CC BY
178
Огурцов Алексей Алексеевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фокин Алексей, магистр, [email protected] Россия, Тула, Тульский государственный университет
GAS-DYNAMICS DRIVE STATISTICAL TESTING METHODS DESIGN O.V. Goryachev, V.V. Vorobyov, A.A. Ogurtsov, A.S.Fokin
The approach to physical modeling of gas-dynamic drive testing in laboratory stand was considered. Similarity analysis was performed; similarity criterions and modeling scales were obtained. The physical model design task was considered with full-scale gas change of full-scale gas for preheated air. The variant of laboratory stand parameters correction was calculated. The method of drive statistical tests was designed with estimate of operation speed for response time at dry friction random character in mechanics. Regression model was constructed.
Key words: laboratory stand, gas-dynamic drive, similarity criterions, phusical model, response time, dry friction, statistical tests, regression model.
Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Vorobyov Vasiliy Viktorovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Ogurtsov Alexey Alexeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Fokin Alexey Sergeevich , master of science, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.5.073: 681.513.3
СРАВНЕНИЕ ВОЗДУШНО-ДИНАМИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ С РАЗНЫМИ ТИПАМИ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЕЙ
В.С. Фимушкин, О.В. Горячев, А.С. Фокин
Рассмотрены воздушно-динамические рулевые привода (ВДРП) с разными конструкциями пневмодвигателя, а также проведен их краткий сравнительный анализ.
Ключевые слова: беспилотный малогабаритный летательный аппарат, рулевой привод, воздушно-динамический рулевой привод, воздушный поток, пневмодвига-тель, открытого типа, полуоткрытого типа, закрытого типа.
Центральным элементом системы управления, обеспечивающим функциональную взаимосвязь между устройствами формирования управляющего воздействия и органами управления беспилотного малогабаритного летательного аппарата (БМЛА), является рулевой привод, который в свою очередь является одним из основных узлов, определяющих технический уровень, надёжность функционирования, трудоемкость изготовления и стоимость БМЛА.
Рулевые приводы, как правило, осуществляют перемещение поворотных аэродинамических рулей БМЛА, а также являются автономным устройством, характеристики которого зависят от качественных и количественных показателей протекающих в нём физических процессов преобразования энергии источника питания в механическую работу. Их энергетические и массогабаритные характеристики существенно зависят от вида используемой энергии.
Вопреки мнению зарубежных ученых, о том, что невозможно использовать в качестве источника силовой системы рулевого привода (РП) энергию набегающего потока воздуха, в АО КБ приборостроения им. академика А.Г. Шипунова (г. Тула) впервые в мире создан принципиально новый рулевой привод для БМЛА (приоритет от 1973 года), названный «воздушно-динамический рулевой привод - ВДРП» (рис. 1).
Рис. 1. Применение ВДРП в БМЛА: 1 - воздухозаборное устройство; 2 - ВДРП; 3 - аэродинамический руль;
4 - устройство сброса воздуха; 5 - стабилизаторы
За более чем сорокалетний период были не только разработаны, но и экспериментально отработаны различные типы ВДРП, которые нашли свое применение в комплексах различного класса вооружения: противотанковые комплексы («Метис-М», «Корнет» и т.д), вооружение легкобронированной техники и танков («Инвар», «Кастет» и т.д), межвидовые комплексы («Клевок», «Вихрь»), артиллерийские комплексы («Китолов», «Грань»), комплексы противовоздушной обороны («Панцирь-С1»).
Основным достоинством ВДРП является отсутствие специального бортового источника рабочего тела, так как энергоносителем служит воз-
душный поток, забираемый в зоне повышенного давления и сбрасываемый в зоне пониженного давления общего поля аэродинамического давления, распределенного по корпусу БМЛА. Следовательно, пока БМЛА движется в ВДРП поступает рабочее тело для перемещения рулей и тем самым снимается ограничение на длительность управляемого участка полета, существующее при наличии бортового источника питания с конечным временем функционирования.
