параметром в предложенном методе измерений является емкость, зависящая как от геометрии и взаимного расположения тел, образующих датчик, так и от расстояния и свойств среды между ЛА и водной поверхностью.

В силу принципа своей работы емкостной датчик позволяет исключить недостатки, присущие радиовысотомерам на сверхмалой высоте, а именно, он не имеет таких принципиальных ограничений как необходимость стробирования приемника и наличие ближней зоны антенны. Сам информационный параметр будет изменяться тем больше, чем меньше расстояние между ЛА и подстилающей поверхностью, следовательно он наилучшим образом походит для определения сверхмалой высоты полета и в наибольшей степени удовлетворяет требованиям входного сигнала для бортовой системы автоматического управления.

Для фиксации изменения емкости при изменении высоты требуется простой гармонический сигнал, поэтому налицо еще одно важное преимущество - это простая электрическая схема датчика, а изготовление самого емкостного элемента легко вписывается в процесс создания и строительства ЛА и не вызовет существенных дополнительных затрат. Таким образом, дешевизна реализации является еще одним отличительным признаком.

И, наконец, отсутствие излучения и работа только со своим, а не с преобразованным сигналом означают практически полную помехозащищенность. Не требуется также решать проблему электромагнитной совместимости в эфире. Нет необходимости принимать меры по исключению переотражений сигнала от корпуса ЛА, как это требуется при использовании радиовысотомеров.

Распространение емкостного метода измерений на решение задачи пилотирования летательных аппаратов над морской поверхностью является оригинальным и имеющим научную новизну решением. Однако, окончательное суждение об эффективности этого метода и возможности его реализации можно сделать только после того, как будут разработаны конструкции, представлены численные расчеты чувствительности датчиков различных конструкций как для ровной, так и для взволнованной морской поверхности, будут предложены и теоретически обоснованы оптимальные конструктивные и схемные решения, получены экспериментальные подтверждения правильности выбранных решений.

Исследованию возможности создания бесконтактного, всепогодного измерителя сверхмалых высот полета летательного аппарата над водной поверхностью, у которого точность измерений будет только возрастать с уменьшением высоты полета, а также сочетающего в себе возможность определения параметров морского волнения непосредственно в месте пролета или приводнения и посвящена настоящая работа.

В первой главе диссертации излагаются принципы, положенные в основу емкостного измерения сверхмалых высот полета, выведена основная рабочая формула измерителя.

Приводится анализ чувствительности датчика сверхмалых высот полета на примере упрощенных моделей.

Во второй главе излагается общий подход для решения краевой задачи по расчету электростатического поля, проводится расчет чувствительности дискового емкостного датчика с двухслойным заполнением.

В третьей главе ведется поиск оптимальной конструкции датчика по критериям максимальной чувствительности и неухудшения аэродинамики летательного аппарата. Приводится методика расчета элементов конструкции датчика. Путем решения краевой задачи проведен расчет чувствительности датчика.

В четвертой главе исследуется влияние морского волнения на работу емкостного датчика сверхмалой высоты полета и максимальной чувствительности. Найдена функция Грина для случая взволнованной морской поверхности и, в результате, решена краевая задача для конструкции емкостного датчика, предложенной во второй главе, разработаны алгоритмы определения параметров морской поверхности - высоты волны, длины волны по направлению полета и абсолютной длины волны.

В пятой главе дано краткое описание эксперимента по определению зависимости ухода резонансной частоты датчика максимальной чувствительности от расстояния до подстилающей поверхности. Предложены некоторые варианты схемного решения датчика, приведена методика расчета индуктивности контура, приводится методика оценки влияния различных факторов на точность измерений, даются рекомендации по уменьшению погрешности, приводится также методика оценки системотехнических характеристик.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Мушенко, Александр Сергеевич

