вертолет для транспортировки груза на внешней подвеске

Формула изобретения

1. Вертолет для транспортировки груза на внешней тросовой подвеске над заданной точкой, содержащий дифференциальный автопилот с датчиками углового положения вертолета, вычислителем и комбинированными рулевыми агрегатами, рычаг общего шага, ручку продольного и поперечного управления вертолетом, радиовысотомер, датчики продольного и поперечного отклонения груза, приборную доску с указателями и электронными дисплеями, отличающийся тем, что в его состав введена система точного висения, содержащая бортовую телевизионную установку слежения, связанную с дисплеем-индикатором точной установки груза, приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы, задатчик координат точки установки груза, устройство коррекции заданных координат, связанное с "кнюппелем" задания координат, вычислитель траекторного управления - бортовую цифровую вычислительную машину, включающую связанные последовательно вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки и вычислитель логики совместной работы ручного и автоматического управления, а также вычислитель автомата стабилизации груза, причем вычислитель траекторного управления соединен с помощью устройства сопряжения информации со спутниковой навигационной системой, радиовысотомером, задатчиком координат точки установки груза, устройством коррекции заданных координат и через дисплей-индикатор точной установки груза - с бортовой телевизионной установкой слежения, вход вычислителя автомата стабилизации груза соединен с датчиками продольного и поперечного отклонения груза, соответствующие входы вычислителя логики совместной работы ручного и автоматического управления соединены с ручкой продольного и поперечного управления вертолетом и вычислителем автомата стабилизации груза, а его выход связан с вычислителем автопилота.

2. Вертолет по п.1, отличающийся тем, что дисплей-индикатор точной установки груза имеет указатели высоты полета вертолета и высоты груза с совмещенными шкалами, указатели ортогональных линейных скоростей V_x, V _у, V_z полета вертолета, метку заданной точки установки груза и дополнительно соединен со спутниковой навигационной системой и радиовысотомером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к системам управления летательными аппаратами (ЛА), и может найти применение при монтажных и транспортных работах, при проведении летных испытаний в области автоматизации управления полетом вертолетов.

Известно "Устройство для транспортировки груза вертолетами" А.С. 185036. В 64 с, В 66 с, Новиков А.Д.

Устройство для транспортирования грузов вертолетами состоит из внешней подвески, грузового троса и приспособления для подвески груза с замком для сбрасывания его. С целью обеспечения равномерной нагрузки вертолета при транспортировании одного груза двумя вертолетами внешняя подвеска каждого вертолета выполнена в виде шарнирного четырехзвенника, верхнее звено которого прикреплено к вертолету на уровне его центра тяжести, а грузовые тросы вертолетов соединены гибкой тягой, на которой расположен ролик с подвеской для груза. Однако с помощью данного устройства невозможно обеспечить высокую точность висения вертолетов с грузом на внешней подвеске над заданной точкой вследствие возникновения параметрических колебаний системы в условиях возмущений.

Известен вертолетный тренажер (см. Полезная модель №10472. 1998. Берестов Л.М., Харин Е.Г., Якушев А.Ф. и др. Вертолетный тренажер), содержащий кабину с встроенной в нее перегородкой, с зашторенными передними и боковыми стеклами со стороны обучаемого пилота, приборную доску с указателями и индикаторами, систему автоматического управления, рычаги управления, содержащие рукоятки общего шага, циклического шага, педали, систему выполнения программных посадок с отслеживанием перемещения палубы корабля, включающую блок датчиков углового положения вертолета, генератор сигналов качки корабля, датчик положения троса, установленного под кабиной вертолета, связанный с САУ блок управления, в котором зашторенная часть кабины выполнена с электронными индикаторами-дисплеями, и установленными последовательно в остеклении фонаря кабины; в систему выполнения программных посадок с отслеживанием перемещения палубы корабля введены система цифрового синтеза изображений, вычислитель координат вертолета, вычислитель параметров удара.

