Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В соответствии с трехлетним проектом начата разработка эффективных методов проектирования систем автоматического управления движением (САУД) перспективных экранопланов, создание программного пакета всестороннего моделирования и многокритериальной оптимизации САУД и его применение при разработке технического задания на построение САУД. Началась работа над созданием научно обоснованного проекта конструирования опытных образцов САУД для экранопланов различных конфигураций и размеров, Это позволит обеспечить для российских экранопланов нового поколения недостижимые ранее функциональные возможности по всепогодности, экономичности, безопасности движения в основных режимах: при взлете и посадке, при маневрировании и обходе препятствий, при решении тактических задач за счет оптимизации управления движением, гарантированного обеспечения устойчивости управляемого аппарата и предотвращения ошибочных действий экипажа. Фактически при создании специализированного программного пакета появятся технологические возможности для разработки нового пилотажно-навигационного комплекса для экраноплана нового поколения, включающего системы прецизионного измерения параметров движения вблизи поверхности и вне экрана, законы, алгоритмы и средства управления движением, системы отображения пилотажной информации экипажу и контроля действий экипажа в критических режимах, структурно-избыточные каналы и элементы управления для обеспечения отказоустойчивости системы. Разрабатывается новая концепции реализации САУД в бортовой цифровой распределенной вычислительной среде, при полномасштабном использовании методов современной теории адаптивного и робастного автоматического управления и современных технических средств навигации, обработки информации и управления. В течение первого года работы получены следующие основные результаты. 1. Полный список найденных в результате библиографического поиска публикаций по широкой экранопланной тематике составляет 112 позиций. Практически все публикации посвящены описанию конструкции и принципов стабилизации малых экранопланов с хордой крыла до 5м. Некоторое публикаций предполагает использование на борту экраноплана простейшего ультразвукового высотомера, принципиально не пригодного для больших экранопланов с большой скоростью полета. Свежие публикации по импульсным рентгеновским высотомерам практически отсутствуют. Публикации по использованию PMD-камер для измерения метровых высот и анализа профиля волновых возмущений есть только у нашего коллектива. В результате проведения глубокого патентного и библиографического поиска сделан вывод о том, что тема САУД экранопланов в настоящее время в мире остается слабо разработанной и новые исследования представляют большой интерес. 2. При построении достоверных моделей аэродинамики и динамики экранопланов целесообразно использование виртуальных продувок на основе современного мощного программного пакета Comsol, достаточно использование двух частей этого лицензионного программного обеспечения (COMSOL Multiphisics + CFD Modulde для использования с COMSOL Multiphisics), что позволит за срок выполнения проекта получить много новых научных результатов, недостижимых другими методами. Одним из важнейших результатов должна стать отработанная на типовых примерах методика синтеза нестационарного закона управления движением екраноплана в разных режимах. Обеспечение робастности этих алгоритмов управления позволит учесть все априорные неопределенности в свойствах объекта и возмущений, а также использовать результаты измерения многих переменных параметров в полете на основе совершенных датчиков. 3. Обосновано решение начать исследование динамики экраноплана с анализа конкретного примера хорошо известного экраноплана "Спасатель", отличающегося от реально построенного экраноплана "Лунь" только отсутствием носимого на палубе оборудования. Геометрические характеристики "Спасателя" и "Луня" заимствованы в Интернет. Некоторые общие характеристики управляемости указанного 400-тонного экраноплана известны (открыто опубликованы), что позволит проверить достоверность результатов виртуальных продувок на основе COMSOL. После отработки технологии применения COMSOL в исследовании экранопланов число и тип рассматриваемых вариантов можно будет расширить. В результате окажется возможным на основе сочетания разрабатываемых нами теоретических оценок и экспериментальных данных на основе моделирования в COMSOL построить достаточно общую теорию управляемости экранопланов разных типов и размеров. Задачей нашего коллектива являются фундаментальные исследования, создание общей теории и выработка общих рекомендаций. Разработку методики синтеза контуров управления целесообразно начать с исследования управляемости