CC BY
242
05.02.00 МАШИНОСТРОЕНИЕ
05.02.11 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКА В МАШИНОСТРОЕНИИ
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА SimlnTech ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ БОРТОВЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Смагин Денис Игоревич, начальник лаборатории 5, НИО-Ю1, 1 факультет, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия. E-mail: r_sr@inbox.ru
Старостин Константин Игоревич, старший преподаватель кафедры 812 «Математика», 8 факультет, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Савельев Роман Сергеевич, инженер лаборатории 5, НИО-101, 1 факультет, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Кобринец Татьяна Александровна, инженер лаборатории 5, НИО-101, 1 факультет, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Сатин Анатолий Анатольевич, инженер лаборатории 5, НИО-101, 1 факультет, ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Аннотация. Рассмотрена методика построения математических моделей бортовых систем летательных аппаратов в российском программном комплексе SimInTech. Приведены результаты моделирования работы топливной системы вертолета, системы нейтрального газа самолета, показаны особенности математического моделирования систем.
Ключевые слова: математическая модель, топливная система, система нейтрального газа, перспективный самолет, перспективный вертолет.
APPLICATION OF THIS SOFTWARE SIMINTECH
FOR MATHEMATICAL MODELING OF VARIOUS ONBOARD SYSTEMS OF AIRCRAFT
Smagin Denis I., head of laboratory 5, NIO-101, 1 faculty оf the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Starostin Konstantin I., senior teacher of AIVT Department. 812 «Mathematics», 8 faculty of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Savelyev Roman S., laboratory engineer 5, NIO-101, 1 faculty of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Kobrinets TatyanaA., laboratory engineer 5, NIO-101, 1 faculty of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Satin Anatoly A., laboratory engineer 5, NIO-101, 1 faculty of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Annotation. The method of constructing mathematical models of aircraft systems in the Russian software complex SimInTech is considered. The results of modeling of the helicopter fuel system, the neutral gas system of the aircraft are presented, the features of mathematical modeling of systems are shown.
Key words: mathematical model, fuel system, neutral gas system, perspective aircraft, perspective helicopter.
Смагин Д.И., Старостин К.И., Савельев Р.С., Кобринец Т.А., Сатин А.А.
Введение
В настоящее время моделирование бортовых систем летательных аппаратов (ЛА) осуществляется с применением различных программных комплексов, как в трехмерной постановке (вычислительная гидродинамика, программные комплексы ЛОГОС, ANYS CFX, Fluent, Star CCM+) так и в одномерной постановке (программные комплексы SimlnTech, LMS Amesim, Easy 5 и др.).
Зачастую такие системы как система кондиционирования воздуха, топливная система, система нейтрального газа и др. включают в себя сложноразветвленную сеть трубопроводов, большое количество агрегатов, а также элементов, завязанных на систему управления (например, заслонки, насосы и др.).
Расчет таких систем с использованием современных программных комплексов вычислительной гидродинамики требует значительных вычислительных ресурсов, трудоемкости; также зачастую необходимо проведение быстрых инженерных расчетов для сопровождения испытаний агрегатов или систем.
На этапе концептуального проектирования летательного аппарата (Gate 2 в соответствии с системой Stage - Gate в рамках проектирования системы необходимо решить следующие задачи [1]:
• выполнение поисковых исследований архитектуры системы;
• выявление и оценка технических рисков различных вариантов архитектуры;
• сравнительный критериальный анализ конкурирующих вариантов архитектур;
• разработка технических требований на компоненты системы.
Для решения проблемы выбора схемы системы, оптимизации геометрии и алгоритмов, а также работы системы при совместном гидравлическом, тепловом расчетах применяются специальные программные комплексы, позволяющие заменить реальные сложные системы, конструкции структурными схемами в виде блоков математических моделей, полностью описывающих эти системы, конструкции.
Одним из таких программных комплексов является отечественный программный комплекс SimlnTech. Программный комплекс SimlnTech относится к системам автоматизированного проектирования (САПР) логико-динамических систем, описываемых во входо-выходных отношениях. Объектом САПР может быть любая техническая система, устройство или физический процесс, математическая модель динамики которого описывается системой дифференциально-алгебраических уравнений и может быть реализована методами структурного моделирования.
В данной статье рассматривается использование одного программного комплекса SimlnTech для моделирования различных боровых систем ЛА. В качестве примера приводятся модели топливной системы вертолета, системы нейтрального газа перспективного широкофюзеляжного самолета; также рассматривается необходимость комплексного подхода к моделированию систем летательного аппарата - создание единой комплексной математической модели.
Методология построения
математической модели системы
Структурно каждая система подразделяется на схему автоматики и схему теплогидравлики, которые обмениваются данными между собой через базу данных сигналов.