Однако система не позволяет производить исследования режимов точного висения вертолета с грузом на внешней подвеске над заданной точкой.

Известны способ и устройство для гашения маятниковых колебаний груза на тросовой внешней подвеске вертолета в горизонтальном полете, см. Акимов А.И. и др. №1467913, 15/11-88 г. (прототип). Для этого используется устройство, содержащее собственно вертолет с грузом на внешней подвеске, приборной доской с указателями параметров полета, рычаги управления, рычаг общего и ручка циклического шага.

Рассматривается колебательная система с меняющимися во времени "энергоемкими" параметрами, изменение которых связано с совершением работы. В такой системе меняется энергия колебаний, а также собственная частота колебательной системы.

В резонансной колебательной системе параметры изменяются периодически с периодом, находящимся в определенном целочисленном соотношении с периодом собственных колебаний. Это приводит к эффектам раскачки из-за накапливающейся передачи энергии системе в такт с ее колебаниями.

Колебания груза успокаиваются в полете в зависимости от фазы колебаний путем создания перегрузок, действующих на вертолет. Если скорость отклонения груза на тросе максимальна, то необходимо создавать избыточную перегрузку (отклонение рукоятки "шаг-газ" вверх). Если скорость перемещения груза равна нулю, то необходимо создавать перегрузку меньше единицы (отклонение рукоятки "шаг-газ" вниз). Аналогично задание перегрузок осуществляется с помощью режимов разгона и торможения.

Однако ограничение хода рулевых поверхностей и общего "шага-газ" оказывается в полной мере иногда недостаточным для гашения колебаний.

Кроме того, выполнение указанных управляющих действий требует информации о положении груза относительно вертолета, и с другой стороны - четких действий пилота. Если пилот управляет не синхронно (неправильно, при ошибках), - если скорость перемещения груза равна нулю, но есть отклонения груза, и создается перегрузка, то это приводит к десинхронизации и раскачке груза. Возникает чрезвычайно опасный режим, нарушается безопасность полета, что требует завершения режима полета и сброса груза.

В последнее время значительно расширилось применение вертолетов при проведении монтажных и крановых работ. Это обусловлено тем, что во многих случаях использование вертолета экономически эффективно и значительно сокращает сроки монтажа по сравнению с обычными наземными средствами. Особое значение вертолетный монтаж приобретает при сооружении высотных объектов и при проведении работ в труднодоступных районах, когда вертолет, совмещая в себе качество транспортного средства и подъемного крана, является единственным средством доставки и монтажа груза. Однако широкое использование вертолета при проведении монтажно-крановых работ сдерживается ввиду определенных трудностей, основными из которых являются:

- сложность пилотирования вертолета с грузом на внешней подвеске, что затрудняет выполнение точного перемещения вертолета и груза при проведении монтажа;

- плохой обзор груза на внешней подвеске из кабины летчиков, что вызывает затруднения при установке груза.

Эти обстоятельства приводят к тому, что монтажные работы могут выполняться только высококвалифицированными, прошедшими специальную подготовку летчиками.

Указанные трудности обусловлены низким, не соответствующим современному, уровнем автоматизации вертолета, производящего монтаж, и неудовлетворительным качеством установленных на нем обзорных систем.

Для эффективного решения указанных задач необходим специальный комплекс оборудования, построенный на базе телевизионной системы обзорной и координатной информации и системы автоматизированного управления для точного висения вертолета с грузом на внешней подвеске.

Целью изобретения является разработка автоматизированной системы точного висения вертолета с грузом на внешней подвеске над заданной точкой (СТВВГ) для транспортировки груза и его точной установки в заданном месте.

