CC BY
353
Том XXXV
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 4
№ 3 — 4
УДК 629.1.039.015
УСТОЙЧИВОСТЬ, УПРАВЛЯЕМОСТЬ И ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ЭКРАНОПЛАНОМ НА КРЕЙСЕРСКОМ РЕЖИМЕ ПОЛЕТА
В. Е. ГРЯЗИН, В. В. СТРЕЛКОВ
Рассматриваются некоторые особенности характеристик устойчивости и управляемости летательного аппарата при полете вблизи экрана и предлагаются принципы автоматизации штурвального управления перспективных морских пассажирских экранопланов.
Экранопланы представляют собой новый класс летательных аппаратов, как правило, самолетной аэродинамической компоновки [1], ориентированных на использование преимуществ полета в зоне влияния экранного эффекта. Экранный эффект проявляется в увеличении коэффициента подъемной силы и аэродинамического качества летательного аппарата при расстояниях от задней кромки крыла до поверхности воды, меньших длины хорды крыла. Аэродинамическое качество экраноплана при относительной высоте крейсерского полета над экраном И « 0.2 может быть таким же, как у современных пассажирских самолетов (К = 18 — 20). Такой уровень качества достигается при существенно меньших удлинениях крыла, чем у самолетов. На рис. 1 приведены значения величины аэродинамического качества некоторых известных самолетов и перспективных экранопланов в зависимости от параметра А, который определяется удлинением крыла, а также отношением площади крыла к общей омываемой площади
10 1---------------------------------------------------------------!--------------------'------------------
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 А
Рис. 1. Аэродинамическое качество самолетных компоновок
планера А = —— Ь^6 , [2]. Кроме того, экранный эффект позволяет обеспечить собственную
р’и
устойчивость движения
по высоте средствами аэродинамической компоновки.
Полет в непосредственной близости от поверхности воды в узком эксплуатационном диапазоне высот, измеряемом долями длины хорды крыла, налагает существенные ограничения на допустимые маневры летательного аппарата и заставляет по иному посмотреть на требования к характеристикам устойчивости, управляемости и на принципы управления экранопланом. Опыт разработки и эксплуатации построенных морских экранопланов доказал необходимость использования специфической техники пилотирования и разработки автоматизации управления [3], направленной на улучшение характеристик устойчивости и управляемости, обеспечение безопасности полета и снижение нагрузки на пилотов.
1. Особенности динамики полета в зоне экранного эффекта. Анализ установившихся режимов полета показывает, что балансировочные характеристики летательного аппарата в зоне значительного влияния экранного эффекта (к < 0.5) принципиально отличаются от самолетных. В продольном канале управления заданному углу атаки и режиму работы двигателей экраноплана соответствует определенная скорость и высота полета (рис. 2). В поперечном канале наличие управляющего момента крена в зоне экранного эффекта приводит к установлению определенного угла крена.
Характеристики собственной устойчивости (и критерии устойчивости) [4], [5] претерпевают значительные изменения в рассматриваемом узком диапазоне высот в непосредственной близости от поверхности воды. Проблема обеспечения устойчивости становится более актуальной
на перспективных грузопассажирских экранопланах, поскольку из-за стремления к повышению весового совершенства конструкции наметилась тенденция к сокращению площадей стабилизирующих поверхностей и, как следствие этого, — к уменьшению запаса продольной устойчивости. Собственные характеристики устойчивости (без системы улучшения устойчивости) экранопланов нового поколения могут оказаться неблагоприятными из-за близости границ устойчивости к области крейсерских режимов полета (рис. 2) и сближения собственных частот угловых и траекторных колебаний (рис. 3). Следует отметить, что характеристики устойчивости и управляемости как продольного, так и бокового движений в рассматриваемом диапазоне высот существенно нелинейно зависят от высоты над экраном. Это ограничивает возможность использования линеаризованных уравнений движения для анализа характеристик управляемости. Например, реакция экраноплана в вертикальной плоскости на
а=10о 90
70 60
40
Рис. 2. Область установившихся режимов полета экраноплана
80
50
а = 6"
и= 1.2 _____ UC.lt Л-С116 ^ й = =(р\
/7 = 03^ Л-0"
1 г. = и ‘ * к- 0.6 У л = 1 с>
< \ 1 -=<ю *е Л =00*
1т
0.8
0.4
1*е -1.6
-1.2
-0.!
