CC BY
51
УДК 629.735
В. В. Вышинский1'2, В. К. Иванов3, А. В. Терпугов3
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
2 Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н. Е. Жуковского
3РСК «МиГ»
Моделирование сложных режимов полёта на пилотажных стендах с учётом атмосферной
турбулентности
Приведено краткое описание модифицированной модели динамики самолёта МиГ-29К, разработанной для моделирующего комплекса РСК «МиГ». Модель учитывает воздействие атмосферной турбулентности как природного, так и искусственного происхождения на самолёт при выполнении сложных режимов полёта.
Ключевые слова: орографическая турбулентность, безопасность полёта, пилотажный стенд, авиационные факторы риска.
1. Введение
Мощным средством проведения исследований на этапах разработки, проектирования и эксплуатации летательных аппаратов (ЛА) являются комплексы (стенды) полунатурного моделирования движения самолета. На таких стендах с участием летчика проводится исследование характеристик самолета, отрабатывается система управления и новые способы пилотирования, формируются рекомендации по выполнению полетов, в том числе в особых случаях (отказы, сложные метеоусловия, групповое пилотирование и т. д.), подготовка лётчиков-испытателей к проведению лётных испытаний. Отработанные на таких комплексах математические модели самолета используются в тренажерах экипажа. Важным элементом моделирующих комплексов и тренажеров является система визуализации окружающего пространства для имитации визуального полета. Чем реалистичнее реализовано изображение, тем достовернее результат исследования на стенде и лучше подготовка летчика на тренажере. Существующие тренажеры и стенды из-за отсутствия глубины изображения окружающего пространства, реализуемого системами визуализации, не позволяют в должной мере проводить обучение и исследование режимов точного пилотирования. В РСК «МиГ» разработан моделирующий комплекс с системой визуализации, воспроизводящей стереоэффект на расстоянии от глаза летчика от одного до двухсот метров. Использование стереоскопической системы визуализации обеспечивает необходимую глубину изображения при выполнении полетов строем, заправки в воздухе, взлёта и посадки на тактический авианесущий крейсер (ТАКР), рулении по палубе авианосца и взлётно-посадочной полосе (ВПП), а также создает визуальное ощущение высоты при выполнении посадки с выравниванием на ВПП (рис. 1). На этих же расстояниях в наибольшей мере проявляется взаимное влияние рассмотренных объектов, и особенно важным становится реалистичное описание физических процессов, происходящих при их движении.
Турбулентность атмосферы природного или искусственного происхождения является одним из основных авиационных факторов риска. Орографическая турбулентность и когерентные структуры, возникающие при ветровом обтекании горного массива и высоких сооружений, также как и вихревой след за самолётом-заправщиком и спутный след за ТАКР, представляют опасность для ЛА, совершающих заправку в воздухе, взлёт и посадку. Это обусловливает интерес к исследованию воздействия вихревых порывов на самолет и поиску средств повышения безопасности полета. Одним из таких средств является моделирующий комплекс, реалистично отражающий воздействие атмосферной турбулентности
на самолёт. Статистика лётных происшествий дает немало примеров, где причины фатального исхода - неготовность экипажа к ситуации попадания в вихревой след от самолёта, сдвиг ветра, атмосферный вихрь. В зависимости от траектории полета, самолет, попавший в вихревую структуру, может испытывать существенные изменения моментов крена и рыскания, подъемной силы и продольного момента. Из этих изменений наибольшую опасность для самолета, совершающего взлёт или посадку, представляет «опрокидывающий» момент крена, возникающий при попадании в вихревую структуру с вектором завихренности, близким по направлению к траектории полёта [1].