Для решения указанной задачи на вертолете с грузом на внешней подвеске, включающем дифференциальный автопилот с датчиками углового положения вертолета и рулевыми агрегатами, рычаг общего шага, ручку продольного и поперечного управления, радиовысотомер (РВ), датчики продольного и поперечного отклонения груза, приборную доску с указателями и электронными дисплеями, в его состав введена система точного висения вертолета над заданной точкой, содержащей бортовую телевизионную установку (БТУ) слежения за подстилающей поверхностью и грузом на внешней подвеске с дисплеем-индикатором точной установки груза (ИТУГ), приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы (СНС), задатчик координат точки установки груза (ЗКТУГ), устройство коррекции заданных координат (УКЗК), связанное с "кнюпелем" задания координат, вычислитель траекторного управления (ВТУ) - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ), включающая связанные последовательно вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки (ВАВКЗТ), вычислитель логики совместной работы ручного и автоматического управления (ВЛСРАУ), вычислитель автомата стабилизации груза (ВАСГ), причем ВТУ соединен с помощью устройства сопряжения информации с БТУ, СНС, РВ, ЗКТУГ, УКЗК, вход ВАСГ соединен с датчиками отклонения троса, вход ВЛСРАУ соединен с ручкой продольного и поперечного управления, ВАВКЗТ, ВАСГ, а выход его связан с вычислителем автопилота, кроме того, вычислитель ВТУ отклонений и скоростей перемещений вертолета связан с дисплеем - индикатором точной установки груза (ИТУГ), имеющим указатели высоты полета вертолета и высоты груза с совмещенными шкалами, указатели ортогональных линейных скоростей V_x, V_y, V_z полета вертолета, метку текущего положения вертолета, метку заданной точки установки груза и соединен с БТУ, СНС и РВ.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена структурная схема СТВВГ, на фиг.2 - схема вертолета с грузом на внешней подвеске, на фиг.3 - система индикации при точной установке груза.

На фиг.1 обозначены:

1 - пост управления летчика, включающий рычаг общего шага несущего винта и ручку продольного и поперечного управления вертолетом

2 - устройство коррекции (кнюпель) заданных координат точки установки груза (УКЗК)

3 - дисплей-индикатор точной установки груза (ИТУГ)

4 - приемная аппаратура спутниковой навигационной системы (СНС)

5 - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) - вычислитель траекторного управления (ВТУ)

6 - вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки (ВАВКЗТ)

7 - вычислитель логики совместной работы ручного и автоматического управления (ВЛСРАУ)

8 - вычислитель автомата стабилизации груза (гашение колебаний груза на внешней подвеске) (ВАСГ)

9 - вычислитель автопилота

10 - датчики углов отклонения троса внешней подвески

11 - вертолет с грузом на внешней подвеске

12 - бортовая телевизионная установка (БТУ) - телевизионная камера слежения за подстилающей поверхностью и грузом на внешней подвеске с вычислителем координат вертолета относительно заданной точки и ортогональных линейных скоростей V_x, V_y, V_z полета вертолета относительно земли

13 - датчики углового положения вертолета

14 - комбинированный агрегат управления вертолетом

15 - радиовысотомер (РВ)