-0.4
0
Рис. 3. Корни характеристического уравнения продольного движения
экраноплана
Рис. 4. Реакция экраноплана на ступенчатое отклонение руля высоты
о
управляющее возмущение зависит от исходной высоты полета, величины и знака возмущения (рис. 4). Естественная «привязка» летательного аппарата к поверхности экрана, которая характеризуется чувствительностью высоты полета к изменению скорости полета и угла атаки, ослабевает по мере удаления от экрана и практически исчезает при к > 1. Действительно, из условия силовой балансировки летательного аппарата
в вертикальной плоскости
2
—суёУ + сай а + сУёк = 0 (1)
у У У У
следует:
а
ёк 2 су ёк су
ёУ | а=еоп§1 У ск ёа | у=сош! ск
у
При с^ ^ 0 минимальные возмущения соответствующего знака приводят к уходу
летательного аппарата от экрана. Диаграмма, приведенная на рис. 2, позволяет легко оценить допустимые величины возмущений по углу атаки и скорости полета при различных исходных режимах крейсерского полета.
Представляет также интерес чувствительность экраноплана с «зажатым управлением» (5а = const) к возмущениям по скорости. Из совместного анализа условий силовой (1) и моментной балансировки
т<а d а + mhdh + тъ'л d5d = О d
(2)
следует:
dh
dV| 5з
const
2 Су ( xfa" xO )
- xfh )
(3)
_ т
= xo —
— — m^
q-h. — координаты характерных аэродинамических точек:
с,.
и xfh = x" -
где XQ, xfa
~y
центра тяжести, фокуса по углу атаки и фокуса по высоте. Из выражения (3) видно, что при «зажатом» управлении чувствительность высоты к изменению скорости полета зависит не только
от величины с^, но и от относительного расположения фокусов летательного аппарата,
характеризующего устойчивость продольного движения. Для обеспечения апериодической устойчивости необходимо выполнение условия Xfa- Xfh > 0, [4]. Следовательно, по наклону
балансировочной кривой h (V) при 5а = const можно судить об устойчивости летательного аппарата. Апериодической устойчивости соответствует область режимов полета с
„ dh
положительной производной-------- > 0 .
dV | 5g =const
В поперечном и путевом движениях экранопланы, как правило, обладают собственной устойчивостью. Особенностью собственного возмущенного движения в зоне влияния экранного эффекта является колебательный характер движения крена (рис. 5). Недостаточное демпфирование связанных колебаний крена и рыскания практически не зависит от высоты над экраном
и может быть в равной степени свойственно экранопланам и самолетам.
По мере удаления от подстилающей поверхности и ослабления экранного эффекта характеристики управляемости экраноплана приближаются к характеристикам самолета и при
h > 1.0 +2.0 становятся практически идентичными самолетным.
Одна из важнейших проблем управления экранопланом связана с удержанием летательного аппарата в узком эксплуатационном диапазоне высот полета при действии различных
a п С\ о h = 0 16 — да %
h = 0.1 5
0.2 Д
да О 0.5 *0=0п =0= 0.3 j 0. 3 0.5
Im
0.8 —
Re -1.4
-1.2
-1
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2
1.2 —
0
Рис. 5. Корни характеристического уравнения бокового движения экраноплана
возмущений, в том числе в случае порывов ветра, отказов на борту и действий пилота. По условиям безопасности недопустимы резкие маневры как в продольном, так и в поперечном каналах управления, которые могут привести к выходу летательного аппарата из эксплуатационной области (уход от экрана) или к столкновению с поверхностью воды (см. рис. 4). Изменение высоты полета без риска выхода за пределы эксплуатационной области возможно только при пу ~ 1, а развороты по курсу — только при относительно небольших углах
крена. Следствием этих ограничений является относительно низкая маневренность экраноплана, и соответственно встает вопрос возможности их применения на оживленных акваториях и руслах извилистых рек. Для следования по заданному маршруту и обхода препятствий можно рассматривать как маневр в горизонтальной плоскости, так и вертикальный маневр [6].