Рис.1. Реалистичная визуализация условий посадки на пилотажном стенде
2. Моделирующий комплекс, реалистично отражающий воздействие атмосферной турбулентности на самолёт
Особенность задачи состоит в больших пространственных и временных масштабах явления: вихревой след может быть потенциально опасным на больших расстояниях, что налагает очень жесткие требования на используемые методы моделирования [2]. В центре решаемой проблемы лежит создание непротиворечивой, адекватной реальным условиям модели атмосферы и вихревых структур. Задача моделирования конкретных погодных условий не ставится, в противном случае потребуется знать характеристики атмосферы на уровне мезомасштабной модели, используя их в качестве начально-краевых условий внутренней задачи, на выходе которой получаются поправки к модели динамики самолёта.
Наиболее сложной является разработка математической модели локальной атмосферы, в частности изменения погодных условий в течение дня, особенно с заходом солнца, влияния отраженного от ВПП тепла, воздействия теплового следа от силовой установки ТАКР на турбулентность атмосферы и ветра на динамику и диссипацию вихрей. Самостоятельную трудность представляет обеспечение модели необходимыми начальными и граничными условиями: исчерпывающей информацией о температуре и скорости ветра на высотах до 500 м.
Для решения каждой конкретной задачи моделируется турбулентный фон - модель атмосферы. На этом фоне рассчитывается обтекание генератора когерентных структур. Таковыми являются: самолёт-заправщик в задаче о заправке топливом в полёте, корабль при моделировании посадки на авианосец, горный массив при моделировании условий горного аэродрома. В тех случаях, когда характерный размер вихревой структуры сравним с размером самолёта, в полученном поле скоростей в узлах трёхмерной сетки помещается самолёт, моделируемый на пилотажном стенде, и заранее насчитывается база данных при различных углах ориентации самолёта. Для расчёта обтекания самолёта в возмущённом поле скоростей использован панельный метод. По этой базе данных строится аппроксима-тор на базе искусственных нейронных сетей, что позволяет в режиме реального времени получать приращения сил и моментов в зависимости от положения и ориентации самолёта.
При моделировании заправки топливом в полете в качестве атмосферного фона использована изотропная модель турбулентности с кармановским спектром [3]. Наряду с учетом воздействия етруйно-вихревого следа на заправляемый самолет моделируется блуждание конус-датчика (КД) под действием турбулентности атмосферы [4| и его веплывание (инженерная модель [4|) при приближении заправляемого самолета в зависимости от скорости сближения и расстояния (рис. 2). Моделирование етруйно-вихревого следа производится в рамках зонального подхода. Область самолета и ближних) следа рассчитываются в рамках краевой задачи для уравнений Навье Стокса, оередненных по Рейнольдсу RANS. Полученные результаты используются в качестве начальных для расчета следа. Используется метод [5], в дальнейшем предполагается перейти к прямому моделированию крупных вихрей LES.
Рис. 2. Динамика КД с учётом воздействия атмосферы и заправляемого самолёта
Посадка на ТАКР является одним из наиболее трудных и ответственных режимов пилотирования, поэтому весьма актуальным является реалистичное моделирование данного режима на пилотажных стендах и авиационных тренажерах.
Надводная часть корабля с точки зрения аэродинамики представляет удлиненное плохо-обтекаемое тело с фиксированными на острых кромках корпуса и надстроек зонами отрывших) вихревохх) обтекания. Это обеспечивает автомодельность течения по числу Рейнольдса и позволяют для валидации расчетных параметров течения над полетными палубами и в вихревом следе за надводной частью корабля использовать испытания в аэродинамических трубах на моделях. Сопоставление измерений на натурном корабле и в трубных экспериментах дает расхождение 5 6%.
В качестве атмоефержих) фона использована анизотропная модель турбулентности в приземном слое. Профиль скорости набегающего потока содержит потенциальную компоненту, вызванную движением корабля, и компоненту атмосферного ветра с условием прилипания на поверхности моря. На оередненное поле накладывается случайный порыв [3]. В общем случае решается краевая задача для нестационарных оередненных по Рейнольдсу уравнений Навье Стокса для корабля с учетом качки. Результаты моделирования приведены на рис. 3.
