CC BY
63
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.015:681.3
ПРИМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УПРАВЛЯЕМОСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ПЕРЕКРЕСТНЫХ СВЯЗЕЙ
А.С. ЛЕСОВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Кублановым М.С.
Представлен новый подход к эксплуатационной оценке перекрестных связей самолета.
Вопросы обеспечения БП в настоящее время вышли на уровень государственной и международной значимости. Это обусловлено теми огромными материальными и еще большими моральными потерями, которые несет общество в результате авиационного происшествия (АП).
Анализ и оценка устойчивости и управляемости воздушного судна (ВС) в эксплуатации стоят на первом месте в контексте обеспечения БП, так как потеря управляемости непосредственно ведет к катастрофе, а доля случаев, связанных с потерей устойчивости и управляемости самолетов за последние 20 лет, составляет около 23 % от общего числа АП [1]. Кроме того, нарушение характеристик устойчивости и управляемости приводит к увеличению расхода топлива и может преуспевающую авиакомпанию привести к банкротству.
Анализ существующих источников показывает, что показателя, оценивающего управляемость конкретного экземпляра самолета именно в процессе эксплуатации не существует. Лишь в специальных летных испытаниях (ЛИ) пилот дает качественную оценку устойчивости и управляемости самолета. В своем отзыве он отмечает основные достоинства и недостатки самолета, существенные как с точки зрения безопасности летной эксплуатации (доступности самолета летчику средней квалификации), так и эффективности использования самолета летчиком по прямому назначению в простых и сложных условиях полета [4].
Под управляемостью в динамике полета понимается способность самолета изменять свое положение относительно своих продольной, путевой и поперечной осей при отклонении пилотом элеронов и рулей высоты и направления [3]. Поэтому пилот оценивает управляемость самолета по реакции ВС на отклонение рулей (на действия пилота).
В работах [2, 4] рассмотрены такие параметры, как способность самолета "ходить за ручкой", интенсивность реакции самолета на перемещения рычагов управления и прикладываемые к ним усилия, т. е. чувствительность управления, которая играет определяющую роль в формировании суждения летчиком о пилотажных свойствах самолета. Поэтому характеристики чувствительности управления являются одними из основных показателей управляемости.
Предельная степень "хождения за ручкой" [2] будет иметь место в том случае, когда, например, перегрузка без всякого запаздывания следует за изменением усилия на ручке и ее перемещением. Однако даже с точки зрения только управляемости, не говоря уже о конструктивных соображениях и других летных свойствах самолета, осуществление предельной степени "хождения за ручкой", по-видимому, нельзя считать целесообразным. Действительно, при очень большой степени продольной статической устойчивости из-за вынужденного при этом увеличения размеров руля высоты и весьма значительного увеличения его аэродинамической компенсации (при обычной системе продольного управления) усилие на ручке и ее перемещение, необходимые для создания вращения самолета и его ускорения, будут слишком малы. Такой самолет будет слишком чувствительным к небольшим случайным
движениям летчика. Вследствие излишне быстрой реакции самолет, по выражению летчиков, "не будет прощать" даже незначительные ошибки летчика при пилотировании.
С другой стороны, излишне большое запаздывание реакции самолета на действия летчика приведет к медленному выполнению самолетом маневра, к усложнению пилотирования при маневре.
Следовательно, запаздывание реакции самолета на действия летчика должно находиться в определенных пределах; как слишком большое, так и слишком малое запаздывание самолета одинаково неприемлемо [2].
В этом случае статические характеристики управляемости, в частности балансировочные кривые, не дают правильного представления о том, как перемещаются рычаги и изменяются параметры движения в процессе неустановившегося движения самолета при выполнении летчиком произвольного маневра [4].
После упорного поиска [5, 6] был разработан "коэффициент управляемости", позволяющий оценивать все представленные выше качественные характеристики конкретного экземпляра самолета в количественном виде. Коэффициент управляемости можно представить в виде:
Т |(5(1)-5 о МуО+т) - Уо )'^
К(Т 5 о, У о) = . Т ,- =,
/ТI(5(1)-5о)2 ЛI(у(1+т)-Уо)2
где 5 - параметр, характеризующий действие органа управления; 5о - балансировочное отклонение органа управления (для строго симметричного ВС 5о = о); у - оцениваемый эффект управления; уо - балансировочное значение эффекта управления; 1 - текущее время; т - временной лаг; Т - период времени, в течение которого проводится оценка. К(т, 5о, уо) - рассматривается в виде функции от лага т и балансировочных значений 5о, уо для получения оценки "запаздывания" реакции ВС на управляющее воздействие и других качеств управления.
Поскольку устройства регистрации полетной информации работают с дискретными параметрами, то при условии равной дискретности записей управляющего воздействия и эффекта от него А1 коэффициент управляемости вычисляется следующим образом:
П
ГТ(51 -5о КУ;+к -Уо)
1=1____________________
П Т (51 -5 о)2 ■] 1 Т(У,+к - Уо)2
1=1 К 1=1
где т = кА1, а индекс 1 соответствует номеру последовательно отбираемых точек записи.
Коэффициент управляемости К(т, 5о, уо) - оценка:
- объективная;
- количественная;
- функциональная;
- универсальная;
- инвариантная.
