Методика исследования устойчивости экраноплана на основе полнофакторной математической модели динамики его движения и системы управления Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Таким образом, разработанный амортизатор обладает хорошими демпфирующими свойствами и жесткостью. А небольшие массогабаритные характеристики и простота изготовления конструкции позволяют

применять его с минимальными доработками в различных приборах, выпускаемых на предприятии.

© Васильцов А. А., Липовцев А. А., 2014

УДК 629.7.016

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКРАНОПЛАНА НА ОСНОВЕ ПОЛНОФАКТОРНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Ю. Ф. Вшивков, Е. А. Галушко, Д. А. Гусельников, С. М. Кривель, Н. А. Шелков

Иркутский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации Российская Федерация, 664047, г. Иркутск, ул. Коммунаров, 3. E-mail: [email protected]

На основе анализа проблемы обеспечения приемлемой устойчивости экраноплана в широком смысле предлагается методика исследования параметров устойчивости и анализа влияния конструктивно-компоновочных параметров и характеристик системы управления на его устойчивость и управляемость. Методика основывается на серии численных экспериментов по решению полной системы уравнений динамики движения экраноплана с учетом интересующих факторов. Используется достаточно полная математическая модель системы управления. Достоверность исследований обеспечивается получением аэродинамических характеристик экраноплана с использованием пакета Ansys в стационарной и нестационарной постановках задачи с применением всего инструментария Ansys. Достоверность расчета аэродинамических характеристик подтверждается методическими исследованиями авторов.

Ключевые слова: экраноплан, система управления, оптимальное управление, устойчивость экраноплана.

SYNTHESIS OF EFFICIENT AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF WIG J. F. Vshivkov, E. A. Galushko, D. A. Guselnikov, S. M. Krivel, N. A. Shelkov

Irkutsk branch of Moscow State Technical University of Civil Aviation 3, Communards str., Irkutsk, 664047, Russian Federation. E-mail: [email protected]

Based on the analysis of the problem of providing an acceptable stability of WIG in a broad sense, a method is proposed to study the stability parameters and analysis of the impact of design-layout parameters and characteristics of the control system on its sustainability. The method is based on a series of numerical experiments on the solution of the full system dynamics WIG taking into account interest factors. A mathematical model of the control system almost without simplifications is used. The reliability of the research is ensured by obtaining aerodynamic characteristics of WIG using Ansys in steady and unsteady formulations of the problem applying the Ansys tools only. The accuracy of the calculation of aerodynamic characteristics is confirmed by the authors' methodical research.

Keywords: WIG, control system, optimal control, stability WIG.

Проблема обеспечения приемлемых характеристик устойчивости и управляемости летательного аппарата (ЛА) на этапе проектирования является исключительно ответственной и сложной задачей. Как правило, ЛА является в широком смысле динамически неустойчивым объектом и сложным объектом управления. Поэтому принято определять приемлемость характеристик устойчивости и управляемости как совокупность частных характеристик устойчивости и управляемости по отдельным параметрам, например по углу атаки, скорости и т. п. Если в качестве объекта исследования выступает экраноплан, задача существенно усложняется. Во-первых, отстояние от экрана (высота полета) является одним из определяющих факторов аэродинамических характеристик непосредствен-

но. Кроме этого усиливается нелинейность в зависимостях аэродинамических характеристик от других кинематических параметров (угла атаки, углов отклонения рулевых поверхностей и т. д.). Существенно усложняются и становятся более значимыми с точки зрения влияния на динамику движения нестационарные эффекты. Во-вторых, вследствие близости подстилающей поверхности возрастают требования к устойчивости и точности управления экраноплана. Вынужденно принимаются к рассмотрению «нетрадиционные» параметры устойчивости ЛА, например, по высоте полета (отстоянию от экрана), по углу тангажа и т. п. Задача существенно усложняется при наличии неровностей подстилающей поверхности и приземной турбулентности атмосферы.

Решетневскуе чтения. 2014

Общепринятым подходом к оценке устойчивости и управляемости ЛА на этапе проектирования является критериальный подход [1-3]. Такой подход обладает несомненными преимуществами благодаря «прозрачности» влияния различных факторов на критерии. Однако в динамически сложных случаях, в том числе и для экраноплана, критерии часто приобретают узкую область применения и не характеризуют комплекс динамических свойств объекта в целом. В силу математической сложности и физической неочевидности затрудняется использование таких критериев на этапе проектирования.

В работе предлагается и реализован в виде математических моделей и методики следующий подход.

