Введение к работе
Актуальность темы. Начало XXI века ознаменовалось качественным скачком в развитии авиационной техники. Были разработаны и испытаны гиперзвуковые ракеты, конвертопланы, боевые беспилотные летательные аппараты. В США были запущены в серийное производство самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП) нового поколения: JSF F-35B и «Osprey» V-22. С появлением новых компьютерных методов проектирования, новых материалов и современных технологий производства стала возможным разработка СВВП и их подсистем с достаточной степенью эффективности и надежности. В первую очередь, это касается перспективных силовых установок сложных схем, спроектированных на базе газотурбинных двигателей (ГТД) 5-го поколения, параметры которых были существенно улучшены по сравнению с предыдущим поколением двигателей.
Опыт разработки и эксплуатации самолетов вертикального взлета прошлого поколения (Harrier, Як-38М, Як-141) выявили ряд проблем, без решения которых создание эффективного самолета следующего поколения было бы невозможно. Кроме задач весового и аэродинамического проектирования, центральное место в этом ряду занимает проблема интеграции силовой установки (СУ), планера (ПЛ) и системы автоматического управления (САУ), в которой можно выделить несколько основных аспектов. Во-первых, - это «энергетическая» завязка самолета, т.е. выбор схемы, потребной размерности и основных параметров СУ с учетом отбора воздуха и мощности, обеспечивающих высокие летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета во всем диапазоне режимов полета. Во-вторых, необходима совместная динамическая балансировка тяговых и аэродинамических сил, обеспечивающая устойчивость и управляемость при отклонении вектора тяги на околонулевых скоростях полета, и, наконец, это согласование работы всех органов управления самолета, с помощью интегрированной системы управления с целью оптимизации выполнения отдельных маневров.
Учет влияния и взаимную увязку многочисленных проектных параметров самолета и СУ, а также оценку динамики СВВП невозможно осуществить без разработки специализированных математических моделей (далее по тексту просто моделей).
В диссертационной работе исследуются некоторые аспекты обширной проблемы интеграции силовой установки и перспективного маневренного самолета вертикального взлета и посадки. В качестве основных объектов исследования выбраны: известный СВВП прошлого поколения - Харриер II и аналог самолета 5-го поколения F-35B JSF с единой силовой установкой на базе двигателя F-135-PW-JSF. Рассмотрены вопросы интеграции комбинированной схемы СУ и самолета Як-141.
Целью диссертационной работы было разработать комплексную математическую модель «ПЛ+СУ+САУ», и провести с ее помощью исследования влияния динамических характеристик газотурбинных установок на летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета. Результатом работы должны были стать обоснованные рекомендации о
возможности управления угловым положением самолета с помощью управляемого вектора тяги (УВТ) на различных режимах полета, в том числе с помощью дифференциального изменения тяговых агрегатов СУ, а также рекомендации по применению схемы и параметров газотурбинных двигателей и интеграции с самолетом на начальных стадиях проектирования.
Задачи диссертации заключались в следующем:
разработать динамические имитационные модели газотурбинных силовых установок сложных схем;
разработать комплексную динамическую математическую модель самолета с управляемым вектором тяги;
верифицировать разработанные математические модели на примере известных и проектируемых самолетов ;
исследовать влияние динамики двигателей и скорости отклонения сопла для различных схем СУ на устойчивость и управляемость СВВП при полете на околонулевых скоростях;
исследовать последствия отказов отдельных агрегатов СУ и возможные способы их компенсации;
исследовать возможности управления угловым положением самолета в полете с помощью УВТ.
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые разработана комплексная многодисциплинарная динамическая модель СВВП с управляемым вектором тяги. Использование принципов системного анализа и методов объектно-ориентированного моделирования позволило разработать методологию построения динамических моделей газотурбинных двигателей сложных схем, пригодную для исследования различных типов силовых установок СВВП. Получены новые результаты по поведению самолетов с УВТ на околонулевых скоростях полета, которые позволили оценить области допустимых проектных параметров силовых установок СВВП и дать обоснованные рекомендации по их применению.