Визуализация вихревых структур, возникающих при численном моделировании обтекания корабля, выполнена с помощью поверхностей
(^-¿j ^ij Sij S^j) — const,
где тензоры завихренности и скоростей деформации, участвующие в свёртке (А2 критерий
[6]), имеют вид
о -К_^Л я = + 9иЛ
гз = 2 V 9*3 дхг) ; гз = 2 V 9*3 дхг) •
Рис. 3. Поло относительной скорости и вихревые структуры за ТАКР
В качестве грани чнемч) условия на входной хранице (наветренной стороне раечетших) нарал.ле.лешшеда) используются профили параметров в соответствии с моделью Монина Обухова [2|. Влияние состояния атмосферы на результаты моделирования приведено на рис. 4.
Рис. 4. Влияние профиля встречного ветра
Пример моделирования обтекания ландшафта приведен на рис. 5. Решается нестационарная задача для оередненных но Рейнольдсу уравнений Навье Стокса с Я Я Г моделью замыкания [7]. Газ считается сжимаемым. Набегающий со стороны гор но направлению ВПП ноток имеет струйный профиль с максимумом скорости 11.3 м/с на высоте около
250 м. Моделирование ведётся в два этапа. Сначала на сравнительно редкой сетке смоделирована область размером 20 х 20 км. Использована неструктурированная тетраэдральная сетка с призматическим подслоем на поверхности земли. Затем для уточнённой подобласти, содержащей генератор вихревых структур, представляющих опасность для самолётов, совершающих взлёт или посадку, моделирование повторяется на более мелкой сетке (более подробно см. [8-9]).
Рис. 5. Поле скорости ветра
Наряду с вихревыми ветровыми структурами, опасность могут представлять вихревые следы за самолётами [10].
В тех случаях, когда из методических соображений при подготовке пилотов требуется показать положение вихревых структур, они могут быть визуализированы (рис. б).
Рис. 6. Визуализация струйно-вихрсвого следа за самолётом-заправщиком
3. Моделирующий комплекс РСК «МиГ»
Во всех случаях сценарии «атмосферного фактора» (когерентные структуры и турбулентный фон) насчитываются заранее. Их набор при необходимости может быть расширен. Соответствующие добавки в модель динамики могут быть отключены точно так же. как отключена или включена инструктором система визуализации турбулентного фона. Визуализация вихревых структур может быть осуществлена как поверхностями Л2 = const (рис. 3). так и нолями скорости (рис. о) и завихренности (рис. 7). Возможна визуализация векторами скорости в сечении х = const, бегущем перед самолётом (рис. 8).
Рис. 7. Визуализация спутного следа за ТАКР
Рис. 8. Возможная визуализация вихревой структуры
Созданная модель динамики самолёта МиГ-29К с учётом воздействия турбулентности атмосферы и когерентных вихревых структур является уникальной и единственной в своём роде. Моделирующий комплекс РСК «МиГ» с данной моделью динамики и компьютерный класс с тематическим подбором обучающего материала способствуют повышению уровня подготовки пилотов к ситуации попадания в вихревые структуры и повышают безопасность полёта. Созданный инструмент предполагает доводку с пилотами и инструкторами, ведущими лётную подготовку.
Данная работа выполнена в рамках Проекта «Разработка программно-аппаратного комплекса реалистичного восприятия летчиком сложных режимов полета и оценки его психофизиологического состояния» (Договор № 02.С25.31.0017 между ОАО РСК «МиГ» и Министерством образования и науки РФ об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием ФГАОУ ВПО МФТИ (ГУ)).
Авторы выражают благодарность всем участникам проекта.
Литература
1. Bobylev A.V., Vyshinsky V.V., Soudakov G.G., Yaroshevsky V.A. Aircraft vortex wake and flight safety problems // J.l of Aircraft. - 2010. - V. 47. - N 2. - P. 663-674.
2. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета в турбулентной атмосфере (физические и математические модели). — М.: Изд-во ЦАГИ, 2005.