Устойчивость и управляемость экраноплана оценивается качественными и количественными показателями пространственного движения экраноплана на основе решения относительно полной системы дифференциальных уравнений динамики движения. За основу моделирования динамики возмущенного движения принят традиционный подход [4].

Экраноплан рассматривается как твердое тело (без учета влияния упругих деформаций конструкции на его форму) изменяемой геометрической формы (за счет отклонения управляющих поверхностей). Уравнения динамики решаются в связанной системе координат. Для определения всего комплекса параметров полета используются кинематические соотношения. В качестве платформы математического моделирования используется система Ма1ЬаЪ. Параметры отклонения рулевых поверхностей формируются на основе математической модели системы управления экрано-плана, законов работы автоматической системы обеспечения устойчивости и управляемости и управляющих входных сигналов. В основу моделирования системы управления положены подходы работы [5]. Математическая модель системы управления создана в системе Ма1ЬаЪ - БтиИпк.

Основная проблема моделирования состоит в определении и формировании комплекса аэродинамических характеристик экраноплана. В рамках настоящей работы для представления аэродинамических характеристик (коэффициентов) используется традиционный подход, когда коэффициенты представляются в виде ряда по влияющим факторам [6]. Комплекс характеристик определяется с использованием системы АшуБ. В качестве объекта исследования принят базовый вариант компоновки экраноплана. Производные аэродинамических характеристик определяются численным дифференцированием по конкретным параметрам на основе расчетов аэродинамических характеристик. Вращательные производные коэффициентов, нестационарные аэродинамические характеристики определяются решением задачи в АшуБ в нестационарной постановке и методами численного дифференцирования.

С целью оценки области кинематических параметров применимости АшуБ к решению поставленных задач и достоверности результатов выполнены методические исследования на основе сопоставления ре-

зультатов расчета с экспериментальными данными и результатами моделирования других авторов.

Устойчивость и управляемость оцениваются по результатам качественного и формализованного анализа параметров возмущенного движения экраноплана при стандартном наборе входных возмущающих параметров (внешних возмущений или управляющих воздействий). Результаты моделирования позволяют оценить непосредственно характер поведения экрано-плана в случае различных возмущений, оценить его динамические устойчивость и управляемость, определить область допустимых конструктивно-компоновочных факторов. Достоинством предлагаемого подхода является реализация достаточно полной математической модели динамики полета экранопла-на еще на этапе предварительного проектирования.

Библиографические ссылки

1. Жуков В. И. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана. М. : Изд. отдел ЦАГИ, 1997. 81 с.: ил.

2. Экранопланы - транспортные суда 21 века / А. И. Маскалик, Р. А. Нагапетян и др. СПб. : Судостроение, 2005. 576 с.: ил.

3. Пашковский И. М. Динамика и управляемость самолета. М. : Машиностроение, 1987. 248 с.

4. Бюшгенс Г. С., Студнев Р. В. Динамика самолета. Пространственное движение. М. : Машиностроение, 1983. 320 с.: ил.

5. Оболенский Ю. Г., Ермаков С. А., Сухоруков Р. В. Введение в проектирование систем авиационных рулевых приводов. М. : Изд-во ГУП г. Москвы «Окружная газета ЮЗАО», 2011. 344 с.: ил.

6. Белоцерковский С. М., Скрипач Б. К. Аэродинамические производные летательного аппарата и крыла при дозвуковых скоростях. М. : Наука, 1975.

References

1. Zhukov V. I. Peculiarities of aerodynamics, stability and control WIG. M. : Publishing Department of CAI, 1997. 81 p.: ill.

2. The WIG - transport ships of the 21st century / A. I. Moskalik, R. A. Nahapetyan, etc. SPb. : Shipbuilding, 2005. 576 p.: ill.

3. Pashkowski I. M. Dynamics and controllability of the aircraft. M. : Mashinostroenie, 1987. 248 p.: ill.

4. Bushgens G. S., Studnev W. Dynamics of the aircraft. Spatial movement. M. : Mashinostroenie, 1983. 320 p.: ill.

5. Obolensky Y. G, Ermakov S. A., Sukhorukov R. W. Introduction to systems engineering aircraft control surface actuators. M. : Publishing house of the state unitary enterprise of Moscow "the District newspaper SWAD", 2011. 344 p.: ill.

6. Belotserkovsky S. M., Skripach B. K. Aerodynamic derivatives of the aircraft and the wing at subsonic speeds. M. : Nauka, 1975.

© Вшивков Ю. Ф., Галушко Е. А., Гусельников Д. А., Кривель С. М., Шелков Н. А., 2014