Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к системам автоматизированного контроля, управления и спасания летательного аппарата и экипажа. Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете содержит подключенные через блок приема и сбора информации к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата блоки: определения величины перепада давления в кабине, сбора информации о профиле полета, анализа исправности гермокабины, анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры, диагностики состояния комплекта кислородного оборудования - выходы которых подключены к входу блока расчета оценки работоспособности летчика, выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата. Достигаемый технический результат заключается в повышении безопасности высотных полетов за счет обеспечения прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете в реальном времени и возможности учета прогностических оценок в законах управления летательным аппаратом, системой обеспечения жизнедеятельности и защитным снаряжением его экипажа. 1 н.п. ф-лы, 0 з.п. ф-лы, 1 илл.

Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике, а именно к системам автоматизированного контроля, управления и спасания летательного аппарата и экипажа.

Из существующего уровня техники известна бортовая активная система безопасности полетов (патент на изобретение RU 2223542, опубл. 10.02.2004 г.), содержащая блоки функциональных измерителей и измерения биомедицинских параметров, соединенные через блок приема и сбора информации с блоком анализа и управления, к которому подключен выходной блок, отличающаяся тем, что в нее введены соединенная с блоком анализа и управления электронно-вычислительная машина и соединенные с ней бортовая цифровая вычислительная машина, пульт управления системой, оптико-прицельный навигационный комплекс, система сигнализации о пожаре, связанная с электронно-вычислительной машиной система дистанционного управления, соединенные с блоком приема и сбора информации система контроля бортового радиоэлектронного оборудования, система оборудования общего назначения и система измерителей массы, соединенная с оптико-прицельным навигационным комплексом и электронно-вычислительной машиной система датчиков уровня топлива, при этом блок приема и сбора информации и выходной блок соединены с электронно-вычислительной машиной и бортовой цифровой вычислительной машиной, а оптико-прицельный навигационный комплекс и система сигнализации о пожаре соединены с входящей в состав выходного блока системой автоматического управления, причем система дистанционного управления связана с пультом управления системой.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение безопасности высотных полетов за счет прогнозирования работоспособности летчика и передачи прогнозной оценки в бортовую цифровую вычислительную машину летательного аппарата для учета при реализации управления им.

Решение технической задачи достигается тем, что устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете включает подключенные через блок приема и сбора информации к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата блоки: определения величины перепада давления в кабине, сбора информации о профиле полета, анализа исправности гермокабины, анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры, диагностики состояния комплекта кислородного оборудования - выходы которых подключены к входу блока расчета оценки работоспособности летчика, выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение безопасности высотных полетов за счет обеспечения прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете в реальном времени и возможности учета прогностических оценок в законах управления летательным аппаратом, системой обеспечения жизнедеятельности и защитным снаряжением его экипажа.

Сущность разработанного устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете поясняется фигурой (фиг. - Схема функциональной взаимосвязи компонентов устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете), на которой схематично обозначены:

1 - Бортовая система регистрации параметров полета летательного аппарата.

2 - Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете.

3 - Бортовая цифровая вычислительная машина.

4 - Блок приема и сбора информации.

5 - Блок анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры.

6 - Блок диагностики состояния комплекта кислородного оборудования.

7 - Блок определения величины перепада давления в кабине.

8 - Блок сбора информации о профиле полета.

9 - Блок анализа исправности гермокабины.

10 - Вычислитель.

11 - Блок расчета высоты полета.

12 - Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при исправной гермокабине.

13 - Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при неисправной гермокабине.

14 - Блок расчета концентрации кислорода.

15 - Блок расчета избыточного давления.

16 - Блок расчета трахеального давления.

17 - Блок расчета резервного времени сохранения работоспособности.

18 - Блок расчета оценки работоспособности летчика

Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете (см. фиг., 2), характеризующееся тем, что оно включает подключенные через блок приема и сбора информации (4) к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата (1) блоки: анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры (5), диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6), определения величины перепада давления в кабине (7), сбора информации о профиле полета (8), анализа исправности гермокабины (9) - выходы которых подключены к входу вычислителя (10), выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине (3) летательного аппарата.

Функционирование разработанного устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете заключается в следующем.

1) Вход устройства подключают к информационной шине бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата (1), а его выход - к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата (3).

2) Данные с информационной шины (1) поступают в блок приема и сбора информации (4) устройства.

3) На основе анализа поступивших данных блок анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры (5) формирует на выходе бинарный кортеж X, состоящий из трех элементов:

X=<x₁, x₂, x₃ >,

где х₁ = {1, если переключатель «100% О₂» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}, x₂ = {1, если переключатель «Авария» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}, х₃ = {1, если переключатель «ВУШ» находится в положении «Включен» и 0 - в противном случае}.