Объективность предлагаемой оценки очевидна, так как она не зависит от человеческого фактора.
Количественный характер |К(т, 5о, уо)| < 1 следует из определяющих формул и дает возможность сравнивать эффективность управления ВС различными органами.
Функциональная зависимость К(т, 5о, уо) дает возможность анализировать особые качества управления, такие как, например, "запаздывание", "вялость", "инерционность".
К( Т 5 о,Уо)=
Универсальность предлагаемого коэффициента управляемости является следствием его формы, которая позволяет анализировать данное свойство ВС как по теоретическим, расчетным данным (результатам математического моделирования полета), так и по записям реальной полетной информации.
Инвариантность К(т, 8о, уо) следует из упоминаемого (приводимого) ниже анализа результатов летных испытаний, записей регулярных полетов и математического моделирования - К(т, 80, у0) практически не зависит от конкретного вида управляющего импульса и режима полета. На используемые в анализе К(т, 80, у0) особенности влияют только существенные изменения массово-инерционных и аэродинамических свойств ВС.
Предлагаемый коэффициент управляемости позволяет оценивать реакцию ВС не только в непосредственном направлении, но и в перекрестном. Данные результаты можно привести на примере полета, смоделированного на ММ. В этом случае целесообразно рассмотреть следующие виды взаимодействия:
- руль направления - угловая скорость крена;
- элероны - угловая скорость рыскания.
Вычислительные эксперименты были проведены на математической модели, разработанной на кафедре АКПЛА МГТУ ГА. На данной модели были рассмотрены следующие режимы полета для самолета Ту-214. Перекладывание руля направления при горизонтальном полете на высоте Н = 6000 м, со скоростью Упр = 450 км/ч и массой т = 80 т. Результаты исследования представлены на рис. 1 в виде зависимости коэффициента управляемости от лага времени между параметрами (руля направления и угловой скорости крена). Для Ту-214 максимальное значение коэффициента управляемости равно 0,71635, которое достигается при лаге времени в 1,25 с.
В качестве второго рассматривался полет с перекладыванием элеронов на высоте Н =
6000 м, при т = 86 т и Упр = 450 км/ч, х т = 32 %. Результаты приведены на рис. 2. Для Ту-214 максимальное значение коэффициента управляемости равно 0,81248, которое достигается при лаге времени в 3,2 с.
Коэффициент управляемости (РН угловая скорость крена)
Лаг времени, с
Рис. 1
Коэффициент управляемости (штурвал электронов , угловая скорость рыскания)
Лаг времени, с
Рис. 2
Таким образом, можно утверждать, что так как коэффициент управляемости максимален при х = 1,25 с, то только через 1,25 с обнаруживается изменение угловой скорости крена в ответ на отклонение руля направления. Аналогично, элероны начинают влиять на угловую скорость рыскания лишь через 3,2 с.
На рис. 2 пунктиром изображены участки графика, на которых гипотеза о равенстве нулю коэффициента управляемости подтверждается при уровне значимости 0,05, т.е. между штурвалом по элеронам и угловой скоростью рыскания с заданным временным лагом коэффициент управляемости можно считать нулевым. В этом интервале времени отклонение органа управления никакого влияния на режим полета не оказывает.
Вывод
В данной работе предложена методика оценки перекрестных аэродинамических связей в части управляемости самолета. В качестве примера рассмотрено влияние отклонения руля направления на угловую скорость крена и влияние отклонения элеронов на угловую скорость рыскания. В процессе эксплуатации самолета сбои в настройке автоматических систем управления, люфты в механических системах управления рулями, изменения аэродинамического обтекания планера в районе рулей и другие причины могут проводить к появлению смещения лага от исходного, что усложняет условия полета и увеличивает расход топлива. Исследуя изменение коэффициента управляемости К(х, 80, у0) в процессе эксплуатации, причем по записям регулярных полетов, можно оценить ухудшение управляемости конкретного экземпляра ВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кофман В.Д., Полтавец В.А. Уроки авиационных происшествий // Материалы семинара "Предотвращение авиационных происшествий: учимся друг у друга" 9 - 10 июня 2004 года. М., 2004.
2. Остославский И.В. Аэродинамика самолета. - М.: Оборонгиз, 1957.
3. Богославский Л.Е., Шифрин М.Н. Практическая аэродинамика самолета Як-40. - М.: Машиностроение, 1977.
4. Котик М.Г., Павлов А.В., Пашковский И.М., Щитаев Н.Г. Летные испытания самолетов. - М.: Машиностроение, 1968.
5. Лесовский А.С. Применение корреляционного анализа для оценки управляемости самолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 124, 2007.
6. Лесовский А.С. Оценка управляемости самолета в поперечном канале методами корреляционного анализа // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 127, 2008.
OF APPLICATION COEFFICIENT CONTROLLABILITY TO ESTIMATE AIRCRAFT CROSSCOUPLING COMMUNICATION
Lesovsky A.S.
Represent new approach to employment evaluation aircraft cross-coupling communication.
Сведения об авторе
Лесовский Андрей Сергеевич, 1983 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - аэродинамика и динамика полета, математическое моделирование.