экраноплана с ПИД-регулятором и режекторными фильтрами на основных частотах колебаний. Сложность задачи повышается из-за непостоянства многих параметров аппарата в связи с выгоранием топлива в баках и изменяющейся геометрической высотой полета из-за разных возмущений. Предполагается получить с помощью COMSOL и дополнительных аналитических исследований новые научные результаты по управлению нежестким большим экранопланом в 2017 году. 4. Доказано, что для большого экраноплана надо обоснованно применять специально разработанные высокоточные датчики метровых высот. Лазерные измерители не пригодны из-за ухода луча в воду и слабом зеркальном отражении. Датчики на светодиодах имеют проблемы с шириной диапазона измеряемых высот. Анализ многих типов датчиков пока дает предпочтение PMD-камерам, импульсным рентгеновским высотомерам и фазовым радиовысотомерам. Исследования экспериментальных образцов необходимо продолжить в 2017г. Созданный в результате высотомер будет востребован также для многих других неводоизмещающих скоростных аппаратов для измерения и высоты движения, и профиля волн. 5. Для большого экраноплана надо обоснованно применять высокоточные инерциальные датчики, а не МЭМС акселерометры и гироскопы. Это позволит повысить точность оценки навигационных параметров в несколько раз при кратковременном нарушении функционирования приемника СНС. В случае такого длительного нарушения ошибка позиционирование экраноплана в горизонтальной плоскости окажется порядка 150м из-за невозможности использования методов коррекции по визуальным ориентирам. Но при хорошей инерциальной системе нарастание ошибки до этой величины будет медленным. Ошибка в стабилизации высоты полета над взволнованным морем будет также зависеть от точности ИНС, но в основном от точности высотомеров малых высот. СНС не окажет существенного влияния на качество управления движением в вертикальной плоскости. 6. Получены приемлемые модели погрешностей для всех основных навигационных датчиков. Показано, что как правило ошибки измерителей с достаточной степенью точности описываются суммой белошумных и небелошумных (экспоненциально-коррелированных) составляющих. Для позиционных датчиков основной является белошумная составляющая, а для инерциальных - небелошумная. Это позволяет синтезировать оптимальный алгоритм фильтрации в интегрированной измерительной системе и далее совершенствовать его с учетом фактором неопределенности и нестационарности, в том числе с учетом современных пост-калмановских методов фильтрации. 7. При виртуальных продувках экраноплана в COMSOL с целью исследования приложенных к экраноплану сил и моментов в вертикальной плоскости учитывая симметричность аппарата относительно продольной оси, целесообразно делать такие вычислительные эксперименты только для правой или левой стороны аппарата, что позволяет уменьшить время эксперимента в два раза. Размер ячейки сетки при вычислениях оптимизируется для каждой конкретной задачи. В результате время одного эксперимента составляет порядка 5 часов. Виртуальные эксперименты в COMSOL оказываются несравненно более дешевыми и быстрыми по сравнению с реальными продувками или летными экспериментами. Пояснения даны в пункте 1.6 настоящего отчета. 8. Все основные новые научные результаты проекта доложены в 2016 г. на 6 наиболее авторитетных международных научных симпозиумах и конгрессах и опубликованы в трудах и высокорейтинговых журналах, в том числе в IFAC-online по материалам 20-го Симпозиума IFAC Aerospace в Канаде, 23-й Международной конференции по интегрированным навигационным системам, 18th International Conference on Global Navigation Satellite Systems, все в Scopus. Число публикаций по результатам выступлений на конференциях с трехкратным рецензированием - 17. 4 октября 2016 г. защищена кандидатская диссертация Д.Ю.Крысиным на тему "Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности" в Университете ИТМО. Диссертация и материалы защиты имеются на сайте http://fppo.ifmo.ru/?page1=16&page2=52&page_d=1&page_d2=221531 . В июне 2016 г. опубликована монография "Aerospace Navigation Systems" в Британском издательстве "J. Wiley & Sons" под редакцией А.Небылова и Дж. Ватсона. Все 10 глав этой монографии имеют непосредственное отношение к теме проекта. 10-я глава посвящена системам навигации и управления беспилотных экранопланов. Информация о книге и условия ее покупки даны на сайте http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1119163072.html. Книга распространяется издательством по всему миру и ее уже заказали многие исследовательские центры, университеты и библиотеки многих стран. Подробности организации работы над проектом в Международном институте передовых аэрокосмических технологий ГУАП описаны на сайте http://iiaat.guap.ru/ .