Рассмотрим более подробно горизонтальный маневр. На рис. 6 показаны два случая: уклонение от столкновения с одиночным препятствием (например, кораблем) и уклонение от столкновения с группой кораблей или береговой линией. Очевидно, что в последнем случае требуются наименьшие радиусы разворота. Приближенно радиус разворота можно оценить по следующей формуле:
Я.
V 2
где п2 — перегрузка в связанной системе
координат; у — угол крена.
Наиболее простым и безопасным является «плоский» разворот с углами крена, близкими к нулю у«0. Центростремительная сила создается только за счет угла скольжения. При плоском развороте получается максимальный радиус разворота (рис. 7) и, соответственно, максимальная необходимая для маневра дистанция Ьт. Если в качестве препятствия рассматривать береговую линию, то минимальная дистанция, необходимая для маневра, будет близка к радиусу разворота: Ьт «Я. Например, при скорости полета
Рис. 7. Радиус разворота экраноплана
V ~ 400 км/ч радиус «плоского» разворота и необходимая дистанция для маневра оцениваются величиной Lm « R « 12 — 13 км. Дальность обнаружения препятствия радаром Lr может быть сопоставима с этой величиной. Необходимо отметить, что от момента обнаружения препятствия до начала маневра требуется определенное время td для распознавания препятствия, оценки ситуации и принятия решения о выполнении маневра. Иногда это время может измеряться десятками секунд, за это время экраноплан преодолевает расстояние Ld = Vtd в направлении препятствия.
Второй неблагоприятной особенностью плоского разворота является наличие боковой перегрузки nz в связанной системе координат. С целью обеспечения комфорта пассажиров и экипажа максимальная величина боковой перегрузки должна быть ограничена.
Использование управления по крену позволяет заметно повысить маневренность экраноплана. Например, теоретически минимально возможный радиус разворота при
использовании крена уmax = 15° и скольжения (nzan = 0.1) в 3 — 4 раза меньше радиуса
плоского разворота (рис. 7). Очевидно, что допустимый угол крена является функцией высоты
полета уш = уац (А).
Разворот с креном и скольжением представляет особый интерес, поскольку реализуется при управлении педалями вследствие естественной правильной реакции экраноплана по крену на
отклонение руля направления. В зависимости от величины me для реализации разворота с минимальным (для заданной постоянной высоты полета) радиусом при максимальном отклонении руля направления может потребоваться либо ограничение, либо усиление естественной реакции летательного аппарата по крену. Для разворота с углами крена Ymax > Тал (А) требуется увеличение высоты полета по сравнению с исходной.
При развороте необходимо управление всеми аэродинамическими органами и двигателем. Исследования на пилотажном стенде ЦАГИ показывают, что только плоский разворот может быть выполнен летчиком достаточно успешно в режиме ручного пилотирования. Пространственный разворот с максимальным углом крена и необходимостью соответствующего увеличения высоты полета требует наличия автоматизированной системы управления.
Существует потенциальная возможность расхождения с препятствием за счет маневра в вертикальной плоскости с выходом из зоны действия экранного эффекта. Однако для безопасности использования такого маневра в массовой эксплуатации следует обеспечить приемлемые характеристики устойчивости и управляемости и отработать соответствующую методику пилотирования в более широком диапазоне высот полета. Кроме того, необходимость такого маневра для пассажирского экраноплана на сегодняшний день недостаточно обоснована.
Таким образом, экраноплан является сложным объектом управления, требующим достаточно высокого уровня автоматизации управления. Для морских экранопланов нового поколения целесообразно рассмотреть вопрос о перераспределении функций управления между пилотом
и автоматической системой управления в сторону уменьшения роли «человеческого фактора» в процессе управления. Это продиктовано, прежде всего, дефицитом времени у пилота на принятие правильных решений при полете в непосредственной близости от поверхности воды. Поэтому даже в режиме ручного пилотирования целесообразно переложить значительную часть функций управления всеми органами на автоматическую систему.