16 - согласующее устройство, устройство сопряжения информации

17 - задатчик координат точки установки груза

18 - буровая вышка

19 - космическая часть СНС

СТВВГ включает вертолет 11 с грузом на внешней тросовой подвеске и содержит дифференциальный автопилот с вычислителем 9 с датчиками 13 углового положения вертолета и комбинированными рулевыми агрегатами 14, приборную доску с указателями и электронными дисплеями, рычаг общего шага несущего винта и ручку продольного и поперечного управления вертолетом 1, радиовысотомер 15, датчики углов отклонения троса внешней подвески в продольной и поперечной плоскости в системе координат, связанной с вертолетом 10, бортовую телевизионную установку БТУ слежения за подстилающей поверхностью и грузом на внешней подвеске 12 с дисплеем-индикатором 3, на экране которого отображается картина подстилающей поверхности, и индикатор точной установки груза (ИТУГ), приемную аппаратуру 4 спутниковой навигационной системы (СНС), задатчик координат точки установки груза (ЗКТУГ) 17, устройство 2 коррекции заданных координат (УКЗК) точки установки груза, вычислитель 5 траекторного управления (ВТУ) - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ), ВТУ 5 включает вычислитель 6 системы автоматического выдерживания координат заданной точки (ВАВЗТ), вычислитель 8 системы автоматической стабилизации положения груза на внешней подвеске относительно вертолета (ВАСГ) - системы гашения колебаний груза, вычислитель 7 логики совместной работы автоматических систем и летчика (ВЛСРАУ). Входы ВТУ 5 с помощью устройства сопряжения информации 16 - согласующее устройство, соединены с выходами БТУ 12 через ИТУГ 3, СНС 4, РВ 15, УКЗК 2, рычагом общего шага несущего винта и ручкой продольного и поперечного управления вертолетом 1, датчиками углов отклонения груза на внешней подвеске 10.

Комплекс СТВВГ значительно улучшает технические, пилотажные и экономические характеристики вертолета, производящего монтаж:

- значительно уменьшается психофизиологическая нагрузка на экипаж и его утомляемость при монтажных работах;

- снижаются требования к квалификации летчиков от исключительных до обычных;

- значительно повышаются точность и надежность монтажа;

- значительно сокращается продолжительность висения вертолета - одного из наиболее опасных и неэкономичных режимов полета;

- значительно увеличивается производительность вертолета.

Система работает следующим образом.

Вертолет с грузом на внешней подвеске под управлением летчика совершает полет к месту установки груза. Затем выполняется снижение вертолета до заданной высоты, перемещение с малой скоростью к точке установки груза и переход на режим висения. При этом в поле обзора бортовой телевизионной установки БТУ находится подстилающая поверхность, на которой с помощью разметки обозначена точка установки груза, и груз на внешней подвеске.

Предварительно в вычислителе траекторного управления ВТУ для приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы СНС задаются координаты точки установки груза, а также для вычисления высоты груза задается длина троса внешней подвески с помощью задатчика ЗКТУГ.

Перемещение вертолета с грузом на внешней подвеске к заданной точке, точное висение над ней и установка груза могут выполняться следующими способами:

1. При ручном пилотировании летчиком. При этом летчик наблюдает на экране дисплея-индикатора ИТУГ картину подстилающей поверхности с точкой установки груза и груз на внешней подвеске. На экране также отображаются указатели высоты полета вертолета и высоты груза с совмещенными шкалами, указатели ортогональных линейных скоростей вертолета V_x, V_y, V _z, текущие значения которых получаются с помощью вычислителя бортовой телевизионной установки БТУ или приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы СНС и радиовысотомера РВ. В центральной части экрана отображается метка текущего положения вертолета.

Вначале летчик выполняет перемещение вертолета к заданной точке и точное висение над ней на заданной высоте посредством отклонения ручки продольного и поперечного управления. При этом заданная высота поддерживается с помощью отклонения летчиком рычага общего шага несущего винта. Стабилизация заданного курса полета производится летчиком либо автоматически посредством автопилота. При пилотировании летчик следит за движением вертолета и груза на внешней подвеске на экране дисплея-индикатора ИТУГ, стремясь совместить метку текущего положения вертолета с изображением точки установки груза.

Если при этом возникают колебания груза на внешней подвеске с амплитудой, превышающей заданное значение, то выполнение данного режима полета прекращается и производится гашение колебаний. Для гашения колебаний груза летчик перемещает вертолет в сторону отклонения груза таким образом, чтобы вертолет двигался за грузом до тех пор, пока амплитуда этих колебаний не затухнет до величины, не превышающей заданную.

Затем снова осуществляется перемещение вертолета к заданной точке и точное висение над ней. Если амплитуда колебаний груза на внешней подвеске не превышает заданной величины, то летчик вручную производит опускание груза с заданной вертикальной скоростью V_y и его установку в заданную точку.

