способ определения массы летательного аппарата, положения его центра масс и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения массы летательного аппарата и положения его центра масс с целью увеличения информативности экипажа в кабине и повышения безопасности полета, при котором определяется масса летательного аппарата и его центр масс, отличающийся тем, что масса летательного аппарата и положение его центра масс перед взлетом определяются по сигналам датчиков давления, например пьезоэлектрических датчиков, располагающихся непосредственно на летательном аппарате, в частности в месте крепления стоек шасси к конструкции летательного аппарата, причем эти сигналы образовываются в виде электродвижущей силы (ЭДС), прямо пропорциональной массе летательного аппарата: чем больше масса, тем больше ЭДС, но масса летательного аппарата распределяется неравномерно по всем датчикам, то есть стойкам шасси в данном случае, что зависит от положения центра масс летательного аппарата, и эти сигналы с датчиков давления поступают в бортовой процессор, например микроконтроллер, где преобразуются в числовое значение массы летательного аппарата по суммарному значению ЭДС со всех датчиков и присоединением к этой массе известной массы стоек шасси, а по различию значений ЭДС с каждого датчика и известным размерам базы шасси и его колеи определяется численное значение положения центра масс летательного аппарата на его продольной и поперечной осях, после чего сформированные в процессоре сигналы в виде численных величин массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и поперечной осях поступают в кабину экипажа на отображаемое устройство, например дисплей, где высвечиваются, и позволяют экипажу получать визуально или в любом другом виде информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.

2. Устройство для определения массы летательного аппарата и положения его центра масс, отличающееся тем, что все элементы этого устройства располагаются непосредственно на летательном аппарате и включают в свой состав датчики давления, например пьезоэлектрические датчики, размещаемые, например, в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, процессор, в частности микроконтроллер, и отображающее устройство в кабине экипажа, например дисплей, причем в датчиках давления при действии на них массы летательного аппарата образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и боковой осях, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, например дисплей, на котором экипаж, при необходимости, может получить информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к бортовым системам информации.

Известен способ определения массы самолета и положения центра масс [1], заключающийся в определении массы отдельных частей самолета при его изготовлении и размещении этих частей таким образом, что центр масс располагается в определенном месте, между передней и основными стойками шасси (предполагается трехопорное шасси с передней опорой, как наиболее распространенное). При снаряжении самолета, например боеприпасами, и его заправке изменение положения центра масс самолета также известно (определено на заводе при изготовлении).

Масса летательного аппарата и положение его центра масс в этом случае всегда будут известны. Это относится, например, к самолетам-истребителям, к самолетам-штурмовикам и т.п., у которых все варианты снаряжения заранее известны и не меняются с течением времени.

Однако это относится не ко всем летательным аппаратам. Например, транспортные самолеты и вертолеты загружаются каждый раз отличными друг от друга грузами как по массе, так и по распределению его вдоль продольной оси летательного аппарата, что меняет положение центра масс. Известно много случаев, когда из-за перегрузки летательных аппаратов происходили аварии и катастрофы. Достаточно вспомнить катастрофу вертолета с губернатором Красноярского края Лебедем А.И., которая произошла из-за перегрузки. Обычно (и оправданно) стремятся загружать летательный аппарат до максимально допустимой величины, чтобы его эффективно использовать. Однако летчику трудно определить массу загружаемого груза и его распределение вдоль грузовой кабины (информация об этом в кабину летчика не поступает), что не позволяет знать положение центра масс и является недостатком данного способа.

Известен способ определения веса и центра тяжести самолета [2], заключающийся в том, что самолет помещают на платформу, поднимают гидроподъемниками и получают сигналы с датчиков давления о величине нагрузки на каждый из них, а счетно-решающий блок определяет общий вес (массу) самолета и положение центра тяжести (центра масс).

Хотя понятия «масса» и «сила тяжести» имеют разное значение (масса является мерой инертности тела в поступательном движении и характеризует способность тела взаимодействовать с другими телами, а сила тяжести определяется законом всемирного тяготения и является силой, действующей на тело, вследствие притяжения к Земле, равной по модулю силе реакции и направленной противоположно ей) [4], между ними существует тесная связь. Сила тяготения F _тяг, составляющей которой является сила тяжести G, равна [4]:

где m₁ - масса летательного аппарата;

m₂ - масса Земли;

- коэффициент пропорциональности, который называется гравитационной постоянной;

r - расстояние между массами m ₁ и m₂.