5.6. ВЫВОДЫ

В пятой главе работы рассмотрены аспекты практической реализации теоретических положений, изложенных в первой, второй и третьей главах. Среди них основными являются постановка и результаты эксперимента, подтвердившего возможность применения емкостного датчика для измерения сверхмалых высот полета ЛА над водной поверхностью, а также рассмотрение влияния разных факторов на точность измерения высоты. Для проведения эксперимента необходимо было выполнить предварительный анализ возможных схемных решений, а также исследовать вопрос о практической реализации катушки индуктивности, обеспечивающей требуемое значение индуктивности Ь при заданной емкости диска на крыло летательного аппарат С0. Эти вопросы также отражены в пятой главе работы. Поскольку емкостной датчик является элементом оборудования летательного аппарата, то резюме по системотехническим характеристикам датчика является логическим завершением исследований по теме. Кроме того, дополнительно рассмотрены вопросы обеспечения требуемого быстродействия, так как интеграция в пилотажно-навигационный комплекс ЛА является в настоящее время необходимым условием применения того или иного устройства.

Эксперимент подтвердил то основное свойство, которое предопределяет приемуще-ство емкостного датчика при измерении сверхмалых высот и его интеграции в канал высоты и вертикальной скорости системы автоматического управления ЛА по сравнению с радиолокационными датчиками. Это - повышение точности измерения по мере уменьшения высоты. Такое подтверждение следует из результатов эксперимента, приведенных в табл. №26, а также выводов, сделанных в разделе 5.4 при оценке влияния того или иного фактора на погрешность измерений.

Согласно данных табл. №26 наблюдается рост выходного сигнала по мере приближения следующим образом. Градиент при изменении напряжения с высоты с 0,1 до 0,05 м составил 2800. При изменении высоты с 0,2 м до 0,1 м. составляет 270, а с 0,4 до 0,3 метра - 100, с 0,5 до 0,4 м 30, а, скажем, с 0,8м до 0,7м - 1,5. Такие величины крутизны говорят о во-первых, том, что обеспечив оптимальные параметры конструкции датчика, можно избежать необходимости применения чувствительных вольтметров даже на сравнительно больших высотах, а во-вторых о том, что по мере приближения ЛА к водной поверхности влияние дестабилизирующих факторов, рассмотренных в разделе 5.4, будет сказываться все меньше и меньше. Это хорошо видно на примере такого фактора как нестабильность частоты генератора. Для схемы моста, изображенной на рис. У.2 согласно формуле (5.16) напряжение на выходе прибора при высоте полета 50 метров II вых= 5 • 10 3 В. Тогда относительная погрешность измерения высоты, обусловленная нестабильностью частоты генератора на высоте полета Ь=50м составит 5%. На высоте 2 метра и вых = 700 • 10~3В, а относительная погрешность для этой высоты будет 0,007% .

В главе проведена оценка влияния и других факторов на точность измерений, а также даются рекомендации по устранению либо компенсации такого влияния. К этим факторам прежде всего относятся температурная нестабильность емкости компенсационного конденсатора в мостовой схеме, а также наличие водной взвеси в пространстве между емкостным элементом датчика и водной поверхностью. На примере показано, что при концентрации водной взвеси с=0,001 и применении сравнительно простых мер температурной стабилизации можно обеспечить относительную погрешность измерения высоты 3% при высоте полета 1 метр датчиком с параметрами конструкции 11=0,55 м, <1=50 мм, с>=50 мм, 1^=0,85 м. Предложена методика проектирования емкостного датчика сверхмалой высоты полета, обеспечивающего требуемую погрешность.

Поскольку предполагается интегрирование емкостных датчиков сверхмалой высоты полета в пилотажно-навигационный комплекс ЛА гидроавиации, в пятой главе сведены воедино сведения о системотехнических характеристиках, уже рассмотренных в работе, а также рассмотрены такие характеристики как быстродействие и помехозащищенность.

Так как датчик работает со своим собственным сигналом, то отношение сигнал/шум составляет 107, что позволяет говорить об абсолютной помехозащищенности датчика.