Схема автоматики [2] - проект SimlnTech, содержащий набор взаимосвязанных алгоритмов управления отдельной
подсистемой объекта управления. Может также содержать математические модели объектов управления, реализованные в виде входо-выходных схем или набранных на встроенном языке программирования. Схема автоматики набирается из блоков общетехнической библиотеки и рассчитывается встроенным в SimlnTech математическим ядром.
Схема теплогидравлики [2] - проект SimlnTech, содержащий расчетную схему теплогидравлической модели отдельной подсистемы объекта управления. Схема те-плогидравлики предназначена для расчета встроенным в SimlnTech теплогидравлическим кодом HS. Расчетный теплогидравлический код HS предназначен для расчета динамики поведения основных параметров сжимаемого и несжимаемого теплоносителя в теплогидравлических контурах с произвольной топологией. В схемах теплогидравлики HS (от англ. Hydro Solver) решаются уравнения сохранения массы, импульса и энергии для жидкости (в одномерном односкоростном приближении), а также нестационарные уравнения теплопроводности для тепловых структур (стенок каналов). Основой является одномерная нестационарная гомогенная модель течения несжимаемой или сжимаемой жидкости.
Связь между схемой теплогидравлики и схемой автоматики осуществляется через базу данных сигналов. База данных сигналов позволяет организовать совместный расчет нескольких проектов с обменом данными через оперативную память на одном вычислительном узле (пакет проектов) либо через сеть на нескольких вычислительных узлах (распределенный расчет). Также, база данных поддерживает механизм исходных состояний (рестартов), позволяет фильтровать сигналы, организовывать запросы к базе данных из языка программирования.
На рис. 1 показано схематичное изображение динамической модели системы ЛА.
Рис. 1. Схема динамической модели системы ЛА
Примеры моделирования бортовых систем
В качестве примера моделирования бортовых систем летательных аппаратов рассмотрим топливную систему (ТС).
Схема теплогидравлики топливной системы (рис. 2) включает в себя модели баков (правый передний, левый передний, задний, дополнительный подвесной бак правый, дополнительный подвесной бак левый), насосов (центробежного, струйного), труб, обратных клапанов, местное сопротивление. Схема автоматики ТС (рис. 3) структурирована по алгоритмам и включает в себя пульты управления параметрами открытия/закрытия кранов, включение/выключения насосов, а также заправкой. Обмен данными между схемой теплогидравлики и схемой автоматики происходит через базу данных сигналов (рис. 4).
С помощью данной модели топливной системы можно проводить не только моделирование отдельных режимов, но также и моделирование системы при работе по профилю полета, включая отказные ситуации.
Рис. 2. Схема теплогидравлики ТС
Профиль полета
Параметры для двигателя Пр Параметры для двигателя Л
Алгоритмы откр./закр. кранов Алгоритмы для дополнительных баков
Определение расхода на двигатель (кг/ч) по высоте полета
Перевод в СИ
Полет Н1 № -►1 Пр Gl | кг/с | RashodR Gl |-»-(Х/Н k/s М 3L*H
т
v/T —1 I ЭЦН I-1
Задание расхода на двигатель, кг/ч
Перевод в СИ
] кг/с
Задание расхода на двигатель, кг/ч
| Л_61
np_Gl
32KB—<2>-
Задани^расхода
к
Задание расхода Перевод в СИ
отЭНЦ
|~Управление_ЕСМКоп |-^|е~ТК|-|^правление_ЕСМ1оп~|—
у(и) -»-Н ЭЦН 1
L-Ч ЭЦН I
ЭЦН | кг/с
ЭЦН КГ ЭЦН | Вт
Рис. 3. Схема автоматики ТС
На рисунках 5-7 приведены графики изменения высоты, скорости и массы топлива в баках по профилю полета. Очевидно, выработка топлива в основном осуществляется из заднего основного топливного бака. Передние топлив-
ные баки вырабатываются медленнее за счет работы струйных насосов; также видно, что расход топлива на крейсерском участке меньше, что приводит к замедлению выработки топлива.
Смагин Д.И., Старостин К.И., Савельев Р.С., Кобринец Т.А., Сатин А.А.
Рис. 4. База данных сигналов ТС
Высота, м
6000
5600 5200 4800 4400 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0
!00 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
Время с Рис. 5. Высота по профилю полета
Скорость, км/ч
200 190 180
170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
Время £, с Рис. 6. Скорость по профилю полета
Масса топлива
800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
Время с
Рис. 7. Масса топлива в баках по профилю полета
На рис. 8, 9 смоделирована ситуация отказа одного из электроцентробежных насосов (левого) и переход другого электроцентробежного насоса (правого) на повышенный расход топлива.
