Оценка и демпфирование влияний аэроупругости на эффективность локаторов БЛА с конформными антеннами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.396.67

ОЦЕНКА И ДЕМПФИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ АЭРОУПРУГОСТИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛОКАТОРОВ БЛА С КОНФОРМНЫМИ АНТЕННАМИ

Александр Григорьевич Черевко

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 630102, Россия, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой физики, тел. (383)269-39-20, е-mail: cherevko@mail.ru

Александр Александрович Черевко

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: cherevko@mail.ru

Юрий Вячеславович Моргачев

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 630102, Россия, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, инженер лаборатории физических основ телекоммуникаций, е-mail: morgachev.yury@gmail.com

Представлены численные расчеты влияния аэроупругости на погрешности лоцирова-ния. Предложен метод, с помощью которого данные влияния могут быть демпфированы при помощи установки датчиков деформаций на БЛА в точки, определяемые моделированием, учитывающим аэроупругость.

Ключевые слова: аэроупругость, компенсация, деформация, конформная антенна, локатор.

ESTIMATION AND DAMPING OF THE AEROELASTICITY EFFECTS ON THE EFFICIENCY OF LOCATORS WITH A CONFORMAL ANTENNA

Alexander G. Cherevko

Siberian University of Telecommunications and Information Science, 86, Kirova St, Novosibirsk, 630102, Russia, Ph. D., Associate Professor, Head of the Department of Physics, phone: (383)269-39-20, e-mail: cherevko@mail.ru

Alexander A. Cherevko

Lavrentiev Institute of Hydrodynamics, 15, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Seenior Researcher, e-mail: cherevko@mail.ru

Yury V. Morgachev

Siberian University of Telecommunications and Information Science, 86, Kirova St, Novosibirsk, 630102, Russia, Engineer, Laboratory of Physical Fundamentals of Telecommunications, e-mail: morgachev. yury@gmail.com

The possibility of a passive single-position determination of the distance to the object and its radial velocity of is considered. The proposal is justified by a patent.

Key words: passive locator, distance, radial velocity.

Современные конструкции ЛА обладают достаточно большой гибкостью, и эта гибкость является основной причиной различных явлений аэроупругости, т.к. деформации конструкции возбуждают дополнительные аэродинамические силы. Эти дополнительные аэродинамические силы могут вызвать дополнительные деформации конструкции, которые могут привести к возбуждению еще больших аэродинамических сил. Взаимодействие между силами инерции, аэродинамическими и упругими силами могут привести к различным результатам: деформации могут уменьшаться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние устойчивого равновесия - статические явления аэроупругости, в противном случае могут возникнуть колебания конструкции - динамические явления аэроупругости [1-3].

Аэроупругие колебания конструкций планера могут вызывать колебания закрепленной на нем антенной решетки (АР). Это, в свою очередь, вызовет пространственное смещение фокуса и, как следствие, потерю отслеживаемой радиолокатором цели. При современном уровне развития радиолокации возможно использование на летательном аппарате фазированных антенных решеток (ФАР), которые позволяют управлять положением фокуса с большой скоростью, сравнимой со скоростями смещения АР при их колебаниях. Это открывает возможность компенсации смещений фокуса, вызванных колебаниями.

Такая компенсация будет особенно эффективна, если удастся вычислять деформации конструкций планера за некоторое время до их возникновения.

Метод решения этой задачи будет рассмотрен на примере крыла, имеющего типичные для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) форму и размеры. В то же время этот метод может применяться и для любых других элементов конструкции планера.

Пусть на крыле расположены датчики, по данным с которых могут быть восстановлены смещения крыла в точках крепления их. Предварительно при проектировании системы упреждающего управления ФАР должны быть изучены моды аэроупругих колебаний планера с АР с учетом его конструктивных особенностей и возможных режимов полета. Эти данные закладываются в бортовую ЭВМ и используются для предсказания смещения АР по данным с датчиков. Структурная схема построения системы упреждающего управления ФАР приведена на рис. 1, 2.

Проверка возможности восстановления информации о колебаниях крыла по данным с датчиков была проведена путем компьютерного моделирования в пакете ANSYS, который допускает как решение задач аэродинамики, так и задач деформации конструкции, а также предоставляет возможность быстрого вывода результатов расчета в удобном для пользователя графическом виде с возможностью наглядного просмотра распределений различных физических величин и их анализа. Расчет проводился для крыла в виде оболочки без внутренних подкреплений со стандартным симметричным профилем NACA 0010, изображенным на рис. 3. Длина хорды крыла - один метр, толщина профиля -0.2 м, длина крыла - 5 метров, толщина оболочки - 0.01 м. Материал - алюминиевый сплав АД33. Один из концов крыла жестко закреплен.

Рис. 1. Структурная схема построения системы упреждающего управления ФАР

Рис. 2. Структурная схема использования упреждающего управления ФАР в части аэроупругих колебаний

NACA 0010

Рис. 3. Профиль крыла

Для данного крыла были рассчитаны первые девять собственных колебательных мод крыла. На рис. 4 приведены деформации, соответствующие первым трем собственным частотам колебаний (дальний конец крыла закреплен). Слева приведена шкала, возле которой подписаны абсолютные значения де-

формации (в метрах), т.е. отклонения точек крыла от положения, которое они имели до взлета. Выше указана соответствующая частота собственных колебаний (например, на первом рисунке - 4.8329 Герц). Изображение модели крыла раскрашено в соответствии с величиной деформации при максимальном отклонении крыла.