В конструкции воздушно-динамического рулевого привода (ВДРП) появился новый конструктивно-функциональный элемент — воздухоза-борное устройство. Традиционные элементы РП, такие как распределительное устройство, электромеханический преобразователь, силовой элемент (пневмодвигатель), устройство сброса воздуха, претерпели существенные схемные и конструктивные изменения.
Основными достоинствами ВДРП являются:
- сокращение объёма и массы БМЛА за счёт отсутствия специального источника питания силовой системы РП;
- стабильные динамические характеристики по времени полета БМЛА вследствие согласования имеющихся и требуемых энергетических характеристик;
- независимость массы и объема рулевого привода от времени работы;
- простота конструкции и обслуживания;
- небольшая трудоёмкость изготовления и надёжность работы;
- невысокая стоимость, за счет применения в конструкции недефицитных материалов (например, пластмасс), вследствие низких давлений и температур рабочего тела;
- снижение требований к точности выполнения элементов привода.
Основными недостатками ВДРП являются:
- зависимость статических и динамических характеристик РП от величины воздушного потока и параметров окружающей среды;
- увеличение сопротивления БМЛА на 2.. .4%.
Основным элементом силовой системы ВДРП является пневмодвигатель, который осуществляет непосредственное превращение энергии рабочего воздушного потока в механическую работу, связанную с перемещением аэродинамически нагруженных рулей летательного аппарата. Различают следующие типы пневмодвигателей: открытые, полуоткрытые, закрытые.
ВДРП с пневмодвигателем открытого типа
Первым воздушно-динамическим рулевым приводом стал ВДРП с пневмодвигателем открытого типа для изделия «Метис-1». Данный тип пневмодвигателя применяется для БМЛА с низкими дозвуковыми скоростями полёта (М = 0.2 - 0.6), так как в этом случае величины сил инерции и трения в ВДРП становятся соизмеримыми с шарнирной нагрузкой аэродинамических рулей.
В пневмодвигателе ВДРП с силовой системой открытого типа используется кинетическая энергия струи, истекающей из соплового блока. Воздушный поток обтекает исполнительные элементы пневмодвигателей, что вызывает распределённый характер действующих на него сил. При этом, несмотря на то, что силовые системы открытого типа допускают потери по полному давлению до 50%, они обладают малым трением в подвижных элементах, что и обеспечивает их работоспособность на скоростях полёта, соответствующих числу маха М = 0.2 - 0.6. Эти пневмодвигатели характеризуются низким и практически постоянным уровнем нагрузки трения, мало влияющим на соотношение нагружающего и развиваемого моментов пневмодвигателя даже при низкой энергетике рабочего воздушного потока.
Рабочие полости пневмодвигателя открытого типа выполняются в виде незначительных расширений определённых участков проточных каналов. Для совершения работы по перемещению аэродинамически нагруженных рулей в рулевых приводах с пневмодвигателем открытого типа используется динамическая составляющая рабочего потока воздуха, что предполагает выполнение площадей сечений в силовой системе соизмеримыми и не требует установки уплотнительных устройств в пневмодвигате-ле, что одновременно приводит к уменьшению сил трения в исполнительном элементе.
Принцип действия ВДРП с пневмодвигателем открытого типа.
При полёте БМЛА (рис. 2) воздух через воздухозаборное отверстие с фильтром 1 в обтекателе 8 попадает в полость высокого давления А. При поступлении сигнала от аппаратуры управления в обмотку 6 управляющего электромагнита, подвижный диск 2 распределительного устройства поворачивается на угол, равный углу поворота якоря 10 электромагнита, что приводит к смене состояний распределительного устройства: в новом состоянии группы открытых и закрытых пазов неподвижного диска 7 меняются местами. Через открытые пазы подвижного диска 2 воздух проникает в рабочую полость Б где воздействует на поршень 4, поворачивая его и соответственно отклоняя аэродинамический руль 5 в крайнее положение. Лишний воздух удаляется из привода в атмосферу через устройство сброса воздуха 11. При подаче сигнала управления на другую обмотку управляющего электромагнита, поршень 4 повернётся в другую сторону, отклонив при этом аэродинамический руль в другое крайнее положение.
