Белоконь С.А. Разработка матмоделей, методов и средств исследования аэродинамики (2018) (1245245), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Так, например,независимо друг от друга, Отто Лилиенталь и К.Э. Циолковский установилипреимуществавогнутойнесущейповерхностипередплоской.Модель,представленная Альфонсом Пено, является первой моделью, где успешнообеспечена устойчивость с помощью горизонтальной хвостовой поверхности,расположенной сзади [1 — 5]. Но исследования в аэродинамических трубахобладают рядом ограничений, связанных с разницей в геометрических размерах7моделииполноразмерногоаппарата,интерференциейстентоннеляиудерживающих устройств, «угловатостью» потока в тоннеле, разницей чиселРейнольдса и т.
д.Применение технологии исследования характеристик летательных аппаратовс использованием свободнолетающих динамически подобных моделей [6 — 8]позволяет обойти эти ограничения. Летающие динамически подобные моделииспользуются при разработке новых самолетов с начала сороковых годов XX века[9]. Однако, вследствие несовершенства измерительной аппаратуры, отсутствияинерциальных навигационных систем и малогабаритных силовых установок этотметоддлительноевремярассматривалсятолькокакдополнительныйкиспытаниям в аэродинамических трубах.В настоящее время на крупных самолетостроительных фирмах США иЕвропы исследования на летающих моделях прочно вошли в процесс разработкиновыхаэродинамическихкомпоновоклетательныхаппаратовисистемавтоматического управления.
Основными причинами быстрого и широкоговнедрения ЛДПМ в процесс проектирования новых летательных аппаратовявляются с одной стороны расширение круга задач, недоступных дляисследований в аэродинамических трубах. С другой стороны – появлениемикроминиатюрныхрадиоэлектронныхустройств,позволяющихсоздатьсовершенный бортовой информационно-измерительный комплекс на моделяхотносительно небольшого размера, внедрение композиционных материалов итехнологий для быстрого изготовления планера, появление размерного рядапоршневых и газотурбинных двигателей с высокой удельной мощностью,пригодных для использования в качестве силовой установки летающих моделей.Традиционные режимы полета, исследуемые с помощью ЛДПМ – сваливание,штопор и вывод из штопора – дополнились режимами пространственногоманеврирования с большими перегрузками, изучением особенностей работысистем автоматического управления, систем активного управления перегрузкой,аэроупругости конструкции и ее влияния на аэродинамические и летно8технические характеристики, исследованием возможностей отклонения векторатяги.В СССР исследования на ЛДПМ были начаты в лаборатории летныхисследованийфизического(сегодня«Научно-исследовательскиймоделирования»Украины[10])институтХарьковскогопроблемавиационногоинститута в конце 60-х годов прошлого столетия.
Изготовлены и испытанымодели маневренных самолетов Российских конструкторских бюро: Су-7Б, Су-27,Су-47, МиГ-29, высотного самолета М-55 «Геофизика». Путем выявлениянепредвиденных ранее опасных режимов полета предотвращены серьезныелетные происшествия.Российскими самолетостроительными конструкторскими бюро в настоящеевремя разрабатываются новые концепции и аэродинамические компоновкилетательных аппаратов, содержащие высокий технический риск реализации.Оценкалетно-техническиххарактеристик,устойчивости,управляемостиаппарата, пилотажных особенностей и поведение на критических режимах полетаосуществляется как на основе результатов численного моделирования полета, таки путем прямого физического опыта на летающих моделях.
В Новосибирскесоздан «Научно-технический центр «Аэромеханика», в котором построена ипроходит летные испытания динамически подобная летающая модель самолетаамфибии Бе-101 [11], разрабатываемого в ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева».В мире разработкой и созданием свободно летающих динамически подобныхмоделей занимаются многие организации. Подтверждением эффективноститехнологии ЛДПМ является проект AirSTAR (Airborne Subscale Transport AircraftResearchплатформыTestbed),длянаправленныйиспытанийнаразработкудинамическиаппаратно-программнойподобныхмоделейбольшоготранспортного самолета в экстремальных условиях [12, 13]. Boeing и NASAиспользуют ЛДПМ в качестве демонстратора концепции Blended Wind Body [14,15].
В университете Линчёпина (Linköping Universitet), Швеция, ЛДПМприменяется для исследования летных параметров легкого реактивного самолета9Raven [16]. Нидерландский аэрокосмический центр NLR, в рамках программыSMARD приступил к созданию ЛДПМ своей летающей лаборатории – самолетаCessna Citation II [17].ОднойизважнейшихсоставляющихтехнологииЛДПМявляютсяпрограммно-аппаратные стенды полунатурного моделирования с полной иличастичнойимитациейобъектауправления,бортовогорадио-электронногооборудования, органов управления. Такие стенды обеспечивают возможностьиспытаний объекта и систем управления для оценки влияния различныхфакторов и возмущающих воздействий, имитирующих условия эксплуатации.Отработка алгоритмов функционирования и аппаратного обеспечения системыуправления на имитационном стенде позволяет детально изучить поведениелетательного аппарата и системы управления в различных режимах.