Из формулы видно, что связь между силой тяготения и массой летательного аппарата прямопропорциональная, а так как сила тяжести G летательного аппарата является составляющей силы тяготения, то, следовательно, между массой и силой тяжести летательного аппарата существует прямопропорциональная связь. Поэтому, правомерно при качественном рассмотрении, вместо массы употреблять силу тяжести (для большей наглядности) и наоборот, что и будет авторами использоваться в дальнейшем. И центр масс совпадает с центром тяжести летательного аппарата. Недостатком этого способа является то, что платформа является очень громоздким сооружением и может эксплуатироваться только на стационарных аэродромах. Также процесс определения массы самолета и положения его центра масс занимает значительное время, требует заметных материальных и трудовых затрат. Кроме того, информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс в кабину летчика не поступает.

Этот способ является наиболее близким к предлагаемому, поэтому и взят за прототип.

Технической задачей изобретения является разработка способа определения массы летательного аппарата, положения его центра масс и информирование об этом летчика, находящегося в кабине летательного аппарата, в любой момент времени, при нахождении летательного аппарата на земле.

Технический результат изобретения достигается тем, что масса летательного аппарата и положение его центра масс перед взлетом определяются по сигналам с датчиков давления, например пьезоэлектрических датчиков, располагающихся непосредственно на летательном аппарате, в частности в месте крепления стоек шасси к конструкции летательного аппарата, причем эти сигналы образовываются в виде электродвижущейся силы (ЭДС), прямопропорциональной массе летательного аппарата: чем больше масса, тем больше ЭДС. Но масса летательного аппарата распределяется неравномерно по всем датчикам, то есть стойкам шасси в данном случае, что зависит от положения центра масс летательного аппарата, и эти сигналы с датчиков давления поступают в бортовой процессор, например микроконтроллер, где преобразуются в числовое значение массы летательного аппарата по суммарному значению ЭДС со всех датчиков и присоединением к этой массе известной массы стоек шасси, а по различию значений ЭДС с каждого датчика и известным размерам базы шасси и его колеи определяется численное значение положения центра масс летательного аппарата на его продольной и поперечной осях, после чего сформированные в процессоре сигналы, в виде численных величин массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и поперечной осях, поступают в кабину экипажа на отображаемое устройство, например дисплей, где высвечиваются и позволяют экипажу получать визуально, или в любом другом виде, информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.

Заявляемый способ реализуется в устройстве, в котором масса летательного аппарата преобразуется в электрический сигнал (ЭДС - электродвижущую силу) на датчиках давления, например пьезоэлектрических датчиках, по суммированию которого с нескольких датчиков определяется масса летательного аппарата, а по распределению на этих датчиках - положение его центра масс. Датчики давления устанавливаются в месте соединения стоек шасси с остальной частью конструкции летательного аппарата и воспринимают на себе давление его массы, в результате чего в датчиках образуется ЭДС, пропорциональная давлению на эти датчики: чем больше масса, тем больше давление, тем больше ЭДС. Заранее отградуированные датчики (или на заводе-изготовителе этих датчиков) позволяют по величине ЭДС с них определять давление на них, т.е. усилие со стороны летательного аппарата, соответствующее его массе. Сигналы с датчиков давления поступают на микроконтроллер, где по этим сигналам определяется масса летательного аппарата и положение его центра масс, формируется информационный сигнал, подаваемый на дисплей в кабине летчика. При нахождении на земле летчик в любой момент имеет информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс, т.е. предлагается устройство, в котором все элементы располагаются непосредственно на летательном аппарате и включают в свой состав датчики давления, например

пьезоэлектрические датчики, размещаемые, в частности, в местах крепления стоек шасси с конструкцией летательного аппарата, процессор, в частности микроконтроллер, и отображающее устройство в кабине экипажа, например дисплей, причем в датчиках давления, при действии на них массы летательного аппарата, образуются сигналы в виде электродвижущих сил (ЭДС), которые поступают в микроконтроллер, где преобразуются в численные величины массы летательного аппарата и положения его центра масс на продольной и боковой осях, а затем эти сигналы поступают в кабину экипажа на отображающее устройство, например дисплей, на котором экипаж, при необходимости, может получить визуально информацию о массе летательного аппарата и положении его центра масс перед взлетом.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:

1. Получение информации о массе летательного аппарата с датчиков давления, расположенных на самом летательном аппарате.

2. Определение центра масс летательного аппарата с помощью микроконтроллера (или любого другого устройства), размещенного на борту летательного аппарата.

3. Получение информации о массе летательного аппарата и положении его центра масс экипажем в кабине на дисплее или другом устройстве.