Научная и практическая значимость диссертации состоит в разработке методов и моделей исследования динамики процессов, протекающих в сложных технических системах таких, как газотурбинные двигатели и летательные аппараты с управляемым вектором тяги.
Практическое значение работы состоит в том, что разработанная методика моделирования динамических свойств силовой установки и самолета на основе имитационного подхода может быть применима для выбора параметров основных параметров силовой установки, а также для исследования поведения вновь проектируемого СВВП, и дает возможность прогнозирования его устойчивости и управляемости на околонулевых скоростях полета. Созданные алгоритмы и прикладные программы позволяют составлять математические динамические модели самолетов с УВТ и силовых установок на базе газотурбинных двигателей различных схем и назначений. Результаты проведенных в рамках данной работы исследований, могут быть
использованы для обоснованных рекомендаций по выбору основных проектных параметров как силовой установки, так и самолета в целом на основных режимах полета, а также при полете с отклонением вектора тяги.
Практическая ценность работы подтверждена тем, что результаты исследований были использованы при проектировании системы управления угловым положением самолета Як-141 путем дифференциального управления тягами подъемных и подъемно-маршевых двигателей, а также при разработке системы спасения летчика.
Личный вклад автора заключается в построении комплексной динамической модели СВВП, а также в разработке методов расчета и алгоритмов компьютерных программ расчета динамики газотурбинных двигателей сложных схем. В проведении и обобщении результатов исследований по влиянию динамики газотурбинных двигателей на устойчивость и управляемость самолета на околонулевых скоростях полета.
Достоверность результатов обеспечивается:
использованием апробированных методик расчета характеристик отдельных агрегатов и элементов газотурбинных установок;
использованием известных методик расчета аэродинамических характеристик и уравнений динамики полета при составлении комплексной модели СВВП;
идентификацией моделей подсистем силовых установок по данным известных или проектируемых прототипов самолетов и двигателей;
верификацией комплексной модели СВВП и агрегатов СУ на известных и изученных режимах работы двигателей (например, для самолета - режим висения, для двигателя - режим «Максимал» и т.д.).
сравнением результатов моделирования с расчетными данными других исследователей.
успешным применением системы дифференциального управления тягами двигателей на самолете Як-141.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методологию построения динамической модели газотурбинных установок сложных схем на основе имитационного подхода.
-
Систему взаимосвязанных динамических моделей «ПЛ+СУ+САУ» для различных схем силовых установок с управляемым вектором тяги.
-
Результаты исследования влияния динамики двигателей на основе ГТД на характеристики устойчивости и управляемости СВВП на околонулевых скоростях полета.
-
Результаты моделирования последствий отказов элементов СУ на режимах полета с околонулевыми скоростями и методы их компенсации.
-
Результаты исследования управления положением самолета с помощью вектора тяги на основных режимах полета.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинаре «Проблемы газовой динамики» в МАИ, 2003г., на семинаре акад. Г.Г.Черного в МГУ, 2005г., на Международных конференциях:
«Авиация-2000», г.Жуковский, 1995г., «Авиационные технологии 2000», г.Жуковский, 1997г., «Двигатели XXI века», Москва, 2000г., «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники», г.Жуковский, 2000г., «Авиация и космонавтика», Москва, , 2005, 2006, 2009гг., «Авиадвигатели XXI века», Москва, 2005г. и 2010г., а также на Международных конференциях- AIAA/SAE/ASME 24st Joint Propulsion Conference, Boston, 1988, «Sino-Russian symposium on maneuverable Aircraft/Engine Integration» Beijing, 1994.
Публикации. По теме диссертации опубликованы: одна монография, 3 учебных пособия, 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, 10 тезисов докладов в сборниках Международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов и заключения, а также библиографии из 124 наименований. Работа изложена на 211 страницах и включает в себя 153 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 6 таблиц.