Расход ЭЦН Л, кг/ч
90 100 110 120 130 140 150
Время с Рис. 8. Расход ЭЦН Л
Расход ЭЦН Пр, кг/ч
420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100
1 "
1 >
--ЭНН Пю зад I -ЭЦН Пр тек :
-1-1-1-1-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Время t, с Рис. 9. Расход ЭЦН Пр
Стоит отметить, что для переходных режимов работы электроцентробежных насосов можно изменять время инерции насосов, за счет изменения коэффициента усиления в интегрирующем звене регулятора, который используется в логике работы насоса. Таким образом, можно проводить коррекцию работы системы в соответствии с экспериментальными данными.
В качестве примера моделирования бортовых систем летательных аппаратов рассмотрим систему нейтрального газа (СНГ).
Система теплогидравлики СНГ (рис. 10) включает в себя следующие модели: теплообменник, баки (топливные баки 1
В данном статье проводится моделирование работы СНГ на высоте Н = 12 км, с числом Маха М = 0,8. Давление наддува для работы системы выбрано условное, Рнаддува = 0,45 атм (изб.). Отбор воздуха осуществляется от горячей линии СКВ (задание параметров отбора вводится на пульте управления); по датчику температуры перед входом в СНГ работает
и 2, расходные баки), насосы (ЭЦН, СН), трубы, обратные клапаны, заслонки, местное сопротивление. Схема автоматики СНГ (рис. 11) структурирована по алгоритмам и включает в себя пульты управления параметрами открытия/закрытия кранов, включение/выключения насосов, а также заправкой.
заслонка РУ2, которая поддерживает заданную температуру +71 °С. Время моделирования соответствует включению системы в работу.
Как видно из рис. 12 заслонка по температуре срабатывает через некоторое время, после того как достигается необходимая температура на входе в СНГ (рис. 13). Текущая
Рис. 10. Схема теплогидравлики СНГ
Задатчик профиля полета
Полет Н1
Параметры полета
Т= 20 Р = 1,01 ES 1/=0 d = 17,6
Полет Та1т
> Скорость потока воздуха, м/с
Полет Ра1т
> Влагосодержание, г/кг
PI Ph
Полет Ml
> Температура восстановления Гг, "С
Перевод в СИ
Полет ТО
Полет РО
Pl_Th т JL_
{¡/Г til, ~»»(^)H"no/ieT_Gprod
кг/с
Задание расхода на двигатель, кг/ч
Управление температурой РУ1 для СНГ
|DTSNG_T1\
pyi_Stäte"
Управление температурой РУ2 для СНГ
DDI PI
DTSNG T1 Au)
Полет Patm
РУ2 State
Управление давлением РУЗ для СНГ
1.01937Е-05
_ 1.01937Е-05
| PresslL_Pl -
Управление давлением РУАдляСНГ^ 101937Е05
IPl_PnB2L Г "
Полет Patm |
1.01937Е-05
| Press2L Pl [>}
РУЗ State
РУ4 State
Управление давлением РУ5 для СНГ
1.01937Е-05
РУ5 State
_ 1.01937Е-05
I PresslR_Pl|—►] -
Управление давлением РУбдляСНГ 1Ш93?Е_05
Е
|press2R_Pl|-^[^T-
РУб State
Рис. 11. Схема автоматики СНГ
Профиль полета
Расходы Алгоритмы для заслонок
Смагин Д.И., Старостин К.И., Савельев Р.С., Кобринец Т.А., Сатин А.А.
температура на входе в СНГ совпадает с заданной и при этом поддерживается работой алгоритма управления заслонкой. На рис. 14 представлен график изменения давления наддува при работе системы. Из рисунка видно, что заданное давление наддува в баках достигается; колебания значения давления являются затухающими и определяются работой алгоритма управления заслонками РУ3-РУ6 (происходит изменение сопротивления заслонок по датчику давления). Плавность работы заслонок (амплитуду колебаний значения давления) можно снизить путем изменения алгоритма управления.
Открытиезаслонки
5
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Время с
Рис. 12. Открытие заслонки по температуре на входе в СНГ
Температура, °С
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
— — Заданная —
-у-
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Время с
Рис. 13. Температура воздуха на входе в СНГ
Давление
1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40
— — Заданное давление
- 1ек уще едаЕ шенк е
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Время с
60 65 70 75
Рис. 14. Давление наддува поддерживаемое заслонками
Концепция комплексной математической модели
В настоящее время прослеживается тенденция снижения количества натурных испытаний при проектировании и интеграции бортовых систем и переход к созданию комплексных математических моделей.