Основными задачами автоматизации штурвального управления являются следующие:
обеспечение необходимых характеристик устойчивости и управляемости в эксплуатационной области режимов полета;
улучшение маневренных характеристик (уменьшение радиуса разворота) на крейсерских режимах полета;
обеспечение достаточно простой техники пилотирования в режиме штурвального (ручного) управления для снижения нагрузки на пилота и повышения безопасности эксплуатации на всех режимах, включая взлет и посадку;
предотвращение выхода экраноплана на опасные режимы полета.
Рис. 8. Управление высотой полета через отклонение руля высоты
2. Принципы автоматизации управления экранопланом. При значительном внешнем сходстве и одинаковых органах и рычагах управления экраноплана и самолета управление экранопланом должно принципиально отличаться от самолетного. Как было показано выше, изменение параметров крейсерского режима экраноплана должно осуществляться при пу «1 и
небольших углах крена. Поэтому основным органом управления в продольном канале на крейсерских режимах является двигатель. В этом случае изменение высоты полета происходит в темпе увеличения скорости. Исследования на пилотажном стенде ЦАГИ показывают, что длительный переходной процесс по высоте отрицательно оценивается пилотами. На существующих экранопланах пилоты вынуждены в начале маневра дополнительно отклонять руль высоты, чтобы уменьшить время перехода на другую высоту полета и компенсировать возмущающий момент тангажа от изменения тяги двигателей.
Управление высотой через отклонение руля высоты в узкой области режимов полета вблизи экрана требует от пилотов значительного напряжения и возможно только при существенно больших (по сравнению с неманевренными самолетами) расходах рычага продольного
управления на единицу перегрузки ХПу. Для иллюстрации влияния величины ХПу на характеристики управляемости экраноплана на рис. 8 приведены результаты решения пилотом тестовой задачи на пилотажном стенде. Пилот выполнял задачу перехода с одной высоты полета на другую, стабилизацию летательного аппарата на новой высоте и возвращение к исходному
режиму полета. При Xп° *-200 11/а.а. 1 аб поставленная задача, особенно стабилизация летательного аппарата на большей высоте, оказалась для пилота трудновыполнимой. Оценка летчика в данном случае составила PR = 5.5 баллов по шкале Купера — Харпера. В качестве объективных показателей процесса управления использовались число колебаний N до момента балансировки экраноплана
на новой высоте и величина просадки АН при возвращении к исходной высоте полета. Было показано, что наилучшее качество выполнения задачи достигается при величинах
Хп° * -400 ^-600 1 1 /аа. 1 аб, что на порядок больше (по абсолютной величине) допустимых величин Хп для тяжелых неманевренных самолетов. Улучшение характеристик управляемости
У1 '
летательного аппарата отразилось и на оценке летчика: PR = 3 при Ха° *-400 1 1 /аа. 1 аб. Объективные критерии также подтверждают улучшение характеристик управляемости экраноплана при увеличении расхода рычага продольного управления на единицу перегрузки.
Замыкание контура управления тангажом через пилота недостаточно обосновано в смысле безопасности, особенно при продолжительном полете в режиме ручного пилотирования. Именно вследствие изменения углового положения летательного аппарата происходит наиболее быстрое искривление траектории полета, которое может привести к столкновению с поверхностью воды или удалению от нее с последующим развитием опасного пространственного движения, или раскачке экраноплана пилотом при попытке восстановить исходную высоту полета после действия возмущения. На перспективных экранопланах целесообразно обеспечивать приемлемое время срабатывания по высоте при постоянном угле тангажа за счет автоматического управления закрылками как органами непосредственного управления подъемной силой. При этом руль высоты необходим для плавной перебалансировки экраноплана при изменении высоты и скорости, а также парирования возмущений по тангажу в том числе:
при взлете, когда необходимость отклонения руля высоты может быть продиктована особенностями изменения возмущающего момента тангажа в процессе разбега и отрыва от воды;
на переходных режимах полета, когда требуется парировать возмущающие моменты тангажа при выпуске и уборке взлетно-посадочной механизации;
при отказных ситуациях (например, отказ двигателя) и в некоторых других случаях.
