Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание и исследование новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий и разработка на ее основе мобильного комплекса для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта

Докладчик: Путов Виктор Владимирович

Должность: декан, заведующий кафедрой

Цель проекта:
Исследование и разработка новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий, базирующейся на принципе формирования тормозных режимов измерительного колеса, близких к реальным режимам торможения колёс воздушных судов при посадке. Разработка и исследование высокоточного автоматизированного буксируемого измерительного комплекса с автоматически управляемым электромеханическим устройством торможения измерительного колеса для оперативного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий с целью обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта в экстремальных погодных условиях. Данная задача решается на основе анализа современной научно-технической, нормативной и методической литературы и проведения патентного обзора мировых разработок в области обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта в экстремальных погодных условиях на основе создания мобильных комплексов измерения коэффициента сцепления аэродромных и дорожных покрытий. Цель - Создание и исследование новой технологии непрерывного измерения коэффициента сцепления (коэффициента трения скольжения) колёс воздушного транспорта с покрытием взлётно-посадочных полос, базирующейся на прокатывании измерительного колеса с управляемым скольжением, и разработка на её основе нового поколения высокоточных автоматизированных мобильных (буксируемых) комплексов с электромеханическими устройствами торможения измерительных колёс для непрерывного измерения коэффициента сцепления и прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта в экстремальных погодных условиях. Конечный продукт, создаваемый с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта - новая технология непрерывного измерения коэффициента сцепления (коэффициента трения скольжения) колёс воздушного транспорта с покрытием взлётно-посадочных полос и высокоточный автоматизированный мобильный (буксируемый) измерительный комплекс нового поколения для адекватной оценки реального распределения свойств сцепления колес авиашасси с покрытием взлетно-посадочных полос вдоль предполагаемого тормозного пути приземляющегося воздушного транспорта с целью обеспечения его безопасной посадки в экстремальных погодных условиях

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности)
По результатам исследований в проекте предполагается разработать автоматизируемый буксируемый измерительный комплекс нового поколения с автоматическим управляемым электромеханическим устройством имитации режимов торможения измерительного колеса, приближающихся к режимам реального торможения колёс авиашасси на посадке, обеспечиваемым самолётными автоматами торможения, что позволит повысить точность измерений располагаемых значений коэффициента сцепления ВПП. Это позволит увеличить точность определения границы допустимого значения коэффициента сцепления, ниже которого контрольно-диспетчерский пункт аэродромов отклоняет посадку воздушных судов, и тем самым сократить число отказов в посадке подлетающих самолётов, когда измерения с помощью существующих установок с кинематически заданным скольжением дают повод к такому отказу, что влечёт материальные и иные потери пассажиров, аэропортов и страховых компаний.

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции
Мобильные комплексы, создаваемые в рамках реализации проекта являются новой продукцией и не имеют отечественных и зарубежных аналогов, так как в них впервые реализуется гибкая и более совершенная технология непрерывного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий, базирующаяся на управляемом торможении измерительного колеса, позволяющая автоматически управлять режимами торможения, сближая их с реальными режимами торможения колес шасси воздушного транспорта при приземлении, и тем самым обеспечивая более надежные и достоверные оценки предполагаемого тормозного пути приземляющегося воздушного транспорта, тогда как во всех существующих в мире установках аналогичного назначения измерительное колесо прокатывается с принудительно заданным кинематически с помощью понижающего редуктора постоянным (не управляемым) скольжением, что не соответствует реальным режимам торможения колес авиашасси, обеспечиваемым самолетными автоматами торможения (антиюзовой автоматикой).
Основные технические характеристики продукции определяются современными требованиями, вырабатываемыми международными и национальными сообществами разработчиков – поставщиков и эксплуатационников – потребителей измерителей коэффициента сцепления (трения), такими, как ICAO (International Civil Avio Organization), FAA (Federal Aviation Administration USA), ASMTL (American Society for Testing Materials), МАК (Международный авиационный комитет), НИИ ГПИ «АЭРОПРОЕКТ» (Москва) и др, и отражаются в международных и национальных руководствах, таких как Airport Servises Manual ICAO, РЭГА РФ (Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов РФ), FAA Federal Aviation Administration и др.