Быстродействие датчика определяется объемом требуемым объемом вычислений в соответствии с алгоритмом обработки сигнала, поступающего с выхода аналоговой схемы датчика, и тактовой частотой применяемого процессора. Требования к быстродействию датчика задаются разработчиком системы автоматического управления ЛА. В качестве примера показано, что при измерении высот полета от 20 до 0 метров в случае гладкой морской поверхности с шагом измерений высоты 5 мм использование процессора с тактовой частотой 120 МГц обеспечивает выдачу сигнала высоты с интервалом 0,0007 секунды, что, к примеру, достаточно для нормальной работы рулевой машины АП-6Е.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные тенденции в гидроавиастроении говорят о том, что летательные аппараты будут все активнее использовать режимы полета на сверхмалых высотах. Широкое использование этого режима предполагает наличие средств определения сверхмалой высоты и параметров морского волнения при полете на таких высотах.

Поиск и исследование такого средства, сочетающего в себе высокую точность измерений, простоту реализации, дешевизну изготовления и надежность при эксплуатации составил содержание настоящей диссертационной работы. Основные результаты работы следующие:

1. В работе предложен бесконтактный и всепогодный способ измерения сверхмалой высоты полета Л А над морской поверхностью.

2. Предложена простая принципиальная схема прибора, реализующая данный способ.

3. Разработан и программно реализован метод анализа чувствительности датчика сверхмалой высоты полета, отличительная особенность которого состоит в формулировке и решении краевой задачи непосредственно относительно малой добавки к емкости дисковой антенны при изменении высоты полета самолета над водным зеркалом.

4. Предложена конструкция дискового емкостного датчика, обеспечивающая наибольшую его чувствительность.

5. Найдено приближенное аналитическое выражение для функции Грина для уравнения Пуассона в случае взволнованной морской поверхности.

6. Поставлена и программно реализована задача по определению характеристик информационного сигнала измерителя сверхмалой высоты полета над взволнованной морской поверхностью.

7. Предложен алгоритм извлечения информации о высоте полета и параметрах морского волнения из сигнала, выдаваемого измерителем. Показано, что возможно измерять в том месте, над которым пролетает самолет, сверхмалую высоту полета, высоту морской волны, длину морской волны и угол между направлением полета и направлением нормали к фронту морской волны.

8. Проведен эксперимент, который подтвердил возможность применения емкостного датчика для измерения сверхмалых высот полета ЛА над водной поверхностью и правильность предложенных технических решений.

9. Выявлены основные факторы, влияющие на точность определения высоты емкостным способом измерения, проведена оценка погрешностей измерения, обусловленных этими факторами, даются рекомендации по уменьшению погрешностей, а также методика проектирования датчика, обеспечивающая требуемую погрешность измерений.

10. Рассмотрены вопросы интеграции емкостного датчика сверхмалой высоты полета в пилотажно-навигационный комплекс летательного аппарата гидроавиации.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют приступить к непосредственному проектированию емкостного измерителя сверхмалой высоты полета летательного аппарата и параметров морского волнения.

По теме диссертации опубликовано девять научных работ [31-39].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мушенко, Александр Сергеевич, 2001 год

1. Таким образом связь между высотой полета и напряжением двухступенчатая. Первая ступень представляет собой преобразователь высота-емкость, а вторая емкость-напряжение.

2. Котик М.Ги др. Летные испытания самолетов. М.: Машиностроение, 1968.

3. Бондарчук И. Е. Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов. М.: Транспорт, 1978.

4. Гарнакеръян A.A., Сосунов A.C. Радиолокация морской поверхности. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1978.

5. Авт. Сви-во №805745, G 01С 13/00. "Устройство для измерения параметров морских волн".

6. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред; Теоретическая физика, т. VIII. М.: Наука, главная редакция физико-математич. лит-ры, 1982.

8. Иосселъ Ю.А., Кочанов Э.С., Струмскый Н.Г. Расчет электрической емкости. Л.: Энер-гоиздат, 1981.

9. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965.

10. Бейтмен Г, ЭрдейиА. Высшие трансцендентные функции, т.П / Справочная математическая библиотека. М.: Наука, главн. редакц. физико-математич. лит-ры, 1974.

11. Мушенко C.B. Задачи электро- и магнитостатики в конструкциях микроминиатюрных радиотехнических устройств, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Таганрог, 1967.