Основными задачами комплексной математической модели являются:
1) оптимизация архитектуры бортовых систем по критериям весового и энергетического совершенства на уровне комплекса бортовых систем;
2) сокращение сроков принятия решений по архитектурам комплекса бортовых систем на различных этапах проектов ЛА (например, применение или отказ от технологий «более электрический самолет» и т.п.);
3) полная имитация основных физических процессов проходящих в бортовых системах;
4) полная имитация алгоритмов управления бортовых систем и имитация их работы, отработка алгоритмов управления, контроля и информационного взаимодействия со смежными системами;
5) оценка взаимовлияния бортовых систем друг на друга, а также на самолет в целом;
6) оценка влияния совместной работы самолетных систем на топливную эффективность самолета;
7) имитация различных отказов и их сочетаний при работе бортовых систем, а также оценка их влияния на совокупность бортовых систем, оценка надежности и отказобезопасности комплекса бортовых систем;
8) оценка взаимодействия бортовых систем с внешней средой (геометрическими и математическими моделями отсеков, геометрическими и математическими моделями самолета, аэродинамическими нагрузками и т.д.);
9) сопровождение испытаний и процесса сертификации.
10) разработка концепции технического обслуживания и ремонта;
11) разработка структуры логистической поддержки.
Комплексная математическая модель самолета представляет собой совокупность математических моделей следующих систем:
• математическая модель маршевой силовой установки;
• математическая модель вспомогательной силовой установки;
• математическая модель ветродвигателя;
• математическая модель гидравлической системы в совокупности с системой шасси и системой дистанционного управления, а также опционально подключаемыми потребителями гидравлической энергии, такими как реверс двигателя, приводы дверей и т.п.;
• математическая модель системы кондиционирования воздуха в совокупности с системой нейтрального газа и воздушно-тепловой противообледенительной системой;
• система электроснабжения в совокупности со всеми потребителями электрической энергии;
• топливная система;
• остальные системы, такие как освещение салона, система пожарной защиты, кислородная система и т.п. не требующие полной имитации и задаваемые энергетическими, тепловыми и массовыми коэффициентами;
• математическая модель факторов внешней среды, таких как аэродинамические нагрузки, динамика полета, геометрические и математические модели отсеков, геометрические и математические модели самолета и т.д.
Структура комплексной математической модели приведена на рис. 15.
Бортовое оборудование
• Система пожарной защиты
• Кислородная система
• Пилотажно-навигационное оборудование
• БРЭО
• Система автоматического управления
• Комплексная система управления полетом
• Оборудование светотехническое
• Система водоснабжения и удаления отходов
• Система салона пассажиров
• Бортовая система технического обслуживания
• Система отбора воздуха
Факторы внешней среды
• Динамика полета •ЛТХ
• Аэродинамические нагрузки на конструкцию
• Внутренняя геометрия отсеков
• Тепловые нагрузки
• Внешние обводы
• Внутренняя геометрия отсеков
Пневматическая энергия Топливо
Механическая энергия Электрическая энергия Гидравлическая энергия
Рис. 15. Структура комплексной математической модели
Заключение
В программном комплексе SimInTech были разработаны модели бортовых систем: топливной системы для перспективного вертолета и системы нейтрального газа для перспективного самолета, включающие модели теплогидравлики, пульты управления и алгоритмы управления. Показано, что функционал разработанных динамических математических моделей в программном комплексе SimInTech является достаточным для выполнения задач не только этапа концептуального проектирования, но и последующих этапов жизненного цикла бортовых систем.
Подобные модели позволяют проводить расчеты параметров систем с учетом особенностей управления по датчикам (температуры, давления), а также в зависимости от профиля полета. С помощью возможности отключения блоков, можно реализовать отказные ситуации, например отключение насосов и др.
В работе также представлена концепция создания математической модели комплекса бортовых систем летательного аппарата, которая позволит решать не только расчетные задачи в рамках проектирования отдельных компонентов и систем, но и формировать достаточный объем данных по техническим и технологическим параметрам для сравнительного критериального анализа конкурирующих
вариантов как на уровне отдельных компонентов и систем, так и на уровне комплекса бортовых систем.
Программный комплекс SimlnTech обладает необходимым и достаточным функционалом как для создания и исследования моделей отдельных систем, так и для реализации концепции комплексной модели.
Литература
1. Innovation Process. Stage-Gate Idea-to-launch М^еГСтандарт по системе Stage-Gate. http://stage-gate.com.
2. Справка по SimlnTech: http://simintech.ru.
3. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных то-плив: справочник. М.: Химия, 1985. 240 с.
4. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд. М.: Наука, 1972. 721 с.
5. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета / пер. с польского / Под ред. П.Г. Романкова. Л.: Химия, Ленингр. отд., 1966. 536 с.
6. Карташов Б.А., Шабаев Е.А., Козлов О.С., Щекатуров А.М. Среда динамического моделирования технических систем SimlnTech. М.: ДМК Пресс, 2017. 424 с.
7. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
8. Соколов Е.Я., Зингер И.М. Струйные аппараты. 3-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989. 352 с.