ВДРП с пневмодвигателем полуоткрытого типа
Воздушно-динамический рулевой привод с пневмодвигателем полуоткрытого типа применяется в БМЛА с дозвуковыми скоростями полета (0,6 <М <0,9), так как характерное при переходе к сверхзвуковым скоростям изменение центра давления рулей и резкое, вследствие этого, увеличение аэродинамической нагрузки вызывает необходимость увеличения
запаса ВДРП по мощности, что отрицательно сказывается на его массога-баритных характеристиках.
1 А 2 3 Б 4 5 6 10 11
Рис. 2. Функциональная схема ВДРП с пневмодвигателем открытого
типа:
I - воздухозаборное отверстие с фильтром; 2 - подвижный диск;
3 - шпангоут; 4 - поршень; 5 - аэродинамический руль;
6 - обмотка управления; 7 - неподвижный диск; 8 - обтекатель;
9 - аппаратура управления; 10 - якорь;
II - устройство сброса воздуха; А - полость высокого давления;
Б - рабочая полость
Принцип действия ВДРП с пневмодвигателем полуоткрытого
типа
При полёте БМЛА (рис. 3) воздух через носовое отверстие в обтекателе 2, минуя фильтрующую сетку 1, попадает в полость высокого давления А. Через зазоры В между поршнем 3 и шпангоутом 4 воздух проникает в рабочие полости Б и Г исполнительного двигателя. При поступлении сигнала в одну из обмоток 7 управляющего электромагнита, подвижный диск 6 распределительного устройства поворачивается на угол, равный углу поворота якоря 8 электромагнита, что приводит к смене состояний распределительного устройства: в новом состоянии группы открытых и закрытых пазов неподвижного диска 5 меняются местами. Через открытые пазы подвижного диска 6 воздух проникает в полость сброса Д, затем в атмосферу. Из-за перепада давлений в рабочих полостях Б, Г происходит поворот поршня 3, связанного с аэродинамическими рулями управления БМЛА. При подаче сигнала на другую обмотку управления происходит поворот руля в противоположную сторону.
ВДРП с пневмодвигателем закрытого типа
Воздушно-динамический рулевой привод с пневмодвигателем закрытого типа применяется в БМЛА с трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями полёта (М > 0,6) и работает от перепада давлений заторможенного потока воздуха в двух герметичных полостях
Пневмодвигатель закрытого типа выполнен в виде глухих полостей, в которых истечение газа по периметру исполнительного элемента (поршня) исключается установкой простейших подвижных и неподвижных уп-лотнительных устройств, которые позволяют свести к минимуму неиспользуемую энергию газа, повышая тем самым коэффициент полезного действия. Однако установка уплотнительных устройств сопровождается возрастанием внутренней нагрузки на преодоление сил трения и потерей развиваемого РП момента, что ограничивает область его применение на скоростях полета, соответствующими М > 0,6, а явное усложнение конструкции вызывает повышение трудоемкости изготовления рулевого привода с пневмодвигателем закрытого типа.
1 2 А Б 3 В Г 4 5 6 Д 7 8
Рис. 3. Функциональная схема ВДРП с пневмодвигателем
полуоткрытого типа: 1 - воздухозаборник с фильтрующей сеткой; 2 - обтекатель; 3 - поршень; 4 - шпангоут; 5 - неподвижный диск; 6 - подвижный диск;
7 - обмотка управления; 8 - якорь электромагнита;
А- полость высокого давления; Б, Г - рабочие полости; В - зазор;
Д - полость сброса
Принцип действия ВДРП с пневмодвигателем закрытого типа
При полёте БМЛА (рис. 4) набегающий поток воздуха через носовой воздухозаборник 1 и полость высокого давления А поступает в рулевые машинки. При подаче сигнала управления с блока усилителей на управляющую обмотку 6 втяжного электромагнита, якорь 8 притягивается
к упору 4 и клапан 10 перекрывает поток воздуха в полость Г пневмоци-линдра 12. Поток воздуха поступает в полость В пневмоцилиндра 11 через открытый клапан 9 и приводит в движение поршень 13, шток 15, и коромысло 18, которое отклоняет аэродинамический руль 17 в крайнее положение, а также приводит в движение шток 16 и поршень 14, который освобождает полость Г от воздуха и направляет его в через полость низкого давления Б в устройство сброса 19. При подаче сигнала управления на обмотку 5 управляющего втяжного электромагнита аэродинамический руль 17 займёт другое крайнее положение.