Рис. 4. Деформации крыла, соответствующие первым трем собственным частотам колебаний

На рис. 5 приведена в качестве примера погрешность восстановления вертикального смещения задней кромки крыла по данным с датчиков, соответствующая деформации крыла при воздействии перепада давления между верхней и нижней поверхностями с частотой 32 Гц. Поскольку для каждой из мод величина смещений датчиков и точек задней кромки пропорциональны, а любое колебание можно приближенно представить, как линейную комбинацию конечного числа мод, то по данным датчиков линейными операциями (что важно с точки зрения быстродействия) приближенно восстанавливаются положения точек задней кромки. Учет положений датчиков в нескольких последовательных моментах времени позволяет вычислить фазу колебаний и, следовательно, сделать прогноз на следующий момент времени. Как видно из рисунка, с использованием предложенного метода возможно восстановить колебания задней кромки по данным, собираемым с датчиков, хотя и с некоторой небольшой погрешностью. В данном случае погрешность имеет наименьшую величину вблизи середины задней кромки.

Рис. 5. Погрешность восстановления деформации задней кромки

по данным с датчиков

Влияние колебаний крыла на работу локатора с конформной ФАР изучалось с помощью разработанной компьютерной модели локатора с такой антенной решеткой. Четырехэлементная микрополосковая ФАР расположена в крыле, плотно прилегая к оболочке, и находится над объектом. Темная линия на экране локатора (рис. 6) является линией развертки, перемещающейся в секторе 12о по дуге от 84 до 96 градусов с постоянной скоростью и обновляющей координаты цели при её облучении. Луч локатора моделируется нормалью к ФАР. Перемещение луча по экрану локатора задается периодической функцией. Влияние аэроупругости учитывается наложением на периодическую функцию колебаний, определяемых первыми девятью модами вибраций, вызванных аэроупругостью.

Рис. 6. Экран локатора. Объект находится на отметке 90 градусов

(белая точка на экране) Объект, истинное положение которого отмечено белой точкой на экране локатора, находится под крылом, что соответствует 90о на шкале локатора. Темной точкой отмечено положение объекта, даваемое локатором. Различное положение белой и темной точки на экране вызвано воздействием аэроупруго-

сти, при отсутствии такого воздействия эти точки совпадают. Как видно из рис. 6, где приведен пример одного из циклов лоцирования объекта, ошибка локатора равна 2.3о. Компьютерное моделирование показало, что погрешность локатора, вызванная аэроупругостью для крыла из алюминиевого сплава АД33, рассмотренного в настоящей работе, носит случайный характер. При этом максимальное отклонение составляет 2.5 градуса, что при расстоянии до объекта, равном 400 метров, соответствует ошибке 17.5 м в координате объекта (рис. 7).

Рис. 7. Погрешность определения координаты покоящегося объекта, находящегося под крылом ЛА, на высоте 400 м. Период обзора - 6 с

На основании спрогнозированных данных о колебаниях крыла рассчитаны необходимые амплитудно-фазовые коэффициенты питающих портов для демпфирования положения главного лепестка диаграммы направленности (луча) ФАР с помощью современных программных пакетов для электромагнитного моделирования, например, ЛКБУБ Н^Б [4] и БЕКО [5]. На рис. 9 приведены наши результаты моделирования демпфирования отклонения на 5 градусов четырехэле-ментной микрополосковой ФАР, работающей на частоте 3 ГГц.

Рис. 8. Дизайн микрополосковой ФАР, Г=3 ГГц

Рис. 9. Исходная ДН микрополосковой ФАР, Г=3 ГГц (слева) и ее ДН после компенсации воздействия вибраций, вызванных аэроупругостью (справа),

в полярных координатах

Анализ рис. 9 показывает, что, используя полученные амплитудно-фазовые распределения, можно добиться уменьшения погрешности определения координаты цели. Так отклонение плоскости ФАР даже на 5 градусов скомпенсировано с помощью использования встроенных инструментов оптимизации программного пакета, фазовые коэффициенты были подобраны так, что направление главного лепестка вернулось в исходное положение

На основании компьютерного моделирования показана необходимость учета влияния аэроупругости при разработке локаторов с ФАР для БЛА. Для крыла из алюминиевого сплава АД33 отсутствие учета этого фактора приводит к заметным погрешностям лоцирования объектов. Крылья и корпус современных БЛА делаются из более легких и менее прочных материалов, чем алюминий, более подверженных к деформации. В следствие этого, учет влияния деформации становится более необходимым

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Белоцерковский С. М., Кочетков Ю. А., Красовский А. А. и др. Введение в аэроавто-упругость. М.: Наука, 1980. 384 с.

2. Горшков А. Г., Морозов В. И., Пономарев А. Т., Шклярчук Ф. Н. Аэрогидроупру-гость конструкций. М.: Физико-математическая литература, 2000. 591 с.

3. Морозов В. И., Пономарев А. Т., Рысев О. В. Математическое моделирование сложных аэроупругих систем. М.: Наука, 1995. 736 с.

4. Engineering Simulation & 3-D Design Software | ANSYS [Электронный ресурс]. URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения: 11. 09. 2017).

5. FEKO - EM Simulation Software [Электронный ресурс]. URL: https://www.feko.info/ (дата обращения: 11. 09. 2017).

© А. Г. Черевко, А. А. Черевко, Ю. В. Моргачев, 2018