Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время вновь возродился устойчивый интерес к самолетам короткого взлета/вертикальной посадки (СКВВП). Потребность в такого рода авиационной технике существовала всегда, однако только сейчас, с появлением компьютерных методов проектирования, новых материалов и современных технологий производства стало возможным разработка СКВВП и их подсистем с достаточной степенью эффективности и надежности. В первую очередь, это касается перспективных силовых установок на базе ГТД, параметры которых могут быть существенно улучшены по сравнению с предыдущим поколением двигателей.
Опыт разработки и эксплуатации существующих СКВВП (Harrier, Як-38, Як-141, "Osprey" V-22 и др. ) выявили ряд проблем, без решения которых невозможно создание эффективного самолета следующего поколения. 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 аспектов. В первую очередь, это «энергетическая» завязка самолета - выбор схемы, потребной размерности и основных параметров двигателей с учетом отбора мощности, обеспечивающих высокие летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета во всем диапазоне режимов полета. Во-вторых, совместная динамическая балансировка тяговых и аэродинамических сил при отклонении сопел силовой установки. Наконец, согласование работы аэродинамических органов управления и управляемого вектора тяги (УВТ), с помощью интегрированной системы управления с целью оптимизации выполнения отдельных маневров. На рис. 1 показаны основные факторы, которые необходимо учитывать при интеграции СУ+ПЛ+САУ. Учет влияния и увязку многочисленных проектных іараметров невозможно осуществить без разработки специализированных математических моделей (ММ).
В диссертационной работе исследуются некоторые аспекты обширной іроб.іемьі интеграции силовой установки и перспективного маневренного СКВВП.
4 В качестве основного объекта исследования выбраны аналоги самолета фирмы Локхид-Мартин JSF Х-35В и двигателя фирмы Пратт-Уитни F-119-JSF. Рассмотрены вопросы применения для этого самолета двух различных схем силовой установки: единой с выносным вентилятором (ВВ) и составной схемы с подъемными двигателями (ПД) и подъемно-маршевыми двигателями (ПМД).
Целью работы было разработать комплексную математическую модель «ПЛ+СУ+САУ», и провести с ее помощью исследования влияния динамических характеристик СУ на взлетные характеристики самолета. Результатом работы должны были стать исследования по возможности управления угловым положением самолета с помощью УВТ на различных режимах полета, в том числе с помощью дифференциального изменения тяг двигателей, а также рекомендации по применению схемы и параметров при интеграции СУ в СКВВП на начальных стадиях проектирования.
Задачи исследования состояли в следующем:
Разработать методики расчета и математические динамические модели основных подсистем самолета, учитывающие особенности функционирования и применения СКВВП;
Разработать методику проведения исследований с применением критериев оценки динамических свойств самолета;
Верифицировать разработанные математические модели на примере известных или проектируемых самолетов;
Исследовать влияние динамики двигателей и скорости отклонения сопла для различных схем СУ на устойчивость и управляемость СКВВП при полете на околонулевых скоростях, а также промоделировать ситуации отказов отдельных агрегатов и возможные способы их компенсации;
Исследовать возможности управления угловым положением самолета в полете с помощью УВТ.
Научная новизна диссертации заключается в разработке комплексной динамической модели «ПЛ+СУ+САУ» на основе системного подхода, который рассматривает СКВВП как сложную техническую систему (СТС). Использование
5 методов объектно-ориентированного подхода и имитационного моделирования позволило разработать динамическую ММ, пригодную для исследования различных схем СУ СКВВП. Получены новые результаты по поведению самолетов с УВТ на околонулевых скоростях полета, которые позволили оценить области допустимых проектных параметров силовых установок СКВВП и дать обоснованные рекомендации по их применению.
Достоверность результатов обеспечивается:
Использованием апробированных и точных методик расчета характеристик отдельных агрегатов и элементов СТС при составлении комплексной ММ;
Идентификацией ММ отдельных подсистем по данным известных или проектируемых прототипов самолетов и двигателей;
Верификацией комплексной модели СКВВП и агрегатов на известных и изученных режимах работы ( например, для самолета - режим висения, для двигателя - режим «Максимал» и т.д.).
Автор защищает:
-
Методику построения комплексной динамической модели самолета короткого взлета/вертикальной посадки и силовой установки с управляемым вектором тяги на основе имитационного подхода.
-
Систему взаимосвязанных динамических моделей «ПЛ+СУ+САУ» для единой и составной схем СУ СКВВП.
-
Результаты исследования влияния динамики двигателей на характеристики устойчивости и управляемости СКВВП на околонулевых скоростях полета.
-
Результаты исследования управления положением самолета с помощью вектора тяги на основных режимах полета.
-
Результаты моделирования последствий отказов элементов СУ на режиме висения и методы их компенсации.
Практическое значение работы состоит в том, что разработанная методика моделирования динамических свойств самолета и силовой установки на основе имитационного подхода может быть применима для исследования поведения сложной технической системы, каковым является СКВВП, 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 ГТД 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 режимах полета с отклонением вектора тяги.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинаре «Проблемы газовой динамики» каф. 201 МАИ, на Всероссийских и отраслевых конференциях в ЦИАМ и ЦАГИ, а также Международных конференциях в Бостоне (США), в Пекине (Китай) и в Москве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 2 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и заключения, а также библиографии из 76 наименований. Работа изложена на 153 страницах и включает в себя 103 страниц машинописного текста, 50 рисунков и 7 таблиц.
