Введение к работе
Актуальность. Дистанционно пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, получившие широкое распространение в настоящее время, способны выполнять обширный спектр задач. Невоенные беспилотные летательные аппараты, применяемые в таких сферах, как дистанционное зондирование земли, контроль коммуникаций и границ, ретрансляция сигналов, снижают себестоимость услуг на порядок по сравнению с традиционными космическими или авиационными системами. Для взлета малоразмерных беспилотных летательных аппаратов чаще всего используются пусковые устройства в виде катапульты, позволяющие обеспечить быстрый и эффективный взлет указанных аппаратов с силовой установкой сравнительно небольшой мощности. При этом запуск летательного аппарата должен исключать влияние человеческого фактора и возможность получения травм оператором.
Как правило, современные стартовые устройства являются механизмами с внешними входами, имеющими одну степень свободы. Теории и методам проектирования подобных механизмов в настоящее время посвящены многочисленные публикации. Между тем, методам проектирования механизмов старта летательных аппаратов в научно-технической литературе уделено незначительное внимание. Большая длина разгона, присущая большинству современных пусковых устройств, приводит к увеличению массы и габаритов стартового устройства, а также трудоемкости его изготовления. Необходим поиск и обоснование структурных схем и параметров механизмов старта с уменьшенной массой и габаритами, исключающих ударные нагрузки во время старта, что должно привести к увеличению ресурса летательного аппарата и снижению требований к жесткости и прочности его узлов, воспринимающих нагрузку при запуске.
Существующая проблема определила цель исследования.
Цель исследования: улучшение массо-габаритных характеристик стартовых устройств беспилотных летательных аппаратов путем разработки методов структурного и параметрического синтеза механизмов старта с внутренними входами, имеющих несколько степеней свободы.
Из цели следуют задачи исследования:
-
Исследование структурных и функциональных связей стартовых устройств и механизмов старта беспилотных летательных аппаратов, создание их классификации и функционально-структурной модели.
-
Разработка методики структурного синтеза механизмов старта на основе созданных классификации и функционально-структурной модели.
-
Разработка методики параметрического синтеза механизмов старта на основе математического моделирования динамики их работы.
-
Параметрический синтез механизмов старта, отвечающих основному и дополнительным условиям синтеза.
-
Проведение экспериментов с целью проверки адекватности разработанной математической модели и уточнения основных параметров механизмов старта.
Объект исследования - механизмы старта беспилотных летательных аппаратов массой до 50 кг.
Предмет исследования - методы проектирования механизмов старта с внут-
ренними входами, имеющих несколько степеней свободы.
Методы исследования - методы математического анализа, теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний и теории удара.
Достоверность результатов основывается на применении известных теоретических положений фундаментальных наук, апробированных аналитических методов, подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнением полученных результатов с исследованиями других авторов.
Научная новизна результатов исследования:
-
Разработана функционально-структурная модель стартовых устройств беспилотных летательных аппаратов, основанная на классификации механизмов старта по виду входа, виду звеньев, виду кинематических пар, соединяющих звенья со стойкой.
-
На основе функционально-структурной модели стартовых устройств и их классификации создана методика структурного синтеза механизмов старта беспилотных летательных аппаратов.
-
Синтезирован ряд новых структурных схем механизмов старта с вращательной и поступательной кинематическими парами, соединяющими звенья со стойкой, имеющих несколько степеней свободы и внутренние входы, с двумя и тремя дополнительными инерционными звеньями, позволяющими снизить динамические нагрузки на летательный аппарат в процессе запуска.
-
Разработана методика параметрического синтеза механизмов, звенья которых соединены со стойкой вращательной и поступательной кинематическими парами, имеющих несколько степеней свободы и внутренние входы, на основе созданных динамических моделей работы механизмов старта, с учетом основного и дополнительных условий синтеза - ограничений по динамическим нагрузкам и габаритам стартового устройства.
Практическая ценность работы:
- разработанные методики использованы при проектировании механизмов
старта с вертикальной осью вращения и с дополнительными инерционными звенья
ми и при выборе их параметров;
предложенные механизмы старта с дополнительными инерционными звеньями и механизмы старта с вертикальной осью вращения обладают меньшими массой и габаритами, чем существующие;
экспериментальная модель позволила выбрать параметры механизма старта и служит макетом для серийного изготовления пусковой установки;
результаты исследования использованы на ООО «Ижмаш - Беспилотные системы» при разработке катапульты зля запуска беспилотного летательного аппарата малой массы.
На защиту выносятся:
-
Классификация и функционально-структурная модель стартовых устройств беспилотных летательных аппаратов, позволяющие вести синтез наиболее рациональных схем механизмов старта.
-
Методика синтеза схем механизмов старта, основанная на классификации и функционально-структурной модели механизмов старта.
-
Ряд новых структурных схем механизмов старта, имеющих несколько степе-
ней свободы и внутренние входы с вращательной и поступательной кинематическими парами, соединяющими звенья со стойкой.
4. Методика параметрического синтеза механизмов старта, имеющих несколько степеней свободы и внутренние входы, на основе созданных динамических моделей работы механизмов старта, звенья которых соединены со стойкой вращательной и поступательной кинематической парами.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях: IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК» (Ижевск, 2010 г.); Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2010» (Москва, 2010 г); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010 г.); Second forum of young researchers in the framework of International forum «Education quality -2010» (Izhevsk, 2010); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2009 г.); III Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2209 и 2010 гг.); Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование» (Санкт-Петербург, 2011 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2011 г.).
Результаты исследования использованы на ООО «Ижмаш - Беспилотные системы» при разработке катапульты с дополнительными инерционными звеньями.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 1 патенте на полезную модель и в 13 статьях, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, содержит список литературы из 121 наименования, из них 19 на иностранных языках, изложена на 138 страницах, содержит 78 рисунков, 8 таблиц.