3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений
Уникальность создаваемых мобильных измерительных комплексов непрерывного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий состоит в том, что они обладают следующими основными конкурентными преимуществами, недостижимыми в лучших мировых аналогах:
 Измерительное колесо в создаваемых комплексах нового поколения не связано кинематически с несущими колесами. Для независимого управления тормозными режимами измерительного колеса его кинематически соединяют с электрической машиной, работающей в режиме тормозного генератора. Управляя моментом торможения генератора, возможно формировать любые режимы торможения измерительного колеса с любым наперед заданным постоянным значением (или функцией) скольжения, свойственным самолетным автоматом торможения.
 В силу самой технологии прокатывания измерительного колеса с управляемым электромеханическим торможением создаются предпосылки для осуществления гибкого и глубокого автоматического управления тормозными режимами измерительного колеса, приближая их к действительному характеру торможения колес любых типов самолетов и транспортных средств в любых погодных условиях, что позволяет повысить достоверность и точность оценки реальных тормозных свойств покрытий взлетно-посадочных полос;
 Бортовой микроконтроллер, управляющий электромеханическим устройством торможения, и связанная с ним компьютерная информационно-управляющая станция – пульт управления и индикации - обеспечивают полную автоматизацию и дистанционное управление процессами измерения, вычисления, протоколирования текущих значений коэффициента сцепления, вычисления координат и визуализации на цифровой карте маршрута движения комплекса при измерении коэффициента сцепления, формирования экспертной информации о состоянии аэродромного покрытия, составления протокола измерений и передачи его по GSM – модему на командно-диспетчерский пункт аэродрома для принятия решения о посадке подлетающего воздушного транспорта или отказе в посадке.
В проекте впервые в мире в этой области техники запланированы систематические экспериментальные исследования зависимости проявления эффекта сцепления на одной и различных калиброванных поверхностях с различными значениями нажимной силы на ось измерительного колеса, среднего скольжения колеса, скорости движения оси колеса, непрерывного или дискретного (скачкообразного) изменения скольжения колеса. Проведение таких исследований впервые станет возможным в лабораторных условиях на созданном в СПбГЭТУ многофункциональном электромеханическом стенде со сменными барабанами – имитаторами «бегущих дорожек» с различными калиброванными сцепными свойствами.
Результаты таких исследований в этой области техники будут получены впервые и станут доказательной базой преимуществ предлагаемой новой технологии непрерывного измерения сцепных свойств с помощью прокатывания тормозящего измерительного колеса с управляемым скольжением.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В настоящее время современный облик мобильных установок непрерывного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий основан на кинематическом принципе неуправляемого подтормаживания измерительного колеса с постоянным скольжением. Метод непрерывного предпосадочного оперативного контроля фрикционных свойств ВПП путем прокатывания специального измерительного колеса по поверхности ВПП вдоль по всей ее длине туда и обратно с принудительным подтормаживанием его с постоянным скольжением и одновременным измерением и индикацией текущих значений коэффициента сцепления регламентирован международными организациями ICAO и FAA, а в России – МАК.
Мобильные установки, реализующие метод непрерывного измерения коэффициента скольжения путем прокатывания измерительного колеса по поверхности с постоянным скольжением для оперативного контроля фрикционных свойств взлетно-посадочных полос с искусственным твердым покрытием, хотя они могут использоваться также для автодорожных покрытий, наиболее распространены в мире, заполняют подавляющую долю (до 95%) мирового рынка мобильных средств измерения КС, мировыми лидерами которых является компании-производители, представленные пятью странами (перечислены в порядке убывания рыночной доли, указанной в скобках в %): Швеция (50%), Финляндия (20%), США (12%), Великобритания (5%), Франция (3 %). Россия до сих пор не поставляет на мировой рынок свои изделия в этой области. Наиболее известные компании этих стран выпустили за последние 20 – 30 лет на мировой рынок несколько десятков моделей буксируемых и встроенных в автомобиль установок непрерывного измерения фрикционных свойств поверхности ВПП.