2. При ручном пилотировании летчиком совместно с системой гашения колебаний груза. В этом случае летчик выполняет пилотирование вручную так же, как и при первом способе, однако для гашения колебаний груза подключается автоматическая система гашения колебаний груза. Для этого к вычислителю логики совместной работы летчика и автопилота ВЛСРАУ подключается вычислитель автомата стабилизации груза ВАСГ. Этот автомат по сигналам датчиков углов отклонения троса в продольной и поперечной плоскостях, связанных с вертолетом, а также тангажа и крена вертолета вырабатывает управляющие сигналы для автопилота. Автопилот посредством агрегатов управления обеспечивает движение вертолета в продольном и поперечном направлениях, необходимое для гашения колебаний груза.

3. При ручном пилотировании летчиком с системой директорного или автоматического выдерживания заданных координат - системы точного висения вертолета. При этом способе к вычислителю логики совместной работы летчика и автопилота ВЛСРАУ подключается вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки ВАВКЗТ.

В этом вычислителе по сигналам отклонения координат вертолета от координат заданной точки в горизонтальной плоскости и от заданной высоты, а также его линейных скоростей V_x, V_y, V_z вырабатываются управляющие сигналы для директорного управления и автопилота. Под управлением автопилота обеспечивается движение вертолета в продольном и поперечном направлениях к заданной точке с поддержанием заданной высоты, а также точное висение над ней. Обеспечение движения вертолета к заданной точке и точное висение над ней может осуществлять летчик по директорным сигналам, выводимым на дисплей-индикатор точной установки груза ИТУГ. Стабилизация заданного курса полета производится летчиком либо автоматически посредством автопилота.

Отклонение координат вертолета относительно заданной точки в горизонтальной плоскости и от заданной высоты, а также его линейных скоростей V_x, V_y , V_z определяется с помощью вычислителя бортовой телевизионной установки БТУ и радиовысотомера РВ. Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы СНС используется в условиях, когда невозможно применение бортовой телевизионной установки БТУ, а также как резервное средство вычисления координат вертолета относительно заданной точки и скоростей их изменения.

Бортовая телевизионная установка БТУ позволяет получать высокую точность при определении координат вертолета и скоростей их изменения, но для ее работы требуется наличие на подстилающей поверхности в окрестности точки установки груза нескольких участков, существенно отличающихся по контрастности, так называемых реперов, а также достаточный уровень освещенности. Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы СНС обладает значительно меньшей точностью при определении координат вертолета и скоростей их изменения, однако ее работа не зависит от вида подстилающей поверхности и освещенности.

Для ввода в вычислитель траекторного управления ВТУ координат заданной точки летчик посредством "кнюпеля", связанного с устройством коррекции заданных координат УКЗК, совмещает подвижную метку на экране дисплея-индикатора ИТУГ с изображением точки установки груза.

Если при перемещении вертолета с грузом на внешней подвеске к заданной точке и висении над ней возникают колебания груза с амплитудой, превышающей заданное значение, то выполнение данного режима полета прекращается и производится гашение колебаний. Для этого автоматически к вычислителю ВЛСРАУ подключается вычислитель автомата стабилизации груза ВАСГ, в то время как вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки ВАВКЗТ отключается. После затухания амплитуды колебаний груза до значения, не превышающего заданного, производится автоматическое отключение вычислителя автомата стабилизации груза ВАСГ и вновь подключается вычислитель автоматического выдерживания координат заданной точки ВАВКЗТ.

В случае устойчивого висения вертолета над заданной точкой, а также при условии отсутствия колебаний груза с амплитудой, превышающей заданное значение, летчик производит установку груза. Установка груза может выполняться вручную или автоматически под управлением вычислителя автоматического выдерживания координат заданной точки ВАВКЗТ. Установку груза летчик осуществляет вручную путем уменьшения общего шага несущего винта, а при автоматическом управлении - посредством уменьшения значения заданной высоты висения в вычислителе автоматического выдерживания координат заданной точки ВАВКЗТ.