С целью обеспечения безопасности полета необходимо ограничить возможность использования пилотом штурвала на крейсерском режиме [7] — [10], либо обеспечить требуемую реакцию экраноплана по тангажу (высоте полета) на отклонение штурвала во всем эксплуатационном диапазоне высот за счет выбора соответствующих алгоритмов автоматической системы управления. Одним из способов ограничения непреднамеренного вмешательства пилота в управление рулем высоты является применение в механизме загрузки штурвальной колонки пружины
с предварительным затягом, подключаемой через фрикционную муфту сцепления. Необходимая перебалансировка экраноплана при изменении параметров крейсерского полета в таком случае осуществляется через механизм эффекта триммирования. Заметим, что ограничение движения по тангажу практически не снижает эксплуатационных характеристик экраноплана как транспортного средства для грузопассажирских перевозок, но существенно упрощает управление и повышает безопасность.
Стабилизацию установленного значения угла тангажа & = &0 и парирование возмущений по тангажу можно возложить на автоматическую систему управления в контуре руля высоты
^N00 = (^-^0) + к\\(^-^0)& .
Автоматическое демпфирование и стабилизация углового положения экраноплана оказывают благоприятное влияние на устойчивость и динамические характеристики продольного возмущенного движения летательного аппарата в зоне влияния экранного эффекта. На рис. 9, а
приведены траектории корней характеристического уравнения продольного возмущенного движения при изменении коэффициента демпфера тангажа 5а^6 = кю Ю . В случае S = const
система уравнений движения экраноплана в вертикальной плоскости упрощается до второго порядка (при V = const) с двумя устойчивыми колебательными корнями.
Эффективным средством повышения устойчивости продольного движения является автоматизация контура управления закрылками (флаперонами). Расчет корней характеристического уравнения продольного возмущенного движения (рис. 9, б) показывает значительное улучшение демпфирования колебаний по высоте при включении закрылков в систему повышения устойчивости:
5 ,, = к • h .
9NOO h
Отмеченные выше колебательность движения крена и недостаточное демпфирование связанных движения крена и рыскания летательного аппарата могут быть устранены путем использования демпферов крена и рыскания:
5.,.,, = к.,. юх, 5.^,, = кю юу. (рис. 10)
YNOO юх х ’ 1NOO ю у у '
Рис. 10. Изменение корней характеристического уравнения бокового движения экраноплана при использовании
системы улучшения устойчивости; h = 0.2
Одной из наиболее важных задач автоматизации является уменьшение радиуса разворота экраноплана путем максимального использования потенциальных возможностей летательного аппарата при достаточно простой методике пилотирования. В настоящей работе задача управления ставится таким образом, чтобы основное управление по курсу осуществлялось через отклонение педалей, которым задается интенсивность разворота: при максимальном ходе педалей должен выполняться разворот с минимальным радиусом. Необходимое для разворота управление элеронами, рулем высоты и тягой двигателей осуществляется автоматизированной системой штурвального управления. У пилота сохраняется возможность корректировки маневра путем вмешательства в управление всеми органами управления. Могут рассматриваться разные варианты реализации автоматизированного разворота. Ниже приведен один из возможных вариантов такого маневра.
В зависимости от отклонения педалей и высоты под реданом hs перед началом разворота
средствами автоматизации штурвального управления реализуются следующие формы движения:
*
1. «Плоский разворот при h6d = const», если | Х{ |<1Х |, h6 >h,,s (рис. 11, а):
в = в(Xi), Y = 0; h6 6 = const,
где h5 6 — высота центра тяжести над поверхностью воды; h^ — минимально допустимая
*
высота элементов конструкции экраноплана над поверхностью воды; Xj — величина хода педалей, ограничивающая область «малых» управляющих сигналов.