Основными зарубежными конкурентами заявляемого проекта являются наиболее известные в мире компании – разработчики и производители самых распространенных и инновационно «продвинутых» моделей буксируемых и встраиваемых в автомобили мобильных измерительных комплексов, занимающих наиболее широкий и устойчивый сектор мирового производства аэродромной техники наземного обеспечения безопасной посадки воздушных судов гражданской авиации. К ним относятся компании ASFT (Airport Surface Friction Tester) (Швеция), компания ICC - International Cybernetics Corporation (США); компании Tradewind Scientific и Specialist Electronic Services (Великобритания), а также компания Patria Industries Oyj (Финляндия).
Мировым лидером разработки мобильных установок для непрерывного измерения коэффициента сцепления, реализующими принцип механического подтормаживания измерительного колеса с постоянным скольжением, является шведская компания ASFT (Airport Surface Friction Tester). Мобильные установки этой копании используют более 200 аэропортов Европы и Америки. Наиболее полно и современно указанный выше принцип механического подтормаживания реализован в установках ASFT (Airport Surface Friction Tester), установленных на буксируемых установках аэродромного обслуживания моделей Т-10 и Т-5.
В мире существуют и другие разработки систем измерения коэффициентов сцепления с поверхностью, реализующие указанный выше принцип механического подтормаживания измерительного колеса с постоянным скольжением. Таковы например, установка SFT5041 (SFT 5042) американской компании ICC - International Cybernetics Corporation или аналогичная установка английской компании Tradewind Scientific типа Grip Tester, а также установка Mu-Meter английской компании Specialist Electronic Services, состоящие из трехколесной тележки, оборудованной электронной измерительной системой, которая управляется компьютером, а также буксируемая установка для непрерывного контроля коэффициента сцепления типа Skiddometer BV 11, выпускаемая финской компанией «Patria Industries Oyj».
Всего насчитывается более двух десятков мобильных измерителей коэффициента сцепления, прочно закрепившихся на мировом рынке.
На российских аэродромах гражданской авиации уже более 40 лет единственным национальным средством измерения коэффициента сцепления является аэродромная тормозная буксируемая тележка АТТ-2 (АТТ-2Н), в настоящее время уже далеко не удовлетворяющая международным стандартам, глубоко морально устаревшая и требующая замены.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Следует отметить, что задача управления скольжением транспортных колес с целью обеспечения наилучшего торможения остается одной из наиболее известных и в то же время далеких от полного разрешения проблем в области конструирования транспорта. Известно, что на поверхностях, характеризуемых «сухим» трением, наиболее эффективным является торможение вообще без проскальзывания колеса со значениями момента торможения, близкими к моменту «покоя» («трогания»), который соответствует максимальному значению момента трения, а значит, и наилучшему торможению. В действительности, осуществляемое самолетными автоматами торможение определяется не столько самим фактом отсутствия блокировки колес, сколько обеспечением оптимального значения проскальзывания между аэродромным покрытием и пневматиком авиаколес. Реальный процесс торможения, в силу проявления эффекта сухого трения, носит периодический («срывной») характер, осуществляемый самолетными автоматами торможения.
Однако все упомянутые выше известные в мире мобильные установки для измерения коэффициента сцепления прокатывают измерительное колесо по поверхности покрытий принудительно равномерно с постоянным значением скольжения, задаваемым кинематически, поэтому в них нельзя управлять режимами торможения, а это, как следует из вышесказанного, далеко не соответствует действительным режимам торможения колес авиашасси самолетов при посадке. Следовательно, измерения, производимые с помощью таких установок, должны приводить к значительным ошибкам при оценке критического тормозного пути и просчетам в принятии решения о посадке воздушных судов. Авторами проектам выдвинут новый подход в измерении коэффициента сцепления, базирующийся на применении гибкого управления тормозными режимами измерительного колеса, реализуемого с помощью автоматически управляемых электромеханических устройств торможения, выполненных с применением сдвоенных управляемых каскадов электрических машин или одной электрической машины с управляемым реостатным торможением.
