Введение к работе
- З -
Актуальность. Одной из основных проблем, стоящей на пути создания экранопланов, является проблема обеспечения устойчивости полета на малых относительных отстояниях от экрана. Важность этой проблемы связана, прежде всего, с безопасностью эксплуатации экранопланов, движущихся с большой скоростью в непосредственной близости от воды или земли.
В реальных условиях эксплуатации полег экраноплана обычно происходит над взволнованной водой поверхностью. Аэродинамическая нагрузка, вносимая волнением, является периодической и зависит от высоты волны и частоты ее следования относительно аппарата. Это приводит к появлению новых для данного класса аппаратов динамических свойств, которые не наблюдаются при полете самолетов. К таким свойствам можно отнести параметрическое возбуждение от влияния волны, которое при определенных условиях приводит к потере устойчивости движения. Чем меньше высота полета, тем интенсивнее влияние волны. При некотором соотношении амплитуды волны и хорды крыла экраноплана при данной скорости полета возникает ситуация, когда полет становится невозможным из-за попадания аппарата в области динамической неустойчивости.
Для стабилизации полета экраноплана в условиях действия периодических нагрузок могут быть использованы средства механизации несущего комплекса аппарата, работающие в колебательном режиме с широким спектром частот.
Выполнение условий безопасности полета экраноплана требует увеличения высоты полета. Это ведет к существенному снижению аэродинамического качества аппарата, сокращению дальности его
полета из-за роста потребной мощности и соответственно к неэкономичному режиму движения. Поскольку в этом случае проявляются нелинейные свойства аэродинамических, характеристик несущего комплекса, скоростных и дроссельных характеристик двигателей силовой установки, для оценки устойчивости экраноплана важной становится нелинейная постановка задачи, позволяющая выявить совокупность периодических режимов аппарата, его новые устойчивые положения равновесия, влияние начальных условий и т.д.
Таким образом, рациональное решение проблем при создании эк-ранопланов невозможно без исследования нелинейных и нестационарны задач динамики полета, где уделяется внимание вопросам устойчивое ти в возмущенной атмосфере при полете над волной, возможным автоколебательным процессам, явлению параметрического резонанса и параметрической стабилизации. Решение подобных задач связано со зне чительными математическими и вычислительными трудностями, так кав требует привлечения методов исследования систем нелинейных дифференциальных уравнений и уравнений с периодическими коэффициентами Эти системы, как правило, многомерны и не допускают аналитическої решения. Поэтому наряду с актуальностью выдвигаемого класса зада* не менее важной становится задача поиска подходящего метода деко>, позиции уравнений движения экраноплана, позволяющего совместно с экономией машинного времени в ряде случаев анализировать решения таковых уравнений в общем виде.
Положительное решение такой двуединой задачи имеет большое научное и практическое значение.
Целью работы является выявление новых динамических свойств экраноплана при полете над волной и при гармонических колебаниях
закрылка переднего горизонтального оперения, исследование автоколебательных, вынужденных установившихся и переходных режимов екраноплана, его устойчивости на основе декомпозиционного анализа исходных уравнений движения, разработка нового метода редукционной декомпозиции, позволяющего в аналитической форме проводить решение этих задач.
Научная_. новизна. Рассмотрен новый класс задач динамики и устойчивости экраноплана при полете над волной в детерминированной и статистической постановке и дан инженерный алгоритм расчета областей параметрического резонанса аппарата вблизи волны. Предложен и экспериментально подтвержден принципиально новый для эгсраноплана способ изменения его динамических свойств на основе эффекта параметрического возбуждения аппарата средствами механизации крыла несущего комплекса. Реализация предложенного способа выполнена путем работы закрылка переднего горизонтального оперения (ПГО) аппарата схемы "утка" в режиме гармонических колебаний. Исследованы нелинейные задачи динамики и устойчивости экраноплана при полете на малых относительных отстояниях от экрана, когда С = С (Н) и Р = P(V) - существенно нелинейные функции. Разработан новый метод редукционной декомпозиции системы исходных уравнений движения экраноплана. Реализация метода позволила свести сложную задачу исследования устойчивости экраноплана на основе исходных нелинейных уравнений движения к совокупности более простых декомпозиционных задач, описываемых дифференциальными уравнениями меньшей размерности, что дало возможность применять к таким задачам известные аналитические методы расчета.
Полученные результаты использованы в практических расчетах и реализованы в виде программ ЭВМ.
- б -
Практическая_значимость_работы. Разработанный алгоритм расчета областей параметрического резонанса экраноплана при полете над волной на этапе эскизного проектирования позволяет определить безопасные высоты и скорости полета экраноплана. Использование закрылка с определенным законом колебаний позволяет увеличить или уменьшить высоту полета экраноплана для преодоления препятствий или других нужд без потери устойчивости. Исследование нелинейных задач дает возможность выявить аэродинамическую схему экраноплана, исходя из условий возникновения автоколебаний аппарата и его устойчивости по скорости полета при нелинейной зависимости от нее тяги двигателя силовой установки.
Полученные результаты могут быть использованы при создании новых перспективных экранопланов и внедрены на предприятии АО ЦКБ по СПК ( г. Нижний Новгород) и ряде других организаций.
Апробация_работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических семинарах Иркутского вычислительного центра ВСФ СО АН СССР (1981 - 1987 г.г.), Всесоюзном семинаре "Аэродинамика и динамика транспортных аппаратов" (1981г.), 1-ой сессии коор динационного Совета по целевой комплексной программе "Транспорт Сибирского Севера" региональной программы "Сибирь" (1985 г.), 3-ей Всесоюзной школе-семинаре "Гидродинамика больших скоростей" (1987г Научно-технических семинарах АО ЦКБ по СПК (1988-1990г.г.), Межрегиональной конференции "динамические задачи механики сплошной среды" (1988 г.), Всесоюзой школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (1988 г.), 5-ой Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (1990 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Спецтранс-90 (1990 г.) 1-ой Международной конференции по экранопланам (1993 г.), Всерос-
- 7 -сийской научно-технической конференции "Техническое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств (экранопланов и сверхлегких летательных аппаратов)" (1994г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в монографии "Метод редукционной декомпозиции в прикладных задачах динамики систем".-Иркутск: Мзд-во Иркутского Государственного ун-та, 1991. -216с, семнадцати статьях, трех опубликованных тезисах докладов на научно-технических конференциях.
Структура_и_объем_работы. Диссертация состоит из введения, двух разделов и девяти глав, выводов и списка использованной литературы, изложена на 380 стр., содержит 75 рисунков и 3 таблицы.