3. Воеводенко В.В., Вышинский В.В. Динамика микрочастиц в струйно-вихревом следе за самолетом // Труды ЦАГИ. — 2008. — Вып. 2676. — С. 60-67.
4. Вышинский В.В., Кукушкин Л. С. Моделирование на пилотажном стенде заправки топливом в полёте с учётом турбулентности атмосферы и турбулентного вихревого следа за самолетом заправщиком // Труды МФТИ. — 2013. — Т. 5, № 2. — С. 46-58.
5. Воеводин А.В., Вышинский В.В., Гайфуллин A.M., Свириденко Ю.Н. Эволюция струйно-вихревого следа за пассажирским самолетом // Аэромеханика и газовая динамика. - 2003. - № 4. - С. 23-31.
6. Chong M.S., Perry F.E. and Cantwell B.G. A General Classification of Three Dimensional Flow Fields 11 Copyright. Phvs. Fluid. - 1990. - P. 765-777.
7. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Применение численных методов в задачах аэродинамического проектирования. — М.: Изд-во ЦАГИ, 2005.
8. Вышинский В.В., Зудов К.А., Кудров М.А., Стасенко А.Л. Физико-математическая модель атмосферных процессов, происходящих в окрестности горного аэродрома // Математическое моделирование, РАН. — 2015. — Т. 27, № 3. — С. 20-32.
9. Vyshinsky V.V., Kudrov М.А., Zudov К.A. On the flight operating safety in the mountainous zone airport // 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Science. CitvSt. Petersburg placecountrv-regionRussia, 7-12.09.14, PROCEEDINGS. -ISBN: 3-932182-80-4 0351.
10. Vyshinsky V. V. Studies on vortex wake evolution and flight safety problems // SAE Paper 96-5562. - P. 1-11.
References
1. Bobylev, A.V., Vyshinsky, V.V., Soudakov, G.G., Yaroshevsky, V.A. Aircraft vortex wake and flight safety problems. Journal of Aircraft. 2010. V. 47. N 2. P. 663-674.
2. Vyshinsky, V.V., Soudakov, G.G. Aircraft vortex wake in turbulent atmosphere (physical and mathematical models). Moscow.: TsAGI Publisher. 2005.
3. Voyevodenko, V.V., Vyshinsky, V. V. Micro-particles dynamics in the jet-vortex wake behind aircraft. Trudy TsAGI. 2008. Issue 2676. P. 60-67.
4. Vyshinsky, V. V., Kukushkin, L.S. Aerial refueling simulation in flight simulator with taking into account atmospheric and wake turbulence effect. Trudy MFTI. 2013. V. 5. N 2. P. 46-58.
5. Voyevodin, A. V, Vyshinsky, V. V, Gayfullin, A.M., Sviridenko, Yu.N. Vortex wake evolution behind passenger aircraft. Aeromechanica i gazovava dinamica. 2003. N 4. P. 23-31.
6. Chong, M.S., Perry, F.E., Cant,well, E.G. A General Classification of Three Dimensional Flow Fields. Copyright. Phvs. Fluid. 1990. P. 765-777.
7. Vyshinsky, V.V., Soudakov, G.G. CFD methods application in aerodynamics design problems. Moscow.: TsAGI Publisher. 2007.
8. Vyshinsky, V.V., Zudov, K.A., Kudrov, M.A., Stasenko, A.L. Physic-mathematical model of the atmospheric processes in the mounting airport vicinity. Matematicheskoe modelirovanie, RAS. 2015. V. 27. N 3. P. 20-32.
9. Vyshinsky, V. V., Kudrov, M.A., Zudov, K.A. On the flight operating safety in the mountainous zone airport. 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Science. St. Petersburg Russia, 7-12.09.14, PROCEEDINGS. ISBN: 3-932182-80-4 0351.
10. Vyshinsky, V. V. Studies on vortex wake evolution and flight safety problems. SAE Paper 96-5562. P. 1-11.
Поступим в редакцию 12.04-2015.