2. «Разворот с креном и скольжением при h5 6 = const», если | Х{ |>|Х*|, h0 >h,,s (рис. 11, б):
Р = Р( Xj), Y = Y (Xi); h66 = const, где h0 — высота концевого поплавка над поверхностью воды.
*
3. «Пространственный разворот», если | X£ | > | X£ |, h0 = hAkg (рис. 11, в):
P = P(XY = Y(Xi); ho.6 >h0.
Последняя наиболее сложная форма движения с изменением всех фазовых координат (скольжение, крен, высота) реализуется только при необходимости экстренного изменения курса на минимальных высотах экранного полета. Вторая форма движения близка к естественной реакции экраноплана на отклонение педалей при стабилизации пилотом высоты и скорости. Плоский разворот — наиболее простой и легко выполняемый пилотом маневр при небольших корректировках курса. В штатных условиях эксплуатации, вероятно, в основном будут реализовываться первые две формы движения. Разработаны алгоритмы автоматического управления элеронами, рулем высоты, закрылками и тягой двигателей, с помощью которых выполняется описанный выше маневр разворота и обеспечивается использование потенциальных возможностей экраноплана при управлении только через педали.
В заключение следует подчеркнуть, что для пассажирского экраноплана автоматизация требуется практически во всех контурах управления. По уровню сложности алгоритмы автоматизации экраноплана сопоставимы с алгоритмами автоматизации современных магистральных самолетов.
Авторы считают необходимым отметить, что изложенные в работе результаты получены в процессе совместной работы с ОАО «ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева», а также выразить свою благодарность профессору Г. В. Александрову (ЦАГИ) за очень полезное для работы обсуждение вопросов идеологии управления новым типом летательного аппарата и ведущему инженеру ЦАГИ Уткиной Е. Е. за помощь в подготовке настоящей статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маска лик А. И., КолызаевБ. А., Жуков В. И., Радовицкий Г. Л.,
Синицин Д. Н., Загорулько Л. К. Экранопланы. Особенности теории и проектирования. — СПб.: Судостроение. — 2000.
2. Баринов В. А. Аэродинамика дозвуковых магистральных самолетов. Энциклопедия. Т. IV-21. — М.: Машиностроение. — 2002.
3. Диомидов В. Б. Автоматическое управление движением экранопланов. — СПб.:
ЦНИИ «Электроприбор». — 1996.
4. Иродов Р.Д. Критерии продольной устойчивости экраноплана // Ученые записки ЦАГИ. — 1970. Т. I, № 4.
5. Жуков В. И. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана. — М.: Изд. отдел ЦАГИ. — 1997.
6. Брагазин В. Ф., Стрелков В. В. Автоматизация маневра разворота
летательного аппарата в горизонтальной плоскости в непосредственной близости от поверхности воды // Труды IV Международной научно-технической конференции по гидроавиации. —
Геленджик, Россия, 4 — 8 сентября 2002 г.
7. Gryazin V. E., Strelkov V. V., Shelyukhin Yu. F., Alexeev V. V., Kirillovikh V. N. Concepts for Manual Control Systems of Light-Weight WIG Effect Vehicles //
Proceeding of V International Symposium «New Aviation Technologies of the XXI Century». —
Russia, Zhukovsky, August, 17 — 22, 1999.
8. Strelkov V. V. Control tasks and manual control system for the wing-in-ground effect vehicle // Proceeding of the International Conference on Ground Effect Machines. — S-Petersburg, Russia, 21 — 23 June 2000.
9. Александров Г. В., Грязин В. Е., Стрелков В. В. Особенности динамики и принципы управления летательным аппаратом при полете в непосредственной близости от поверхности экрана / Сб. «Современные проблемы динамики и управления летательных аппаратов» // Труды ЦАГИ. — 2001. Вып. 2649.
10. Александров Г. В., Грязин В. Е., Стрелков В. В. Принципы автоматизации управления пассажирским экранопланом /Сб. докладов IV научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2002». — Изд. отдел ЦАГИ. — 2002.
Рукопись поступила 22/IV 2003 г.
