Введение к работе
Актуальность темы. В народном хозяйстве и для обороны страны широко используются вертолеты различных классов. В последние годы вертолеты составляют значительную часть экспорта авиационной техники России. Повышение безопасности полетов и эффективности применения вертолетов имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.
Полет вертолета происходит в приземном возмущенном слое атмосферы и для его выполнения в инструментальном и автоматическом режимах пилотирования необходима информация о высотно-скоростных параметрах (ВСП), определяющих движение относительно окружающей воздушной среды и получивших название воздушных сигналов. Наличие достоверной информации о барометрической высоте, приборной скорости, величине и составляющих вектора истинной воздушной скорости, углах атаки и скольжения позволяет наиболее полно использовать летно-технические и боевые возможности вертолетов, повысить качество управления, обеспечить безопасность полета при взлете, при полете на предельных режимах, при посадке на ограниченные площадки и в условиях плохой видимости, предотвратить такие нештатные ситуации как «явление подхвата», попадание в режим «вихревого кольца», выход на границу максимально-допустимой приборной скорости.
При выполнении строительно-монтажных, погрузочно-разгрузочных, поисково-спасательных работ и применении высокоточного оружия воздушные сигналы необходимо измерять на околонулевых скоростях вплоть до режима висения при изменении угла скольжения вертолета в диапазоне ±180.
Большой вклад в разработку и применение средств измерения высотно-скоростных параметров вертолета внесли: Е.С. Вождаев, М.А. Головкин, А.Н. Петунии (ЦАГИ), А.И. Акимов, В.П. Бутов, Е.Г. Харин, С.Г. Пушков (ЛИИ), Б.М.Абрамов, Г.Е. Бельфор, Б.В.Лебедев (НИИАО), С.П.Крюков, А.Г. Кузнецов (МИЭА), Э.А. Петросян, Ю.Г. Соковиков (УВЗ), А.И. Птицин, А.Н. Иванов (МВЗ), В.Г. Кравцов, А.К. Панкратов, Н.В. Алексеев (Аэроприбор-Восход), Н.Н. Макаров, В.К. Козицин (УКБП), Ю.М. Игнатин, В.И. Соболев (МАИ), В.А. Ференец, В.М. Солдаткин, А.А. Порунов (КНИТУ-КАИ), Н.Г. Федоров, В.А. Мишин, И.П. Ефимов (УлГТУ) и другие отечественные
ученые и специалисты. Среди зарубежных исследователей следует отметить J.P. Arethens, J.T. Auderes, P.G. Beraud, S. Coule, D.F. Daw, T.A. Egolf, H. Favre, R.B. Grau, J. Kaletka, N.M. Komerach, C.G. Knight, S.G. Lion, P.E. Lorber, H.B. Miller, V.E. Neredka, W. Johnson, R.P. Smith, P.E. Sheridian, F.A. Summerling, T.L. Tompson, G. Yamauchi и др.
Объект исследования. Измерение высотно-скоростных параметров вертолета, особенно в области малых и околонулевых скоростей полета, затрудняется значительными искажениями его аэродинамического поля индуктивными потоками несущей системы, а также пространственным обтеканием расположенных на фюзеляже приемников аэрометрической информации. При этом способность вертолета совершать движение как вперед и назад, так и вправо и влево, а также необходимость устойчивого измерения в диапазоне малых и околонулевых скоростей и на режиме висения, в широком диапазоне изменения углового положения вектора воздушной скорости ограничивают применение на вертолетах известных систем воздушных сигналов (СВС), обусловливает необходимость создания СВС, построенных на новых принципах, максимально учитывающих специфику аэродинамики и динамики полета вертолета, удовлетворяющих современным требованиям по точности и надежности работы в реальных условиях эксплуатации.