Такой подход открывает пути создания принципиально нового класса (нового поколения) мобильных измерительных комплексов с управляемыми режимами скольжения (торможения) измерительного (транспортного) колеса, что позволяет приблизить режимы измерения комплекса к реальным режимам торможения колес воздушного транспорта при посадке и тем самым обеспечить коррелируемость результатов измерения действительным тормозным свойствам аэродромного покрытия и исключить ошибки и просчеты в прогнозировании величин тормозного пути и принятии решения о посадке, которые могут привести к нештатным ситуациям и даже к авариям, сопряженным с гибелью людей.
Риски вложения в данный проект, как и любые риски, подразделяются на систематические и несистематические. Систематические – это риски той системы, «в которой находится предприятие, т.е. риски внешней среды»
К рискам внешней среды можно отнести несколько видов рисков:
1. маркетинговые риски, связанные с нестабильным спросом на товар, конкуренцией на выбранном рынке;
2. контрактные риски, связанные с потенциальной опасностью нахождения ненадёжного поставщика ресурсов;
3. политические риски, связанные с внезапными изменениями законодательства;
4. риски прав интеллектуальной собственности.
К несистемным рискам относят все то, что происходит внутри предприятия, такое, как:
1. риски структуры капитала;
2. «риски ошибочного выбора целей проекта;
3. риски необеспечения проекта финансированием;
4. риски не выдерживания сроков контрактов»
5. операционные (или деловые) риски – риски недополучения доходов с предприятия.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция):
Мобильные комплексы предназначены для круглосуточной и круглогодичной работы в полевых условиях, в первую очередь, на аэродромах гражданской авиации и, согласно руководящим документам министерства транспорта РФ и Федерального агентства воздушного транспорта РФ, должны быть сертифицированы Межгосударственным авиационным комитетом (МАК) и включены в «Перечень специальных средств измерений гражданской авиации РФ» и являются обязательным оборудованием аэродромов гражданской авиации РФ в соответствии с «Руководством по эксплуатации гражданских аэропортов РФ» (РЭГА РФ-95).
Выполнение проекта обеспечит научно-технические основы и конструкторскую и программную базу для создания нового вида продукции – высокоточных автоматизированных мобильных (буксируемых) измерительных комплексов нового поколения для адекватной оценки распределения свойств сцепления колес авиашасси с покрытием взлетно-посадочных полос вдоль предполагаемого тормозного пути приземляющегося воздушного транспорта с целью обеспечения его безопасной посадки в экстремальных погодных условиях.
Возможная область применения - гражданские и военные аэродромы и автомагистрали для контроля состояния дорожных покрытий в экстремальных погодных условиях.
Если под социально-экономическим эффектом понимается «совокупность социальных результатов, получаемых от реализации инвестиций в реальном секторе экономики, проецируемых на качество социальной среды и имеющих как положительные, так и отрицательные значения», то можно прогнозировать наличие широкого положительного результата. Ведь несовершенство существующего мирового парка мобильных средств контроля свойств аэродромных и автодорожных покрытий и необходимость обеспечения гарантированной безопасности посадки воздушных судов и торможения наземных транспортных средств в условиях возрастающих требований к безопасности транспортных средств предъявляют высокие требования к созданию точных, высокоэффективных, отвечающих современным международным требованиям комплексов контроля состояния аэродромных и автодорожных покрытий. В данной области любые расчеты прогнозируемых величин, которые будут отличаться от истинного положения дел, могут оказаться роковыми и привести к авариям и гибели людей
Создание нового поколения мобильных комплексов обеспечения безопасности посадки воздушных судов гражданской авиации, обеспечивающих предпосадочное измерение коэффициента сцепления искусственных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов гражданской авиации и удовлетворяющих современным международным требованиям Международного авиационного комитета (МАК), International Civil Avio Organization (ICAO) и Federal Aviation Administration (FAA) позволит значительно сократить риски аварийности, возникающие вследствие ненадлежащего состояния взлетно-посадочных полос. Такие комплексы предназначены для круглосуточной и круглогодичной работы в полевых условиях, в первую очередь, на аэродромах гражданской авиации.