При этом летчик имеет возможность управлять вертолетом совместно с автоматическими системами выдерживания координат заданной точки и стабилизации груза на всех режимах полета.

Структура законов управления отклонениями автомата перекоса несущего винта вертолета автопилотом для системы автоматического выдерживания координат заданной точки имеет следующий вид:

_в=i_{Z z}+i ( _зад- _тек)

_к=i_{x x}+i ( _зад- _тек)

зад=ixх+ivx Vx

зад=iz z+ivz Vz

x=x-хзад

z=z-zзад

_ош =i_vyv_y+i_Н(Н_зад -Н_тек)

где _в, _к - отклонения автомата перекоса несущего винта соответственно по тангажу и крену;

_ош - отклонение автомата перекоса несущего винта по общему шагу;

i , i , i_Z , i_x , ix, iz, ivx, ivz, i_vy, i_Н - передаточные числа соответственно по углу тангажа и крена, угловой скорости тангажа и крена, перемещению в продольном и поперечном направлениях, скорости перемещения в продольном и поперечном направлениях, вертикальной скорости, высоте;

_тек, _тек, - текущие значения углов тангажа и крена;

_зад, _зад - заданные значения углов тангажа и крена;

Н_тек - текущее значение высоты вертолета (Н _тек=у);

х, z - текущие значения координат вертолета в горизонтальной плоскости;

хзад, zзад - координаты заданной точки в горизонтальной плоскости;

x, z - отклонения текущих значений координат вертолета от координат заданной точки в горизонтальной плоскости.

Следует отметить, что при пилотировании вертолета с системой точного висения достоверность и удобство предоставления летчику визуальной информации о положении вертолета и груза на внешней подвеске относительно наземных ориентиров, загрузка внимания летчика, его психофизиологическая напряженность и, в конечном счете, точность висения над заданной точкой значительно зависят от способа крепления телевизионной камеры БТУ к фюзеляжу вертолета. Возможны два основных способа: жесткое крепление и на гиростабилизированной платформе.

При наиболее простом жестком креплении телевизионной камеры к фюзеляжу отклонения вертолета по тангажу и крену, которые наблюдаются на режиме висения и перемещения с малыми скоростями, вызывают смещения картины подстилающей поверхности на экране дисплея-индикатора ИТУГ. При этом у летчика в первый момент создается ложное представление о движении вертолета. В этом случае летчику затруднительно отслеживать направление движения вертолета по картине на экране дисплея-индикатора ИТУГ. Кроме того, задание координат точки установки груза летчиком с помощью "кнюпеля", путем перемещения подвижной метки на экране дисплея-индикатора ИТУГ в необходимую точку на изображении подстилающей поверхности, также затрудняется.

Наилучшие условия пилотирования летчиком достигаются при креплении телевизионной камеры БТУ на гиростабилизированной платформе так, чтобы оптическая ось объектива камеры располагалась по направлению местной вертикали. В этом случае влияние движения вертолета по углам тангажа и крена на смещения картины подстилающей поверхности на экране дисплея-индикатора ИТУГ исключаются.

Необходимо заметить, что точность определения координат вертолета, а также его линейных скоростей V_x , V_y, V_z с помощью вычислителя бортовой телевизионной установки БТУ и радиовысотомера РВ в значительной степени зависит от точности определения высоты полета вертолета. Для достижения высокой точности в определении указанных параметров необходимо использовать высотомер с очень малым пределом погрешности (лазерный, ультразвуковой и др.). Кроме того, при размещении на вертолете антенны или излучающего и приемного устройства высотомера необходимо учитывать влияние на его показания груза на внешней подвеске.