Стендыполунатурногомоделированияразрабатываютсяиприменяютсядлямоделирования систем автоматического управления летательными аппаратами ивизуализацииполетавразличныхрежимах,тестированияалгоритмовпилотирования, сопровождающего моделирования летательных аппаратов, вкачестве тренажеров пилотов.При исследовании аэродинамики [2], динамики полета с использованиемтехнологииЛДПМважнымфакторомстановитсяобеспечениеточноговыполнения объектом маневров, задаваемых действиями оператора илиполетным заданием. Особенностью динамики полета беспилотных летательныхаппаратов являются нелинейность, сильная взаимная зависимость продольного ипоперечного движения, высокая чувствительность к внешним возмущениям ипараметрическойнеопределенности.Крометого,ограниченодоступноепространство для размещения бортового радиоэлектронного оборудования иэлементов питания.
С другой стороны, вычислительные мощности современныхминиатюрных электронных устройств позволяют реализовать более сложныеалгоритмы управления. Все это накладывает определенные требования кразрабатываемым для таких аппаратов системам автоматического управления,10которые должны обеспечивать безопасное и предсказуемое поведение на всехэтапах полета.Диссертационноеисследованиепроводилосьврамкахпрограммыфундаментальных научных исследований «Построение моделей и разработкаметодов управления сложными динамическими объектами и процессами.Системы для автоматизированных измерений и управления исследовательскимиустановками, технологическими процессами», НИР «Математические методы,модели и программно-алгоритмические средства для создания интеллектуальныхсистем восприятия и анализа сигналов и изображений, управления и принятиярешений», прикладных НИР «Разработка проекта автоматизированной системыдиспетчерского управления движением поездов второй очереди метрополитена вг.
Новосибирске», «Методы наземной отработки системы автоматическогоуправления изделия МЛД», «Разработка стенда полунатурного моделированияСАУ изделия «ДПМ-80» и отработка алгоритмов управления полетом.Разработка программного обеспечения САУ изделия «ДПМ-80» и НПУ» и др.Цель диссертационной работыЦелью диссертационной работы является разработка математическихмоделей,методоваэродинамики,идинамикисвободнолетающихпрограммно-аппаратныхполетадинамическиисистемподобныхсредствисследованияавтоматическогомоделей.Вуправлениясоответствииспоставленной целью требовалось решить следующие задачи:• исследование методов построения математических моделей ЛА;• разработка,созданиеиисследованиемоделиЛАкомпоновки (летающая лаборатория – ЛЛ);• разработка метода управления угловым положением ЛА;• разработка метода планирования маршрута полета;11традиционной• созданиепрограммно-аппаратнойплатформыполунатурногомоделирования свободно летающих динамически подобных моделей иБПЛА.Научная новизнаПредложенаотличительнойархитектураособенностьюкомплексакоторогополунатурногоявляютсямоделирования,встроенныефункцииподдержки технологии динамически подобных летающих моделей, а так жеработа в режимах модельного (для численного моделирования) и реальноговремени (для тренажера пилотов, программно-аппаратного тестирования).Разработанметодуправленияугловымположениемлетательногоаппарата, основанный на расчете потребных моментов вращения, приводящихлетательный аппарат в заданное пространственное положениепо заданнойтраектории в пространстве состояний системы.Для маршрута, заданного последовательностью поворотных пунктов,предложен упрощенный метод расчета плоской траектории, состоящей изориентированныхотрезковпрямых,сопряженныхспиралямиКорню(клотоидами).Методы исследованияДля решения поставленных задач в работе использованы методыматематическогомоделирования,теорииуправления,вычислительнойматематики, а также имитационного и полунатурного моделирования.Практическая значимость и внедрение результатовРазработанный программно-аппаратный комплекс использован в работах поисследованию динамически подобных моделей при наземных и летныхиспытаниях образцов перспективных летательных аппаратов.12Представленная платформа полунатурного моделирования может бытьиспользована при создании новых беспилотных летательных аппаратов, в томчислелетающихдинамическиподобныхмоделей,атакжесистемавтоматического управления летательными аппаратами.Программно-аппаратный комплекс может использоваться для предполетныхтренировок летчиков- и инженеров-операторов.Предложенный метод управления угловым положением может применятьсяпри построении элементов систем автоматического управления летательнымиаппаратами.Предложенный метод планирования маршрута летательного аппарата можетбыть использован при создании программного обеспечения наземных пунктовуправления полетом.Основные положения, выносимые на защиту• Программно-аппаратная платформа позволяет исследовать аэродинамику,динамику полета и функционирование системы управления свободнолетающих динамически подобных моделей.• Методуправленияугловымположениемлетательногоаппарата,основанный на вычислении потребных вращающих моментов, позволяетпривести летательный аппарат к заданной ориентации по заданнойтраектории в пространстве состояний системы.• Метод планирования маршрута движения летательного аппарата на основеприменения теории спиралей Корню, позволяет рассчитать гладкуютраекторию с учетом требований ограничения перегрузки, а так женепрерывного характера ее изменения при маневре.13Апробация работыОсновные результаты работы были изложены и обсуждались на следующихнаучно-технических конференциях и семинарах:•VII международная конференция памяти академика А.П.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