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В соответствии с трехлетним проектом продолжается разработка эффективных методов проектирования систем автоматического управления движением (САУД) перспективных экранопланов нового поколения. Фактически создается программный пакет автоматизации проектирования САУД, помогающий выбрать структуру и параметры САУД и смоделировать ее работу в различных условиях полета и при учете самых неблагоприятных возмущений. При проведении исследований сделан упор не на реальные аэродинамические тесты с уменьшенными моделями транспортного аппарата, а на виртуальные продувки с использованием мощного программного пакета Comsol. Это уже позволило провести большое число важных численных экспериментов, моделирующих разные условия полета для большого экраноплана с параметрами, близкими к известному недостроенному в Нижнем Новгороде большому экраноплану «Спасатель». Этот экраноплан, аэрогидродинамика которого повторяет советский ракетный экраноплан «Лунь» со снятым вооружением, долгие годы являлся символом надежд на возрождение экранопланостроения в России, но так и не был достроен. В течение 2017 года появились новые важные комментарии авторитетных российских промышленников и политиков о государственных планах создания новых больших российских экранопланов, что еще более повышает актуальность нашего проекта. Например, газета «Известия» пишет: «Как сообщили «Известиям» в главкомате ВМФ, в России ведется разработка 600-тонного транспортно-десантного экраноплана «Спасатель» для использования при поисково-спасательных операциях в Арктике и Тихом океане, а также доставки грузов на удаленные военные базы. Исполнителем проекта является Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р.Е. Алексеева. Завершение испытаний первых образцов «Спасателя» запланировано на 2025 год. В госпрограмму вооружений на 2018–2025 годы включено создание опытного образца 600-тонного экраноплана, способного решать различные задачи в интересах вооруженных сил https://iz.ru/663671/2017-10-27/v-rossii-razrabatyvaiut-sverkhtiazhelyi-ekranoplan-spasatel. Предполагается, что машина, разработкой которой занимается АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева», может быть использована для поисково-спасательных работ в Арктике и доставки снабжения в дальние гарнизоны. Разработчики рассказали, что речь идет о создании базовой платформы под рабочим названием «Спасатель» с массой судна 600 тонн при длине 93 метра и размахе крыла 71 метр. Столь большую машину решено было строить из-за возможности ее эксплуатации при волнении моря в 5–6 баллов. https://vz.ru/news/2017/10/27/892670.html » Другая группа публикаций 2017 года относится к проектированию нового морского экраноплана А-050 также в АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева». Его водоизмещение всего 54 тонны и полезная нагрузка 15 тонн. Экраноплан может решать различные задачи – от грузоперевозок до спецзадач поиска и спасения, разведки и других. Это многоцелевая транспортная платформа, которая может быть применима во всех сферах жизнедеятельности и всеми ведомствами — от МВД, МЧС и Минобороны до Минтранса", — сказал Анцев. РИА Новости https://ria.ru/arms/20170710/1498179442.html Незначительные вес и размеры и соответственно ограниченная мореходность заставляют рассматривать А-050 лишь как этап развития больших экранопланов в условиях финансовых трудностей. В этих условиях особенно важны средства автоматизации проектирования экранопланов различных конфигураций и размеров, научно обоснованные рекомендации по выбору основных параметров экранопланов. Наша работа над созданием указанного фундаментального задела для проектирования САУД экранопланов представляется актуальной и важнoй. Это должно позволить обеспечение для российских экранопланов нового поколения недостижимые ранее функциональные возможности по всепогодности, экономичности, безопасности движения в основных режимах: при взлете и посадке, при маневрировании и обходе препятствий, при решении тактических задач за счет оптимизации управления движением, гарантированного обеспечения устойчивости управляемого аппарата и предотвращения ошибочных действий экипажа. Разрабатывается новая концепции реализации САУД в бортовой цифровой распределенной вычислительной среде, при полномасштабном использовании методов современной теории адаптивного и робастного автоматического управления и современных технических средств навигации, обработки информации и управления. В течение второго года работы основное внимание уделялось следующим основным результатам. Методике описания характеристик и оценки параметров динамики и кинематики большого экраноплана. Построение достоверных моделей аэродинамики и динамики экранопланов базировалось на использованием виртуальных продувок на основе современного мощного программного пакета Comsol Multiphisics, что позволило за второй год работы над проектом получить большой массив новых результатов, недостижимых другими методами. Оправдано решение начать исследование динамики экраноплана с анализа конкретного примера хорошо известного экраноплана "Спасатель", отличающегося от реально построенного экраноплана "Лунь" только отсутствием носимого на палубе оборудования. Геометрические характеристики "Спасателя" и "Луня" заимствованы в Интернет. Некоторые общие характеристики управляемости указанного экраноплана