12. Градштейн КС., Рыжик КМ. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Гос. изд-во физ.-математич. лит-ры, 1963.

13. Прудников А.П., Бычков Ю.А., Маричев O.K. Интегралы и ряды (специальные функции), T.II. М.: Наука, главн. редакц. физ.-математич. лит-ры, 1983.

14. Справочник по специальным функциям (с формулами, графиками и математическими таблицами) / Под редакцией М. Абрамовича и И. Стиган. М.: Наука, главн. редакц. физ.-математич. лит-ры, 1978.

15. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1986.

16. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. M.-JL: Гос. энергетическое изд-во, 1955.

17. Гарнакеръян A.A., Захаревич В.Г., ЛобачВ.Т., ПанатовГ.С., Явкин A.B. Радиоокеанографическое, навигационное и информационное обеспечение гидроавиации. Таганрог, 1997.

18. ПановскийВ., Филипс М. Классическая электродинамика. М.: Гос. изд-во физ.-математич. лит-ры, 1963.

19. ГюнтерН.М. Теория потенциала и ее применение к основным задачам математической физики. М.: Гос. изд-во физ.-математич. лит-ры, 1953.

20. Курант Р. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1964.

21. Фихтенголъц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, т.П, изд. 4е. М.: Гос. изд-во физ.-математич. лит-ры, 1959.

22. ДвайтГ.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, главн. редакц. физ.-математич. лит-ры, 1978.

23. Люк Ю. Специальные математические функции и их аппроксимации. М.: Мир, 1980.

24. Небылов A.B. Измерение параметров полета вблизи морской поверхности. С-Пб.: Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения, 1994.

25. Бородин В. Т., Рылъский Г.И. Управление полетом самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение, 1972.

26. Белгородский С.Л. Автоматизация управления посадкой самолета. М.: Транспорт, 1972.

27. Сидорин В.М. Лазеры в авиации. М.: Военное издательство, 1982.

28. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысото-метрии. М.: Советское радио, 1972.

29. Burcher Е., Rupp Е., Radar altitude sensing system (RASS). "EASON". "Interavia Air Letter", 1968, №6438, p4.

30. Мушенко Александр С., Мушенко Алексей С. Емкостной дисковый датчик наибольшей чувствительности для измерения сверхмалой высоты полета гидросамолета. // Известия ВУЗов. Электромеханика, 2001. №1.

31. Мушенко Александр С., Мушенко Алексей С. Расчет чувствительности дискового емкостного измерителя сверхмалой высоты полета гидросамолета над водным зеркалом. // Известия ВУЗов. Электромеханика, 2001. №3.

32. Мушенко А. С. Приближенный способ отыскания функции Грина для взволнованной морской поверхности. // Известия ВУЗов. Электромеханика, 2001. №4.

33. Мушенко A.C. Решение задачи определения сверхмалой высоты полета летательного аппарата над водной поверхностью с помощью емкостного метода измерений. // Авиационная промышленность, 2001. №2.

34. Мушенко A.C. Оценка емкостного метода измерений сверхмалых высот полета гидросамолета. // Сборник "Динамика, прочность и надежность механических систем", деп. в ВИНИТИ №3145В99 от 22.10.99. г. Таганрог.

35. Мушенко A.C. К вопросу автоматического регулирования вертикальной скорости гидросамолета перед приводнением. // Сборник "Динамика, прочность и надежность механических систем", деп. в ВИНИТИ №3145В99 от 22.10.99. г. Таганрог.

36. Диомидов В.Б. Автоматическое управление движением экранопланов. С-Пб, 1996.

37. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988 г.

38. ФорейтИ. Емкостные датчики неэлектрических величин. М.: Издательство "Энергия", 1966.

39. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2000.

40. Акимов Н.И. Резисторы. Конденсаторы.Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные устройства РЭА. / Справочник. Минск: "Беларусь", 1994.

41. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: в 2-х ч. Ч. 2. М.: Мир, 1988.

42. Барковскй В.В. и др. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1981.2000.