Существенными отличительными признаками по устройству являются:

1. Расположение всех элементов устройства непосредственно на летательном аппарате.

2. Наличие дисплея или любого другого устройства в кабине экипажа, на котором воспроизводится информация о массе летательного аппарата и положении его центра масс.

3. Связи между известными и новыми элементами устройства. Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивают достижение технического результата изобретения, а именно: получение информации экипажем в кабине летательного аппарата о величине массы этого летательного аппарата и положении его центра масс.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема действия сил на летательный аппарат при его нахождении на земле. На фиг.2 - структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа. Летательный аппарат (фиг.1) имеет силу тяжести G, приложенную в его центре масс (Ц.М.). Центр масс располагается внутри фюзеляжа 1. Снизу к фюзеляжу крепятся стойки шасси: основные стойки 2 и 3, и передняя стойка 4. Сила тяжести G уравновешивается реакциями от земли, действующими на основные стойки N_гл и переднюю стойку N_пер. Реакция на основные стойки состоит из двух составляющих: действующих на левую основную стойку N _гл.л и на правую основную стойку N_гл.пр.

На каждой стойке шасси, между фюзеляжем и стойкой, установлены датчики давления 5, 6 и 7, например пьезоэлектрические датчики. При давлении на них они вырабатывают сигналы С_гл.л , С_гл.пр и С_пер соответственно с датчиков на главной левой, на главной правой и на передней стойках в виде напряжения (ЭДС). База шасси (расстояние между осями колес главных стоек и осью переднего колеса) обозначена через L. Расстояние от центра масс до осей колес основных стоек обозначена через l₁, а до оси переднего колеса - через l₂ . Ширина колеи (расстояние между осями главных стоек) обозначена через «а» (вид А, фиг.1). Расстояние от центра масс до оси главной левой стойки обозначено через «a₁ », а до оси главной правой стойки - через «а₂ ».

На фиг.2 датчики давления 5, 6 и 7 обозначены через Д_гл.пр, Д_гл.л и Д_пер соответственно датчики на главной правой, на главной левой и передней стойках, с которых поступают сигналы соответственно С_гл.пр, С_гл.л и С_пер. В структурную схему также входит микроконтроллер 8 и дисплей 9 в кабине летчика.

Работа по определению массы летательного аппарата и положения его центра масс предлагаемым способом заключается в следующем.

На земле, когда летательный аппарат не движется, то суммы проекций всех сил на каждую из координатных осей и суммы их моментов относительно этих осей равны нулю [3]. Проекции сил, действующих на летательный аппарат, будут только на ось «У». На остальные оси эти проекции будут равны нулю.

Составим сумму проекций сил на ось «У»:

F_iy=0. N_гл+N_пер-G=0;

N_гл=N_гл.л+N_гл.пр .

Тогда: N_гл.л+N_гл.пр+N _пер-G=0.

Или:

По этому уравнению определяется масса летательного аппарата G. Моменты будут действовать только относительно осей «X» и «Z», а относительно оси «У» они будут равны нулю.

Составим сумму моментов относительно оси «X»:

m_x=0; - N_гл.л·a₁+N _гл.пр·а₂=0

Отсюда:

Расстояние «а» известно (колея шасси).

Тогда: а₂=а-a₁.

Подставляем в (2) и получаем:

N _гл.пр(a-a₁)=N_гл.л·a₁ .

Или: N_гл.пр.·а-N_гл.пр ·a₁=N_гл.л·a₁.

Или: N_гл.пр·а=a₁(N_гл.пр +N_гл.л).

Или: N_гл.пра=a ₁·N_гл.

Отсюда:

Т.е. положение центра масс в поперечном направлении определяется формулой (3).

Составим сумму моментов относительно оси «Z»:

m_z=0. -N_гл·l₁+N _пер·l₂=0;

Отсюда:

База шасси L известна. Тогда l₂ =L-l₁.

Подставляем в (4) и получаем:

N_пер(L-l₁)=N_гл·l ₁.

Или: N_пер·L-N_пер ·l₁=N_гл·l₁.

Или: N_пер·L=l₁(N_пер+N _гл).

Отсюда

Уравнение (5) определяет положение центра масс в продольном направлении летательного аппарата.

Таким образом, используя уравнение (1), определяется масса летательного аппарата М (сила тяжести G). Значения реакций N_гл.л , N_гл.пр и N_пер определяются по величинам сигналов (ЭДС) С_гл.л, С_гл.пр и С_пер с датчиков давлений 5, 6 и 7. Эта масса должна быть меньше или равной ее предельному значению М_пред (G_пред ) т.е. М М_пред (G G_пред). Или N_гл.л+N_гл.пр +N_пер. G_пред. Значение G_пред для каждого летательного аппарата известно.