Учитывая возможные эффекты нельзя забывать и о возможности применения предполагаемых к разработке мобильных комплексов на военных аэродромах и автомагистралях для контроля состояния дорожных покрытий в экстремальных погодных условиях.
Сертификационные требования к измерительным средствам для применения в гражданских аэропортах, особенно, по точности измерения, предъявляемые комиссией по сертификации аэродромов и оборудования МАК, настолько жесткие, что их до сих пор не удалось преодолеть ни одному из зарубежных производителей, пытавшихся освоить российский рынок. Создаваемая разработка по своим характеристикам способна стать новым национальным эталоном, но участвовать в зарубежных форумах и выставках, формируя позитивный имидж России как передовой страны в области обеспечения безопасности воздушных перевозок.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Способы использования - серийное освоение индустриальным партнером разрабатываемой продукции - высокоточных мобильных измерительных комплексов и поставки их потребителям - аэродромов гражданской авиации РФ.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Результаты проекта также могут представить самостоятельную научно-техническую ценность в области создания энергоэффективных электромеханических движителей колес гибридного и экологически чистого электрического транспорта.
Главным технико-экономическим преимуществом создаваемого мобильного комплекса, по сравнению со всеми известными аналогами, является отказ от применения для торможения измерительного колеса понижающего редуктора и отказ от встроенной в ступицу измерительного колеса тензометрической системы, присущие всем известным мировым аналогам. Замена в создаваемом комплексе понижающего редуктора специального исполнения на покупное изделие - серийно изготавливаемый электрический тормозной генератор переменного тока (с реостатным торможением) значительно повышает надежность создаваемой продукции, а отказ от тензометрической системы, встраиваемой в ступицу - основного фактора погрешности измерений, присущего всем известным мировым аналогам - и предлагаемая в проекте тензометрическая система оригинальной конструкции, напрямую связанная с тягой, удерживающей подвеску при торможении, позволяют в создаваемых мобильных комплексах значительно повысить точность измерения коэффициента сцепления.
Таким образом, указанные в проекте наукоемкие разработки одновременно являются и наиболее существенными факторами технико-экономических преимуществ создаваемой продукции по сравнению со всеми известными мировыми аналогами.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы по существующим технологиям измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий, и реализующих эти технологии мобильным измерительным комплексом для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта;
2. Проведены патентные исследования.
3. Проведен анализ существующих технологий измерения коэффициента сцепления колёс воздушного транспорта с покрытием взлётно-посадочных полос и существующих технических решений по мобильным комплексам непрерывного измерения коэффициента сцепления;
4. Выполнено обоснование направлений исследований, проводимых в рамках ПНИ;
5. Разработана структурная схема высокоточного автоматизированного буксируемого измерительного комплекса;
6. Проведены выбор и обоснование структурной схемы автоматически управляемого электромеханического устройства торможения измерительного колеса;
7. Разработана математическая модель электромеханического устройства торможения;
8. Разработаны структурные схемы систем автоматического управления электромеханическим устройством торможения:
а) с подчиненным управлением;
б) с модальным управлением;
в) с адаптивным управлением и параметрической настройкой;
г) с адаптивным управлением и сигнальной настройкой;
д) с интеллектуальным (нейронечетким) управлением.
9. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца электрошкафа управления и автоматики;
10. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца электромеханического устройства торможения;
11. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца подвески измерительного колеса
12. Изготовлен экспериментальный образец электромеханического устройства торможения
13. Изготовлен экспериментальный образец электрошкафа управления и автоматики;
14. Изготовлен экспериментальный образец подвески измерительного колеса.