Предмет исследования. Широкими возможностями по обеспечению панорамного (в плоскости рыскания) и всенаправленного (при трехмерном изменении положения продольной оси вертолета) измерения высотно-скоростных параметров вертолета, в том числе в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета и на режиме висения при сравнительно простой конструкции обладает СВС-В, построенная на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника, расширение нижней границы рабочих скоростей которой обеспечивается за счет использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Целью диссертационной работы является повышение точности измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета в условиях сильных аэродинамических возмущений несущего винта.
Проблема научного исследования заключается в разработке теоретических основ построения, методов системного проектирования и исследования системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Решение поставленной проблемы проводилось по следующим основным направлениям:
Анализ проблемы измерения высотно-скоростных параметров вертолета в области малых и околонулевых скоростей полета и обоснование перспективности построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника (АМП) и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Разработка теоретических основ построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Разработка математического описания и алгоритмического обеспечения СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
Анализ погрешностей и разработка способов повышения точности вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
Разработка комплексной СВС-В на основе аэрометрических и аэромеханических измерительных каналов с наблюдателем Люэнбергера, методик моделирования, анализа и синтеза комплексной системы.
Разработка и экспериментальные исследования вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
Обобщение результатов исследования в виде методологии построения, системного проектирования, исследования и применения СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Методы исследования: При решении поставленной проблемы научного исследования использовались методы прикладной аэродинамики и теории измерений, теории управления и измерительных преобразователей, методы математического моделирования, анализа и синтеза каналов информационно-
измерительных систем при детерминированных и случайных воздействиях, методы комплексирования, имитационного моделирования и экспериментального исследования, вероятностно-статистической обработки результатов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке нового подхода к построению, методов проектирования и исследования нового класса системы воздушных сигналов вертолета, содержащих совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:
-
Новый подход и теоретические основы построения системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
-
Разработанные принципы построения, математическое описание, методы анализа и параметрического синтеза неподвижного многофункционального АМП первичной информации.
-
Разработанные математические модели и алгоритмы обработки информации измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
-
Алгоритмический и структурный методы повышения инструментальной точности измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника.
-
Разработанные особенности построения, математические модели, алгоритмы и методики моделирования, анализа и синтеза комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета на основе разработанной аэрометрической системы и аэромеханической измерительно-вычислительной системы с наблюдателем Люэнбергера.
-
Разработанные особенности построения, модели, алгоритмы и требования к датчикам первичной информации аэрометрического канала стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета, построенного на основе неподвижного многофункционального АМП.
-
Разработанные методики экспериментального исследования вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
8. Обобщение результатов исследования в виде научно-обоснованной методологии построения, проектировании и исследования нового поколения конкурентоспособной СВС-В с повышенной точностью измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета и на режиме висения.
Практическая ценность работы. Работа выполнялась в соответствии с заданиями ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001 -2010 г.г. и на период до 2015 года» в рамках совместных НИОКР Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ, ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» и ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко».
Основными результатами, определяющими практическую ценность работы являются:
Научно обоснованная техническая разработка конкурентоспособной СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, направления ее совершенствования и развития.
Методика синтеза конструктивных параметров и алгоритмы обработки информации СВС-В с учетом кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной аэрометрической информации, обусловленной вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием неподвижного многофункционального АМП.
Методики анализа статических и динамических погрешностей каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
Схемотехническая и конструктивная реализация вариантов системы, рекомендации по повышению точности определения высотно-скоростных параметров вертолета за счет реализации конструктивно-технологических методов, алгоритмической коррекции погрешностей и автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.