4) На основе анализа поступивших данных блок диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6) формирует на выходе бинарный кортеж Y, состоящий из пяти элементов:

Y=<y₁, y₂, y₃, y₄, y₅>,

где y₁ = {1, если зафиксировано событие «Отсутствует кислород» и 0 - в противном случае}, y₂ = {1, если зафиксировано событие «Отказ кислородно-дыхательной аппаратуры» и 0 - в противном случае}, y₃ = {1, если зафиксировано событие «Кислородная маска не подсоединена» и 0 - в противном случае}, y₄ = {1, если зафиксировано событие «Компенсатор натяга кислородной маски не подсоединен» и 0 - в противном случае}, y₅ = {1, если зафиксировано событие «Отказ высотного компенсирующего костюма» и 0 - в противном случае}.

5) На основе анализа поступивших данных блок определения величины перепада давления в кабине (7) формирует на выходе величину перепада давления в кабине летательного аппарата (p, Па).

6) На основе анализа поступивших данных блок сбора информации о профиле полета (8) формирует на выходе описание профиля полета летательного аппарата в виде последовательности пар: высота полета (ее, как правило, определяют с дискретностью 100 м) - время полета на этой высоте (в секундах).

7) На основе анализа поступивших данных блок анализа исправности гермокабины (9) формирует на выходе бинарный сигнал z={1, если зафиксировано событие «Гермокабина летательного аппарата исправна» и 0 - в противном случае}.

8) На основе информации с выходов блоков (5)-(9) вычислитель (10) осуществляет расчет оценки работоспособности.

9) Блок расчета высоты полета (11) осуществляет расчет величины атмосферного давления (р, Па) от текущей высоты полета (высоты над уровнем моря h_n, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и р, Па с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:

,

где h_i и h_i-1 - узлы интерполяции, a h_i-1h_n<h_i.

10) Блок расчета «высоты» и барометрического давления в кабине при исправной гермокабине (12) активируется при появлении на выходе блока анализа исправности гермокабины (9) сигнала z=1 и осуществляет расчет:

- «высоты» в кабине (h_k, м) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и h_к , м с учетом режима регуляции давления в гермокабине конкретного летательного аппарата, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:

,

где h_i и h_i-1 - узлы интерполяции, a h_i-1h_nh_i.

- барометрического давления в кабине (р_к, Па) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения h, м и h_к , м с учетом режима регуляции давления в гермокабине конкретного летательного аппарата, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:

,

где h_i и h_i-1 - узлы интерполяции, а h_i-1h_n<h_i.

12) Блок расчета концентрации кислорода (14) осуществляет расчет концентрации кислорода в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата (с, ед.) по формуле:

,

где c(h) - функциональная зависимость концентрации кислорода в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата (с, ед.) в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения с, ед. и h, м, с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:

,

где h_i и h_i-1 - узлы интерполяции, h_i-1h_n<h_i.

13) Блок расчета избыточного давления (15) осуществляет расчет избыточного давления (р_ИД, Па) в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата в зависимости от текущей высоты над уровнем моря (h, м):

где р_ИД(h) - функциональная зависимость избыточного давления (р_ИД, Па) в кислородно-дыхательной аппаратуре летательного аппарата от высоты над уровнем моря (h, м) на основании хранимой во внутренней памяти блока типовой таблице, связывающей значения р_ИД, Па и h, м, учитывая исправность/неисправность высотного компенсирующего костюма (определяемую по значению сигнала y₅ с выхода блока диагностики состояния комплекта кислородного оборудования (6)), с использованием алгоритма кусочно-линейной интерполяции:

,

где h_i и h_i-1 - узлы интерполяции, a h_i-1h_n<h_i.

Блок расчета трахеального давления (16) осуществляет расчет парциального давления кислорода в трахеальном воздухе (p_mp, Па) по формуле:

P_mp=с(р_кабины-47+р_ИД ).

15) Блок расчета резервного времени сохранения работоспособности (17) осуществляет расчет минимального (t _мin, с), модального (t_mod, с) и максимального (t_max, с) значений резервного времени сохранения работоспособности по величине парциального давления кислорода в трахеальном воздухе (p_mp, Па) по формулам:

,

,

.

16) Блок расчета оценки работоспособности летчика (18) осуществляет расчет вероятности потери работоспособности (w, ед.) по величинам минимального (t_min, с), модального (t_mod, с) и максимального (t_max, с) значений резервного времени сохранения работоспособности и длительности этапа полета (t_этaпa, с), получаемого с выхода блока блок сбора информации о профиле полета (8), на основе алгоритма кусочно-линейной интерполяции усеченного нормального распределения:

,

где - функция Лапласа (таблица ее значений, являющаяся стандартной, хранится во внутренней памяти блока расчета оценки работоспособности летчика).

