AERIS APT-1: томография воздушного потока

Большинство малых беспилотных авиационных систем получает информацию о воздушном потоке из ограниченного набора источников: датчика воздушной скорости, инерциальной системы и, в более сложных конфигурациях, отдельных датчиков угла атаки или скольжения. Этого достаточно для многих режимов полёта, но такая схема практически не показывает, что происходит с потоком в разных частях летательного аппарата.

AERIS APT-1 — Active Pressure Tomography — исследует другой подход. Система использует распределённые точки измерения давления на поверхности БПЛА и объединяет их показания с данными о движении аппарата. Задача APT-1 состоит не в регистрации одного параметра, а в восстановлении более полной картины текущего аэродинамического состояния.

От отдельного датчика к распределённому измерению

Давление на поверхности летательного аппарата меняется в зависимости от скорости, угла атаки, скольжения, манёвра, порывов и характера локального обтекания. Поэтому несколько измерений, выполненных в разных областях поверхности, содержат значительно больше информации о состоянии потока, чем одна точка полного или статического давления.

В APT-1 распределённые точки давления рассматриваются как элементы единой измерительной системы. Полученные значения сопоставляются с данными инерциальных датчиков, воздушной скоростью и текущим состоянием аппарата. На этой основе формируется оценка аэродинамического режима.

• распределённые точки отбора давления фиксируют пространственные различия обтекания;
• бортовые данные позволяют связать измерения с движением летательного аппарата;
• математическая модель восстанавливает параметры, которые не измеряются непосредственно;
• последовательные измерения позволяют наблюдать изменение состояния потока во времени.

Почему APT-1 называется томографией

В классической томографии внутреннее состояние объекта восстанавливается по набору косвенных измерений. В APT-1 используется похожий принцип на уровне аэродинамической задачи: система получает ограниченный набор наблюдений давления и по их совокупности оценивает состояние воздушного потока вокруг аппарата.

Это принципиально отличается от схемы, где каждому интересующему параметру соответствует собственный специализированный датчик. APT-1 рассматривает несколько физических измерений как исходные данные для реконструкции общей картины.

В исследовательской архитектуре APT-1 рассматриваются оценки угла атаки, бокового скольжения, воздействия порывов, асимметрии аэродинамической нагрузки и признаков приближения к неблагоприятным режимам обтекания.

Измерять не всё, а наиболее информативное

Один из исследуемых принципов APT-1 — последовательная работа с распределёнными точками давления вместо обязательного одновременного оснащения каждой точки отдельным измерительным каналом. Такой подход позволяет рассматривать измерительную систему как активную: она может определять, какие наблюдения наиболее полезны для уточнения текущей оценки.

Если модель уверенно определяет состояние по уже полученным данным, дополнительные измерения могут иметь небольшую ценность. Если же неопределённость возрастает, система может использовать измерения из других областей поверхности, где ожидается наибольшая информационная ценность.

В результате задача сводится не только к вопросу «какое давление сейчас измерено», но и к вопросу «какое следующее измерение позволит лучше всего понять текущее состояние потока».

Реконструкция аэродинамического состояния

Распределение давления зависит одновременно от геометрии аппарата, режима полёта и внешних возмущений. Поэтому отдельное значение само по себе малоинформативно. Для APT-1 важна совокупность признаков и их изменение относительно ранее наблюдавшихся состояний.

Для реконструкции могут использоваться модели, обученные на данных расчётов, наземных испытаний и реальных полётов. По мере накопления экспериментальных данных появляется возможность сопоставлять конкретные распределения давления с известными режимами и формировать аэродинамическую модель конкретного летательного аппарата.

• оценка угла атаки и бокового скольжения;
• обнаружение быстрого изменения локального давления при порыве;
• выявление различий между левыми и правыми участками аппарата;
• наблюдение за изменением характера обтекания при манёвре;
• поиск признаков приближения к режимам с повышенной аэродинамической неопределённостью.

Индивидуальная модель летательного аппарата

Даже аппараты одной конструкции в реальной эксплуатации не являются полностью идентичными. На их характеристики влияют производственные отклонения, распределение массы, состояние поверхности, установленная полезная нагрузка и другие факторы.

Поэтому одно из направлений исследований APT-1 связано с формированием собственного аэродинамического набора данных для конкретного экземпляра. Вместо использования только заранее заданной универсальной модели система постепенно накапливает связь между измеряемым давлением, движением аппарата и фактическими режимами полёта.

Такой набор данных может использоваться для диагностики, сравнения режимов, последующей обработки полётных испытаний и уточнения алгоритмов оценки состояния.

Летающая лаборатория

APT-1 разрабатывается как исследовательская технология, требующая проверки в реальном потоке. Расчётные модели и наземные эксперименты позволяют построить исходные зависимости, однако именно полёт создаёт сочетание порывов, вибраций, манёвров и переходных режимов, которое необходимо для проверки метода.

Одной из платформ для экспериментальной отработки APT-1 рассматривается летающая лаборатория на базе робота AERIS A1. Она должна позволить синхронно регистрировать давление, параметры движения и состояние БПЛА, а затем сопоставлять реконструированное состояние потока с фактически наблюдаемым поведением аппарата.

Ограничения исследовательского подхода

Распределённые измерения сами по себе не гарантируют точной реконструкции. Результат зависит от расположения точек отбора давления, качества измерительных каналов, синхронизации данных, диапазона исследованных режимов и способности модели отличать похожие аэродинамические состояния.

Отдельная задача связана с переносимостью модели между различными конфигурациями аппарата. Изменение геометрии, массы или полезной нагрузки способно изменить наблюдаемое распределение давления, поэтому такие изменения должны учитываться при построении и проверке модели.

• ошибки и задержки измерений влияют на качество реконструкции;
• расположение точек давления определяет информативность исходных данных;
• неисследованные режимы могут повышать неопределённость оценки;
• модель должна проходить проверку на данных реальных полётных испытаний.

Задача AERIS APT-1

Цель проекта — проверить, насколько далеко можно перейти от отдельных аэрометрических измерений к распределённому восприятию аэродинамического состояния аппарата.

APT-1 рассматривает поверхность БПЛА как источник пространственно связанных данных о потоке. Если экспериментальная программа подтвердит достаточную точность реконструкции, такой подход позволит получать информацию о режимах полёта и внешних возмущениях, которые трудно наблюдать с помощью одного традиционного аэрометрического канала.

AERIS APT-1 находится на стадии исследований и экспериментальной проверки. Задача проекта — не заменить существующие средства измерения декларативно, а определить границы применимости распределённой аэродинамической реконструкции на реальном беспилотном аппарате.