открыто опубликованы, что позволило провериять достоверность результатов виртуальных продувок на основе COMSOL. Предложена эффективная для целей проекта математическая модель динамики экраноплана и методика ее получения для разных экранопланов. Описана предложенная теория и методика проектирования систем управления полетом экранопланов в разных режимах. Создан действующий макет рентгеновского высотомера метровых высот и описаны результаты его испытаний для диапазона высот от 1 до 10м. Предварительные результаты обработки экспериментальных данных, полученных в результате исследований макета высотомера, позволяют оценить погрешность измерений прибора как 5-50 см в диапазоне дистанций 1-10м при достижимом быстродействии порядка 100 Гц. Эти данные выглядят несколько хуже ожидавшихся и, к сожалению, не устраняют неопределенность в проблеме выбора наиболее подходящего высотомера для экраноплана. Продолжены экспериментальные исследования высотомера на основе PMD-камеры, по точности не уступающему рентгеновскому высотомеру, но работающему неустойчиво в некоторых режимах освещенности и угловой ориентации. Окончательное решение вопроса о выборе наилучшего высотомера малых высот для экраноплана пришлось отложить на следующий год работы. В случае успеха созданный в результате высотомер будет востребован также для многих других неводоизмещающих скоростных аппаратов для измерения и высоты движения, и профиля волн. Морское волнение рассмотрено в проекте как основной источник возмущений для летящего экраноплана и для его навигационных датчиков и интегрированных измерительных систем. В различных задачах использованы и простейшие детерминированные (сумма нескольких гармоник) и более сложные стохастические модели. Новизна подхода состоит именно в обоснованном выборе сложности модели, а не в разработке каких-то абсолютно новых моделей. Известно, что свойства морского волнения в разных регионах и погодных условиях сильно различаются, и фактически целесообразен минимаксный подход к выбору модели волнения. Разные виды волнения уже подробно описаны в монографии А.В.Небылова и Вильсона (A. V. Nebylov, ‎P. A. Wilson) “Ekranoplanes: Controlled Flight Close to the Sea”,издательство WIT-press, Великобритания. https://books.google.ru/books?isbn=1853128317 - Эта книга не имеет себе равных по глубине анализа моделей волнения и влиянию волнения на скоростные неводоизмещающие аппараты. Наиболее простая но очень полезная модель – одиночная гармоника. Наиболее сложная из использованных моделей – трехмерная модель развитого ветрового волнения с обоснованными спектральными характеристиками и законом углового распределения мощности. Использованы и временные, и пространственные характеристики волнения. Пространственные характеристики упрощают моделирование при высокой скорости движения транспортного аппарата. При проведенной линеаризации динамических характеристик экраноплана спектральный анализ его реакции на волновые возмущения удается выполнить аналитически и получить среднеквадратические значения погрешностей управления в разных каналах. При более достоверной нелинейной модели динамики экраноплана моделирование явилось основным инструментом исследования. Сравнение оцененных величин погрешностей управления с их допустимыми уровнями для большого экраноплана с размерами «Спасателя» позволило сделать вывод о достижимой мореходности «Спасателя» при шестибалльном морском волнении. Эти исследования предполагается продолжить в 2018 году. Уже создана модель большого экраноплана с учетом эффектов аэроупругости, которая также необходима при оценке мореходности и требований к жесткости корпуса аппарата. По материалам исследований 2017 года сделаны 23 публикации высокого уровня, в том числе в IFAC-online. Участники проекта сделали в 2017 г. презентации на 9 авторитетных научных конференциях, в том числе на 20-м Всемирном Конгрессе IFAC и на европейской конференции EUCASS 2017, осуществлено руководство соответствующими секциями на этих конференциях. Утверждена ВАК защищенная участником проекта Д.Ю.Крысиным кандидатская диссертация на тему "Разработка и исследование оптико-электронных систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности". Подготовлена к защите в 2018 г. кандидатская диссертация участника проекта аспиранта А.Ю.Княжского "Разработка и исследование алгоритма управления движением низколетящего аппарата над неровной поверхностью" Опубликованная в июне 2016 г монография "Aerospace Navigation Systems" в Британском издательстве "J. Wiley & Sons" под редакцией А.Небылова и Дж. Ватсона, все главы которой имеют непосредственное отношение к теме проекта, активно распространяется по миру. Информация о книге и условия ее покупки даны на сайте издательства http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1119163072.html. Книгу уже заказали многие исследовательские центры, университеты и библиотеки многих стран. В ноябре 2017 г. подана заявка на патент с названием «Способ минимизации высоты полета летательного аппарата при движении над неровной поверхностью. В конце декабря 2017 г. новая книга "Progress in Flight Dynamics, Guidance, Navigation and Control” под редакцией А.В.Небылова (единственный редактор от России) и др.вышла в свет. Подробности организации работы над проектом в Международном институте передовых аэрокосмических технологий ГУАП описаны на сайте http://iiaat.guap.ru/ .