Алгоритмическое и программное обеспечение, результаты имитационного моделирования, трубных исследований и натурных испытаний экспе-
риментальных и опытных образцов, рекомендации по изготовлению, применению и совершенствованию вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Достоверность полученных научных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза информационно-измерительных систем, на проведении имитационного моделирования, согласованности результатов моделирования, трубных исследований и натурных испытаний экспериментальных образцов системы, а также на опыте внедрения и использования полученных научно-технических результатов.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при разработке базового варианта СВС-В с неподвижным многофункциональным АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, на ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко при разработке вариантов малогабаритной навигационной системы на базе магнитоинерциального датчика курса и аэрометрического канала счисления пути, при разработке аэрометрического канала стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета. Результаты исследования использованы при выполнении госбюджетной НИР по проекту 6100 «Разработка теории и методов проектирования панорамной и всенаправленнои системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального приемника давлений» Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)», при выполнении НИР «Разработка системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта» по гранту №14.В37.21.1858 от 04.10.2012 г. победителя конкурса Минобрнауки России 2012 года по НИР, выполняемых под руководством кандидата наук, а также при выполнении хоздоговорных НИР. Ряд полученных результатов внедрен и используется в учебном
процессе Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева - КАИ при подготовке инженеров по специальности «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами. На защиту выносятся:
-
Научно обоснованная техническая разработка конкурентоспособной СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, методология построения, проектирования и исследования системы.
-
Методология формирования и использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта в СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.
-
Математические модели и алгоритмическое обеспечение каналов системы с учетом кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной информации, обусловленных вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием неподвижного многофункционального АМП.
-
Принципы построения, математическое описание, методы анализа и параметрического синтеза неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП.
-
Методики анализа погрешностей и синтеза каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях, методы уменьшения методических и инструментальных погрешностей за счет конструктивно-технологических мероприятий, использования алгоритмической коррекции, реализация адаптивной автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, реализации принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.
-
Схемное и конструктивное построение, методы инженерного проектирования, моделирования и экспериментального исследования, результаты трубных и натурных испытаний вариантов системы, опыт внедрения и пути совер-
шенствования СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на III Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002 г.), на II Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии» (С-Петербург, 2002 г.), на 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы измерений» (Москва, 2002 г.), на XIV, XV и XVI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2002 - 2004 г.г.), на 3, 4 и 5 Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва, 2004 - 2007 г.г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2004 г.), на XIV, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XX, XXI, XXII Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2005 - 2013 г.г.), на Международных научно-технических конференциях «Приборостроение» (Ялта - Винница, 2004, 2005 г.г.), на Международных научно-практических конференциях «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006, 2008 г.г.), на Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2008 г.), на V Международной научно-практической конференции «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2010 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011, 2013 г.г.), на Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии» (Орел, 2011 г.), на XXXVII и XXXVIII Всероссийских конференциях по управлению движением кораблей и специальных подводных аппаратов» (Адлер, 2011 г., Таганрог, 2012 г.), на Первой Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и
обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового персонала - ключевое звено в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения» (Казань, 2012 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и решения построения приборов и систем ориентации, навигации и управления подвижными объектами» (Тула, 2012 г.), на III Международной научно-практической конференции «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: Актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» (Ульяновск, 2012 г.), а также на НТС ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (2005 - 2013 г.г.) и на заседаниях кафедры приборов и информационно-измерительных систем Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ (2005 - 2013 г.г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 85 печатных работах, в том числе в монографии и 6 книгах, 22 статьях в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 статьях в других изданиях, 35 материалах и 6 тезисах докладов. На предложенные технические решения получены 10 патентов на изобретения и полезные модели.
Личный вклад автора заключается в разработке методологии построения, системного проектирования и исследования нового класса СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, с повышенной точностью и расширенной нижней границей рабочих скоростей полета, а также принципов формирования и использования аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, особенностей построения и проектирования неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП, новых схем, технических решений, алгоритмов и математических моделей каналов системы, методик анализа статических и динамических погрешностей и методов повышения инструментальной точности за счет алгоритмической коррекции квазистатических погрешностей, адаптивной автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, комплек-
сирования аэрометрической системы с аэромеханической измерительно-вычислительной системой с наблюдателем Люэнбергера, методик инженерного проектирования, изготовления, моделирования, экспериментального исследования и натурных испытаний вариантов системы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения. Основное содержание диссертации изложено на 440 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 119 рисунков. Библиография включает 181 наименование.