17) Рассчитанную оценку вероятности потери работоспособности (w, ед.) передают в бортовую цифровую вычислительную машину (3) для дальнейшего использования в законах управления летательным аппаратом и системой обеспечения жизнедеятельности его экипажа.

Таким образом, описанные элементы заявляемого устройства для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете функционально взаимосвязаны и находятся в конструктивном единстве, а совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники. Поэтому, по мнению заявителей, заявляемое устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете представляет собой новое техническое решение, относящееся к классу систем автоматизированного контроля, управления и спасания летательного аппарата и экипажа.

Корректность разработанного подхода к прогнозированию работоспособности летчика в высотном полете подтверждена при решении нескольких задач в рамках исследований по гранту Российского фонда фундаментальных исследований «Исследования по совершенствованию технологий адаптивного управления человеко-машинными системами, эксплуатирующимися в условиях высокого риска развития гипоксических состояний оператора» (12-08-01273-а).

В частности при расследовании катастрофы самолета Су-27п, выполнявшим полет после замены двух двигателей в простых метеоусловиях. В период с 15:49:17 по 15:51:51 (чч:мм:сс) полета на этапе «разгон Маха» произошла быстрая потеря работоспособности летчика. Причиной быстрого (в течение 1-1,5 мин) и выраженного нарушения работоспособности летчика, по-видимому, стало воздействие высотных факторов полета и, в первую очередь, выраженной степени кислородного голодания (гипоксии).

Причиной резкого снижения кислородного обеспечения могла быть взрывная декомпрессия, осложненная нештатной работой кислородного оборудования и высотного снаряжения. Однако, принимая во внимание тот факт, что летчик находился в защитном снаряжении (ВКК-6, ЗШ-7 и КМ-34Д серии 2), гарантирующем защиту от баротравмы легких и сохранение работоспособности в течение 3 мин при разгерметизации кабины этого типа летательных аппаратов (и, прежде всего, при взрывной декомпрессии) во всем диапазоне высот считалось, что наряду с фактором разгерметизации действовал и другой опасный фактор -нарушение правил эксплуатации защитного снаряжения и системы обеспечения жизнедеятельности. Возможные причины авиационного происшествия проанализированы с помощью математической модели заявляемого устройства, в результате чего, на основании рассчитанных прогностических оценок работоспособности летчика в высотном полете установлено, что кабина самолета была разгерметизирована (моделирование условий полета с герметичной кабиной показало, что величина парциального давления кислорода в трахеальном воздухе в течение полета остается в коридоре нормы и величина w остается равной нулю), а разрыв высотного компенсирующего костюма привел бы к катастрофе только в сочетании с какой-либо другой причиной, поскольку полет с негерметичной кабиной и разорванным высотным компенсирующим костюмом при отсутствии других повреждений системы обеспечения жизнедеятельности в рассматриваемых условиях не являлся опасным. Поэтому катастрофа произошла вследствие одной из следующих физиологически эквивалентных причин: негерметичное прилегание кислородной макси к лицу из-за ее смещения вследствие пилотажной перегрузки, неподсоединение штуцера кислородной маски и компенсатора натяга защитного шлема, выход из строя компенсированного клапана выдоха. Эти обстоятельства отражены в акте расследования катастрофы.

Если бы заявляемое устройство было установлено на борту летательного аппарата, то катастрофу можно было бы предотвратить, своевременно получив прогнозную оценку работоспособности летчика в полете, на основании которой дать сигнал летчику или обеспечить включение автопилота с автоматическим выводом самолета в горизонтальный полет на высоте 3000 м до восстановления работоспособности летчиком.

Заявляемое устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете является промышленно применимым, поскольку может быть реализовано предприятиями (организациями) авиационной промышленности при промышленном производстве информационно-измерительных, вычислительных, информационных систем и программно-аппаратных комплексов летательных аппаратов.

Устройство для прогнозирования работоспособности летчика в высотном полете, характеризующееся тем, что оно включает подключенные через блок приема и сбора информации к бортовой системе регистрации параметров полета летательного аппарата блоки: определения величины перепада давления в кабине, сбора информации о профиле полета, анализа исправности гермокабины, анализа режима работы кислородно-дыхательной аппаратуры, диагностики состояния комплекта кислородного оборудования, выходы которых подключены к входу блока расчета оценки работоспособности летчика, выход которого подключен к бортовой цифровой вычислительной машине летательного аппарата.