По уравнению (5) определяется положение центра масс вдоль продольной оси летательного аппарата. Величина l₁ должна быть меньше L, т.е. l ₁<L. Если положение центра масс выходит за пределы базы шасси, то нарушается продольная устойчивость при разбеге.

По уравнению (3) определяется положение центра масс в поперечном направлении. Желательно, чтобы значение «a ₁» было близко к половине а величины «а», т.е. - иначе появляется крен.

Устройство работает следующим образом. С датчиков давления 5, 6 и 7 (Д_гл.пр , Д_гл.л, Д_пер) снимаются сигналы (ЭДС) С_гл.пр, С_гл.л и С_пер, (фиг.2), пропорциональные усилиям, действующим на эти датчики (пропорционально N_гл.пр, N_гл.л и N_пер), которые пропорциональны массе летательного аппарата (его силе тяжести): чем больше масса летательного аппарата, тем больше сигналы С _гл.пр, С_гл.л, С_пер. Эти сигналы поступают на микроконтроллер 8, который преобразует их в сигналы «масса летательного аппарата М», «Центр масс l₁ » (положение центра масс на продольной оси летательного аппарата), «Центр масс a₁» (положение центра масс на поперечной оси самолета) по следующему алгоритму:

1. Каждый сигнал С_гл.пр, С_гл.л , С_пер переводится в массу, например m₁ , m₂, m₃ соответственно.

2. Суммируются все массы, образуя массу летательного аппарата М=m₁+m₂+m₃+m_ш, где m_ш - масса всех стоек шасси (она известна заранее).

3. Формируется сигнал «Масса летательного аппарата М» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа. Если М>М допустимое, то вылетать с такой массой запрещается. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.

4. Формула (5) преобразуется в формулу:

5. Формируется сигнал «Центр масс l₁» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.

Если l₁<L, то на дисплее высвечивается (когда надо) значение l₁, например, зеленым цветом. Самое благоприятное значение с точки зрения продольной устойчивости летательного аппарата на разбеге (и пробеге, если посадка с грузом), т.е. l₁ 0,5L.

Если l₁ близка к 0,1 L и менее или к 0,9 L и более, то следует экипажу обратить особое внимание на возможность вылета с таким расположением центра масс или повышенное внимание на управление на этих режимах. Если l ₁ 0·L или l₁>L, то вылет с таким расположением центра масс невозможен: очень велика вероятность катастрофы. На дисплее загорается красный сигнал - вылет запрещается.

6. Формула (3) преобразуется в формулу:

7. Формируется сигнал «Центр масс a₁» и подается на дисплей 9, находящийся в кабине экипажа.

Наиболее благоприятное положение центра масс, когда , т.е. центр масс находится в плоскости продольной оси летательного аппарата, и крена в этом случае не будет при отрыве летательного аппарата от земли. Если a₁<0·а или a₁>а, то вылет с таким расположением центра масс запрещается, так как случайное попадание одной из стоек шасси в яму или на бугорок может накренить летательный аппарат на разбеге и привести к катастрофе. Если 0,5а<a₁ <0,5а, то летчик должен быть готов парировать крен при отрыве летательного аппарата от земли.

При a₁ <0·а и a₁>а на дисплее 9 загорается красный сигнал - вылет запрещается. Таким образом, перед вылетом летчик нажимает на дисплее соответствующую кнопку, чтобы узнать массу летательного аппарата и расположение его центра масс. Если М>m допустимое, l₁ 0·L или l₁ L, a₁<0·а или a₁>а, то на дисплее загорается красный сигнал (по какой из названных причин, летчик определит по численному значению М, l₁, a ₁. В остальных случаях значения этих величин высвечиваются другим (не красным) цветом, и летчик, находясь в кабине летательного аппарата, получает эту информацию. Затем он выключает дисплей (когда снимет с него эти показания).

Использование заявляемого изобретения позволяет летчику получить быстро информацию о массе летательного аппарата и расположении его центра масс, находясь в кабине экипажа, что делает вылет, дальнейший полет и посадку безопасными.

Источники информации

1. Основы конструкции самолетов / Под ред. Туркина К.Д. - М.: Военное издательство, 1974. - С 129.

2. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU № 1015567 от 22.10.81 г.

3. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 1970. -С.117.

4. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - М.: Наука, 1989. - С.42, 51-53.