Рис. 4. Функциональная схема ВДРП с пневмодвигателем
закрытого типа: А - полость высокого давления; Б - полость низкого давления; В, Г - полость пневмоцилиндра; 1 - воздухозаборник; 2 - обтекатель; 3, 4 - упор; 5,6 - обмотки управления; 7,8 - якорь; 9,10 - клапан; 11,12 - пневмоцилиндр; 13,14 - поршень; 15,16 - шток; 17 - аэродинамический руль; 18 - коромысло; 19 - устройство сброса воздуха
Основные характеристики различных типов пневмодвигателей, применяемых в конструкции ВДРП, для удобства сравнения представлены в таблице.
Несмотря на общность подхода при типовом рассмотрении ВДРП, для оценки целесообразности применения схемно-конструктивных решений необходимо рассматривать данный вопрос, соотнося выделенные свойства с их проявлением в составе БМЛА определенного вида.
Сравнение характеристик пневмодвигателей ВДРП
Параметры сравнения
Тип пневмодвигателя ВДРП
Открытый
Полуокрытый
Закрытый
Применение
При низких дозвуковых скоростях полёта БМЛА (М = 0.2 - 0.6),
При дозвуковых скоростями полета БМЛА (0,6 < Мн<0,9)
При трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях полёта БМЛА (М > 0,6)
Полезная мощность воздушного потока
5 %
8 %
13 %
Потери в пневматической системе
55 %
58 %
64 %
Эффективный КПД рулевого привода
5 - 6 %
8- 9 %
13 -15 %
Принцип управления аэродинамическими рулями
Релейные системы управления, вследствие высокого быстродействия
протекающих газодинамических _процессов_
Пропорциональные системы управления,
Наличие уплот-нительных элементов
Отсутствие уплотнительных устройств, в связи с этим малая величина трения в подвижных элементах
Применение уп-лотнительных устройств, которые приводят к увеличению сил трения и потерям развиваемого момента
Трудоемкость изготовления ВДРП
8 - 10 н/ч
14 - 18 н/ч
20 - 36 н/ч
Заключение
Воздушно-динамический рулевой привод нашел широкое применение в составе комплексов управляемого вооружения различного вида, но в качестве особенности работы РП, определяющей его использование, следует выделить зависимость статических и динамических характеристик от величины воздушного потока и параметров окружающей среды.
Список литературы
1. Шипунов А.Г., Фимушкин В.С., Никаноров Б.А. Системный подход к проектированию, конструированию и экспериментальной отработке воздушно-динамических рулевых приводов // Известия ТулГУ. Проблемы специального машиностроения. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 1999.
2. Илюхина Н.С., Фимушкин В.С., Чуканов К.П. Управляемые средства поражения комплексов высокоточного оружия: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 239 с.
3. Гусев В., Никаноров А.Б. Воздушно-динамический рулевой привод пропорционального управления в ракетах с трансзвуковыми скоростями полёта // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016
Фимушкин Валерий Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected] Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фокин Алексей Сергеевич, магистр, Aleks123 7@,hotmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARISON OF AIR-DYNAMIC STEERING ACTUATORS WITH DIFFERENT TYPES
OF PNEUMATIC ACTUATORS
V. S. Fimushkin, O. V. Goryachev, A. S. Fokin.
This article describes the air-dynamic steering actuator (VDRP) with different designs of the pneumatic motor, and also conducted a brief comparative analysis.
Key words: small Unmanned aircraft steering, air-dynamic steering actuator, air flow, air motor, open type, semi open type, closed type.
Fimushkin Valeriy Sergeevich, Candidate of technical sciences, professor, info@,sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical science, professor, info@,sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fokin Alexey Sergeevich, master of science, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
