Research and optimization of the descent phase of civil aviation aircraft in the vertical navigation problem

Cover Page

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The solution of the problem of forming the high-altitude and high-speed flight profile of civil and military transport aircraft at the phase of descent and optimization according to the economic criterion is carried out using a dynamic model of the movement of the center of mass in the vertical plane. The model takes into account the change in the mass of the aircraft and the systematic component of wind speed. The aerodynamic characteristics of the aircraft, its weight, as well as the altitude-speed and throttle characteristics of the engines are close to a modern standard medium-haul aircraft. A classification of decline trajectories is proposed. For each type of such trajectories, many parameters have been defined that uniquely characterize their properties, and the values of quality criteria that consider the cost and cost of fuel. The influence (relevance) of these parameters on the criteria and properties of trajectories has been assessed. The task of optimizing the phase of descent with the provision of a given time for its execution is formulated. The necessary and sufficient conditions for its feasibility have been obtained. An example of solving this problem for a typical medium-haul aircraft is considered.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Golubeva

FAI GosNIIAS

Author for correspondence.
Email: aagolubeva@gosniias.ru
Russian Federation, Moscow

N. V. Kulanov

FAI GosNIIAS

Email: kulanov_nv@gosniias.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Маркин Н.Н., Чистов М.С. Терминальное управление посадкой пассажирского самолета // Тр. МАИ. 2010. Вып. 41.
  2. Sang Gyun Park, John-Paul Clarke. Vertical Trajectory Optimization for Continuous Descent Arrival Procedure // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. Minneapolis, 2012. August.
  3. Lim Y., Gardi A., Sabatini R., Ranasinghe K., Ezer N., Rodgers K., Salluce D. Optimal Energy-based 4D Guidance and Control for Terminal Descent Operations // Aerospace Science and Technology. 2019. V. 95.
  4. Гревцов Н.М., Тегин А.В. Формирование управления самолетом для отслеживания траектории в задаче четырехмерной навигации // Уч. зап. ЦАГИ. 2000. Т. ХХХI. № 1, 2.
  5. Grevtsov N., Dymchenko A. Application of Suboptimal 4-D Navigation Algorithms for Flight Planning and Control Considering Weather Conditions // 29 Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. St. Peterburg, 2014.
  6. Betts J.T., Cramer E.J. Application of Direct Transcription to Commercial Aircraft Trajectory Optimization // J. Guidance, Control, and Dynamics. 1995. V. 18. № 1.
  7. Benson D.A. A Gauss Pseudospectral Transcription for Optimal Control // Ph.D. Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, 2004.
  8. Agamawi Y.M., Rao A.V. “CGPOPS: A C++ Software for Solving Multiple-Phase Optimal Control Problems Using Adaptive Gaussian Quadrature Collocation and Sparse Nonlinear Programming” // University of Florida, ACM Trans. Math. Softw. 2020. V. 46. № 3. Article 25.
  9. Bedrossian N., Bhatt S., Lammers M., Nguyen L., Zhang Y. First Ever Flight Demonstration of Zero Propellant Maneuver Attitude Control Concept // AIAA GN&C Conference. Hilton Head, 2007.
  10. Прутько А.А. Оптимальные по расходу топлива траектории переориентации крупногабаритных космических конструкций: дис. … канд. техн. наук. Королев, 2021.
  11. Valenzuela A. Aircraft Trajectory Optimization Using Parametric Optimization Theory // Doctoral Thesis, Universidad de Sevilla, 2012.
  12. Franco A., Valenzuela A., Rivas D. Optimality of Standard Flight Procedures of Commercial Aircraft // 5th European Conf. for Aeronautics and Space Sciences. Munich. Germany, 2013.
  13. Голубева А.А., Куланов Н.В. Методика выбора значений параметров этапа взлет самолетов гражданской, военно-транспортной авиации и беспилотных летательных аппаратов // Изв. РАН. ТиСУ. 2019. № 6.
  14. Голубева А.А., Куланов Н.В. Методика и оптимизация этапа набора высоты в задаче вертикальной навигации самолетов гражданской и военно-транспортной авиации // Изв. РАН. ТиСУ. 2021. № 4.
  15. Голубева А.А., Куланов Н.В. Исследования и оптимизация этапа крейсерского полета самолетов гражданской авиации в задаче вертикальной навигации // Изв. РАН. ТиСУ. 2022. №5.
  16. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. 3-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2007.
  17. Григоров П.Ю., Куланов Н.В. Применение концепции обратных задач динамики в задачах вертикальной навигации // Изв. РАН. ТиСУ. 2016. № 3. С. 141–154.
  18. Калинина Е.А., Утешев А.Ю. Теория исключения: учеб. пособие. СПб.: НИИ химии СПбГУ, 2002.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Airspace zone of the arrival airport.

Download (164KB)
3. Fig. 2. Flight altitude and speed profile of the aircraft during the descent stage.

Download (106KB)
4. Fig. 2. Flight altitude and speed profile of the aircraft during the descent stage.

Download (411KB)
5. Fig. 4. Sections of the surface of a given arrival time by planes = 271, 274, 277, 280 kt.

Download (127KB)
6. Fig. 5. Sections of the fuel consumption criterion surface by planes = 271, 274, 277, 280 kt.

Download (134KB)
7. Fig. 6. Surface of the values ​​of the parameters , Hсн, ar, at which the reduction time is equal to the specified value.

Download (132KB)
8. Fig. 7. Fuel consumption surface on descent stage trajectories.

Download (130KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».