Глава 2. Математическая модель погрешностей функционирования оптимизатора расхода топлива ЛА
2.1. Методы и средства минимизации потерь расхода топлива ЛА
2.1.1. Уровни минимизации потерь
В процессе жизнедеятельности человек постоянно сталкивается с неоправданными потерями, связанными с расходованием энергетических ресурсов в различных областях. Наиболее сложной в плане управления расходования энергоресурсов, формирования оптимальных или экономичных режимов функционирования является авиация (самолеты и вертолеты).
В историческом плане развитие авиации связано с увеличением грузооборота, что, в свою очередь, привело к увеличению расходов топлива. При этом возросла роль экономичных режимов и траекторий полета, что обусловило необходимость развития методов и средств ручного, полуавтоматического и автоматического выдерживания экономичных режимов полета.
Отклонение от экономичных режимов полета обуславливает потери инвестора, а, следовательно, его риск. Такой риск существовал всегда, так как полеты и раньше совершались не по оптимальным траекториям с соответствующими потерями. Другое дело, что потери эти были малые, и потому проведение НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ) по созданию средств, обеспечивающих минимальные расходы, и их реализация были невыгодны. Как только был обнаружен факт больших потерь из-за расхода топлива, началась разработка различных методов и бортовых технических средств для минимизации расхода топлива и в итоге минимизации технического риска.
Сложность проблемы минимизации технического риска обусловлена наличием человека (экипажа) в ЛА. При этом в процессе минимизации риска необходимо анализировать и оценивать влияние
1) свойств и параметров объекта, влияющих на выполнение поставленной цели;
2) оператора (человека), информационно-измерительной системы, системы управления.
3) внутренних возмущающих факторов, включая работу системы встроенного контроля бортового оборудования;
4) системы оптимизации режимов пилотирования и необходимый объем контролируемых параметров состояния Xi при ее построении;
5) внешних возмущающих факторов.
Для оценки влияния указанных факторов на технический риск необходимы математические модели объекта контроля и управления, процедур оптимизации, систем контроля и управления.
На начальном (первом) этапе разработка методов и средств снижения себестоимости авиаперевозок, как правило, сводилась к выдерживанию расчетной или оптимальной скорости полета. Рекомендации по выбору экономичного режима полета при этом условии просты и легко выполнимы для экипажей: в полете должны выдерживаться расчетные высоты, зависящие от веса самолета, и скорость (число Маха) полета, близкие к максимально допустимым величинам в данных условиях независимо от скорости ветра и небольших вариаций цены топлива, центровки самолета.
В случае выполнения полета в режиме минимальных километровых расходов топлива (максимальная дальность) задача определения экономичных высот и скоростей полета сложнее, но также допустима для решения экипажами самолетов в реальных условиях выполнения предполетной подготовки и полета. Вследствие усложнения задачи выбора оптимальных режимов полета достаточно точное ее решение становится не по силам экипажам самолетов в условиях полета. Однако ошибки в выдерживании параметров траектории полета на расчетном уровне приводят к существенным экономическим потерям. Так, например, ошибка в 0,01 от числа Маха (М) на крейсерском этапе полета самолета типа ТУ-154 приводит к потерям топлива от 1 до 3 %. Это обстоятельство обусловило необходимость создания бортовых систем и средств оптимизации режимов пилотирования.
Проблема разработки методов и средств минимизации расхода топлива решается при различных начальных условиях – уровнях состояния техники, которым соответствуют различные величины показателей технического риска.
Для первого уровня максимальная величина технического риска связана с разработкой алгоритмов управления одним параметром для эксплуатируемых самолетов, двигателей и бортового оборудования.
На втором уровне величина технического риска уменьшается за счет создания нового комплекса бортового оборудования, например, системы оптимизации расхода топлива, включая разработку и внедрение новых систем таких, как системы контроля массы и положения центра тяжести. При этом самолет, двигатель и процессы их производства осуществляются согласно существующим методам, т. е. заданы.
На третьем уровне минимизации технического риска в качестве исходного задан двигатель, создается конструкция самолета и бортовое оборудование согласно концепции минимизации этого риска. Рассмотрим кратко, как это можно осуществить.
Предположим, на этапе ОКР для идеально исполненных с позиции минимальных погрешностей обводов несущих поверхностей δ1 и бортового оборудования δ2 получена P(Z). В процессе серийного производства δ1 и δ2 будут изменяться и, как правило, в худшую сторону, что приведет к увеличению P(Z). Мы имеем возможность изменять δ1, δ2 в сторону уменьшения с соответствующим повышением стоимости самолета. При этом нас интересует задача минимизации расходов, а, следовательно, и технического риска. Решение задачи перераспределения, например, погрешности измерения числа М (т. е. погрешности δ2) и погрешности производства δ1 путем увеличения последней и уменьшением первой, предлагается производить так, чтобы вероятность P(Z) была постоянной величиной.
На четвертом уровне минимизации технического риска осуществляется проектирование самолета в целом как системы (комплексно). На пятом уровне минимизация осуществляется путем проектирования комплекса, включающего не только собственно системы: самолет, двигатель, бортовое оборудование, но и производство, а также системы наземного сопровождения полетов.
Каждый уровень характеризуется своей величиной финансовых вложений ОКР, которая достигает наибольшей величины на последнем, пятом, уровне. Это значит, что не для каждого класса самолетов с его экономической отдачей следует осуществлять минимизацию технического риска пятого уровня.
2.1.2. Режим директорного управления
При отсутствии СОРП на ЛА для определения оптимальных параметров движения можно использовать номограммы оптимизации скорости полета в зависимости от высоты полета, текущего веса, скорости ветра и коэффициента стоимости (рис. 2.1, 2.2). Значительную экономию топлива можно получить при существующих характеристиках самолетов и метрологической информации без использования сложных систем управления полетом. Для этого членам летных экипажей самолетов необходимо изучить «ручные» методы экономии топлива, т. е. экономию топлива при планировании и выполнении полета по маршруту.
Одна из простейших номограмм приведена на рис. 2.1. Принцип ее применения легко понять, используя показанную на ней схему. Эта номограмма предназначена для выбора режимов полета, оптимальных по расходу топлива, без учета других составляющих расходов. Эта номограмма была проверена на самолете Ил-62 и Ил-62М. На рис. 2.2 представлена номограмма, позволяющая находить оптимальные режимы полета с учетом коэффициента стоимости для самолета Ил-62М. Порядок работы с номограммой следующий.
Для заданного полетного веса и выбранной высоты полета по графику в правом верхнем углу номограммы определяется величина приведенного веса. Например, для G = 150 т и H = 9,6 км получим Gпр = 540 т. Интерполируем точки пересечения кривых удельного расхода топлива q для приведенных весов 500 и 550 т, с помощью пунктирных линией находим точку исходного значения удельного расхода топлива q0. По этой точке и линии полетного веса G = 150 т в левом верхнем квадранте номограммы и кривой коэффициента стоимости (например, J = 2) в левом нижнем квадранте находим значение условного ветра (–225 км/час), как показано стрелками на ключе номограммы. Найденную условную величину ветра складываем с действительным ветром, например, W = –100 км/час. По суммарному ветру W∑ = –325 км/час и кривой для Gпр = 540 т в правом нижнем углу номограммы находим рекомендуемое число М = 0,778, как показано на ключе номограммы.
Конец ознакомительного фрагмента.