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
При выполнении проекта в 2018 году был окончательно разработан программный пакет, в котором интегрированы возможности последних модификаций программ CFD Comsol Multiphysics и Matlab для всестороннего исследования динамики моделей экранопланов. Объединение возможностей этих программ в одном пакете позволило качественно расширить круг решаемых задач. Входная информация вводится в виде конструктивной схемы экраноплана, а на выходе получается нелинейная модель для всех возможных режимов полета, которая позволяет исследовать все динамические свойства экраноплана, его устойчивость и управляемость. В процессе проведения экспериментов модель экраноплана первоначально устанавливалась на 16 различных высотах над экраном в зоне действия экранного эффекта. Скорость полета также принимала 16 значений во всем диапазоне возможных скоростей. Таким образом было выбрано 256 опорных точек для проведения экспериментов. В каждой опорной точке фиксировались скорость полета и высота над экраном. Для каждой опорной точки варьировались в допустимых пределах такие параметры как тангаж, направление и величина тяги двигателей, использовании максимально производительных на сегодняшний день персональных компьютеров время выполнении программы для одного варианта модели и параметров движения превышало 48 часов. В результате каждой опорной точки были определены интегральные силы и моменты сил, действующие на модель экраноплана. Результаты отклонение закрылков и отклонение руля высоты. Следует учитывать, что при каждого эксперимента заносились в многомерные массивы и сохранялись для дальнейшей обработки. Далее полученные массивы с помощью программы Matlab интерполируются с использованием методов регрессионного многомерного анализа полиномами третьей степени. При использовании метода конечных элементов, который реализуется в программе CFD Comsol Multiphysics, наиболее сложным является вычисление демпфирующих сил и моментов. Для расчета аэродинамических демпфирующих сил и моментов требует использования моделей с изменяемой сеткой в процессе моделирования, что на порядок увеличивает время численного решения. Проведенные эксперименты с упрощенной моделью в отдельных расчетных точках позволили считать достоверными использованные имитационные модели демпфирования. Преобразованные таким образом результаты виртуальных продувок используются для создания нелинейной многосвязной математической модели экраноплана в виде системы непрерывных дифференциальных уравнений. На основе этих уравнений составляется соответствующая программа для исследования полученной модели. Исследование модели удобно начинать с балансировки динамического объекта при произвольной высоте и скорости. Балансировочная точка определяется из условий отклонения всех органов управления таким образом, чтобы сумма всех сил и моментов была бы равна нулю. Каждая из этих моделей представлена в виде структур в формате Matlab, используемых при синтезе законов управления. В процессе выполнения работы методом параметрического синтеза получены оптимальные значения параметров регуляторов для всех каналов стабилизации и всех моделей. На основе анализа этих регуляторов предложены робастные законы управления, обеспечивающие устойчивость и приемлемое качество регулирования для всех режимов полета. Показано, предложенные робастные законы управления обеспечивают приемлемое качество процессов маневрирования. В работе указано, что дальнейшее улучшение качества процессов стабилизации возможно за счет настроения системы с настройкой параметров оптимальных для каждого режима в зависимости от скорости и высоты. Это возможно в рамках использования нелинейных или адаптивных систем. Такие исследования планируются на следующие этапы работы при ее продлении. Разработаны алгоритмы управления быстрым набором высоты для вертикального облета препятствий. Показано, что для создания достаточной подъемной силы при уменьшении экранного эффекта необходимо одновременно с подъемом увеличивать скорость полета. В работе показано, что одновременно с системой управления высотой должны синхронно работать системы угловой стабилизации система управления скоростью полета. По этой причине в работе исследована многосвязная система управления угловой стабилизации и управления центром масс. Отдельно рассмотрена система управления плоским горизонтальным маневром. Достоинство этого метода уклонения от препятствий заключается в том, что при таком маневре сохраняются все положительные свойства экранопланов по экономии топлива. Кроме того, постоянная малая высота полета сохраняет его незаметность на всем протяжении маневра. Рассмотрены методы формирования оптимального маневра, определены его параметры. Возможно эффективным путем снижения времени на маневр уклонения от препятствия является комбинация подъема, накренения и горизонтального маневра. Автоматизацию такого маневра предполагается исследовать при продлении работы. Выполнение подобных операций в ручном режиме сопряжено со значительными трудностями из-за отмеченных выше существенных зависимостях динамических свойств и свойств управляемости от высоты и скорости. Быстрое изменение балансировки при отрыве от экрана и сложным маневром в продольной и боковой плоскостях может привести к попаданию в области потери устойчивости или управляемости. Особенностью полета экраноплана является действие на его корпус мощных периодических и импульсных нагрузок, вызванных неровностями подстилающей поверхности, особенно интенсивных при значительном волнении морской поверхности. Такие нагрузки способны вызвать упругие деформации корпуса экраноплана, особенно если его собственные частоты совпадут частотой внешних воздействии. В работе рассмотрены пути исследования таких колебаний и определены методы их подавления