Диссертация (Исследование кинематики, динамики и рабочих процессов активной боковой ручки управления самолетом)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образованияМосковский авиационный институт(национальный исследовательский университет)На правах рукописиМакарин Михаил АлександровичИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ, ДИНАМИКИ И РАБОЧИХПРОЦЕССОВ АКТИВНОЙ БОКОВОЙ РУЧКИ УПРАВЛЕНИЯСАМОЛЕТОМСпециальность05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук, профессорСамсонович Семён ЛьвовичМосква 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

4ГЛАВА 1. Постановка задачи ...................................................................................... 151.1 Объект исследования ........................................................................................... 151.2 Направления развития боковых ручек управления в военной авиации .................... 161.3 Направления развития боковых ручек управления в гражданской авиации ............. 191.4 Анализ существующих схем и конструкций боковых ручек управления .... 221.5 Обзор существующих активных боковых ручек управления ......................... 291.6 Выводы по главе 1................................................................................................ 34ГЛАВА 2.

Синтез схемных и конструктивных решений для разработки макетабоковой ручки управления ........................................................................................... 352.1 Обоснование архитектуры построения боковой ручки управления............... 352.2 Анализ режимов работы макета боковой ручки управления .......................... 442.3 Обоснование требований к приводной системе боковой ручки управления 472.4. Параметрический синтез выбранной схемы боковой ручки управления ..... 492.5 Разработка трехмерной модели боковой ручки управления ........................... 582.6 Выводы по главе 2................................................................................................

61ГЛАВА 3. Математическое моделирование привода боковой ручки управления. 623.1 Разработка математической модели привода боковой ручки управления .... 623.2 Результаты математического моделирования привода боковой ручкиуправления .................................................................................................................. 713.3 Выводы по главе 3................................................................................................ 81ГЛАВА 4.

Математическое моделирование боковой ручки управления................ 824.1 Математическое моделирование работы одной боковой ручки управления 824.2. Математическое моделирование работы пары боковых ручек управления . 904.3 Методика проектирования боковой ручки управления ................................... 944.4 Выводы по главе 4................................................................................................ 953ГЛАВА 5 Испытания изготовленных макетов боковых ручек управления ........... 965.1 Разработка электронного блока управления ..................................................... 965.2 Определение статических характеристик боковых ручек управления ........

1065.3 Определение динамических характеристик боковых ручек управления..... 1105.4 Выводы по главе 5.............................................................................................. 112ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 113СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 1144ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияУправлениепилотируемымиЛАневозможнобезручныхоргановуправления. Современные тенденции развития ручных органов управлениянаправлены на создание боковых ручек, взамен традиционных штурвалов ицентральных ручек управления.Боковая ручка управления (БРУ) представляет собой устройство, подобноеджойстику, имеющему две степени свободы, которое размещается справа илислева от подлокотника кресла пилота в зависимости от компоновки кабины.Боковые ручки управления применяются на таких самолетах как F-16(введен в эксплуатацию в 1978 году), Airbus A-320 (введен в 1988 году), DassaultRafale (введен в 2001 году), SSJ-100 (введен в 2011 году) и других.

Они являютсясредством улучшения общей эргономики кабины, видимости панели приборов ииндикаторов и упрощают доступ к рабочему месту летчика. Однако эти БРУявляютсяпассивнымиорганамиуправления,построенныминаосновемеханических пружин и демпферов, не содержат приводных элементов, поэтому,при наличии двух постов БРУ, не могут работать синхронно.Эти и другие недостатки пассивных БРУ могут быть решены применениемактивных БРУ, в которых функции загрузчика, демпфера, ограничителяпредельных режимов, синхронизации ручек командира и второго пилота будутрешаться при помощи интеллектуальной системы управления со следящимиприводами в каналах тангажа и крена.

Научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по созданию активных БРУ ведут ведущие зарубежные иотечественные производители органов управления самолетами.В активных БРУ используются, как правило, электромеханическиеприводы, которые позволяют паре БРУ работать синхронно. Эта синхронностьработы дает пилотам лучшую информационную осведомленность о работе парыБРУ и исключает путаницу при одновременном управлении двумя летчиками засчет того, что система управления БРУ позволяет имитировать наличие5механической проводки и реализовать «пересиливание» при управлении.Сдерживают применение активных БРУ технические проблемы, связанные сразработкой приводов, алгоритмов и программного обеспечения, увеличенные посравнению с пассивными БРУ габариты за счет необходимости резервированияприводов, а также проблемы сертификации, связанные с подтверждениемтребуемой интенсивности отказов. Тем не менее, отечественный МС-21 – первыйпассажирский самолет с активными БРУ фирмы Ratier Figeac (Франция) –находится на этапе летных испытаний.

Перед отечественной промышленностью вближайшее время встанет проблема создания активной БРУ для военной авиации,а также импортозамещения в гражданской.Актуальность проблемы заключается в создании малогабаритных активныхБРУ на основе электромеханических приводов.Степень разработанности темы исследованияНесмотря на привлекательность использования БРУ в бортовых системахуправления, пассивным и активным БРУ присущ ряд недостатков, среди которыхналичие эффекта «присоединенной массы», заключающийся в том, что колебаниясамолета по каналу курса могут передаваться в канал крена через руку пилота,непосредственно управляющего самолетом. При этом существующие серийныеобразцы БРУ являются «пассивными», то есть отсутствует активное нагружение исинхронная работа пары ручек при отклонении одной из них, а также имеет местосложность и громоздкость некоторых конструкций.В известных автору работах по активным БРУ [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10] неуделено специального внимания влиянию внешних силовых воздействий на ручкууправления, наличие которых сказывается на частотных характеристикахприводов БРУ.

Автор полагает, что решение проблемы улучшения динамическиххарактеристик приводов и БРУ в целом следует искать в способах коррекцииуправляющих воздействий, формируемых системой управления БРУ.ПеречисленныевышенедостаткиактивныхБРУобусловленыихконструктивно-кинематическими особенностями и расположением в кабине.6Кроме того, активные БРУ могут компенсировать «эффект присоединенноймассы» за счет реализации специальных алгоритмов в системе управления БРУ.Цели и задачиЦелью диссертационной работы является исследование кинематики,динамики и рабочих процессов активной БРУ самолетом и создание методикипроектирования активной БРУ, которая включает в себя параметрический синтезэлектроприводов каналов тангажа и крена БРУ, выбор способа коррекции иопределениепараметровкорректирующихустройств,обеспечивающихтребуемые динамические характеристики в ручном и автоматическом режимах.Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:−Получить кинематическую схему малогабаритной активной БРУ спомощью морфологического анализа.−Сформировать требования к приводной системе БРУ.−Разработать математическую модель, учитывающую конструктивныеи динамические особенности БРУ, а также «эффект присоединенной массы».−Сформировать алгоритмы работы БРУ в различных режимах ипереключения между режимами.−Разработать макетные образцы пары активных БРУ и провестиэкспериментальные исследования на соответствие результатам математическогомоделирования.Научная новизна−Разработана методика проектирования активной БРУ, котораявключает в себя параметрический синтез электроприводов каналов тангажа икрена БРУ, выбор способа коррекции и определение параметров корректирующихустройств, обеспечивающих требуемые динамические характеристики в ручном иавтоматическом режимах.−Предложена кинематическая схема активной БРУ самолета и ееконструктивная реализация с применением электроприводов с волновымиредукторамивканалахтангажаикрена,позволяющаяобеспечить7функционирование БРУ в ручном и автоматическом режимах, а также работупары БРУ в режиме синхронизации.Теоретическая и практическая значимость работы−МатематическаямодельактивнойБРУ,котораяпозволяетисследовать физические процессы, протекающие в активной БРУ, оцениватьдинамику приводов БРУ и подбирать параметры корректирующих устройств дляобеспечения требуемых динамических свойств.−Изготовленные макетные образцы активной БРУ и блока управлениямогут быть использованы в опытно-конструкторских работах и учебном процессе.Методология и методы исследованияОсновой исследования стал морфологический анализ конструктивнокинематической схемы.