Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований динамики зкранопланов 23
1.1. Системный анализ - инструмент для решения сложных технических проблем 24
1.2. Краткая антология создания зкранопланов 31
1.3. Математические модели динамики зкранопланов 34
1.4. Методы оценки продольной статической устойчивости зкранопланов 47
1.5. Задачи и цели исследований 58
Выводы 59
Глава 2. Системный анализ математических моделей продольного движения зкранопланов 60
2.1. Структура алгоритма проектирования зкранопланов 60
2.2. Нестационарность изменения фазовых переменных в уравнениях движения зкранопланов 65
2.3. Критерии продольной статической устойчивости зкранопланов 78
2.4. Анализ уравнений движения компоновочных схем зкранопланов 83
Выводы 95
Глава 3. Оптимизация математических моделей зкрано планов 97
3.1. Аэродинамические характеристики крыла экраноплана пространственной геометрии 100
3.2. Параметрический синтез математических моделей зкранопланов с максимальными несущими свойствами крыльев и максимальным качеством 107
3.3. Параметрический синтез экранопланов компоновочной схемы "утка" 113
3.4. Параметрический синтез экранопланов модификации схемы "утка" - схемы "гибрид" 119
3.5. Параметрический синтез экранопланов схемы "обратная утка"... 120
3.6. Параметрический синтез экранопланов "самолетной" схемы 122
3.7. Параметрический синтез экранопланов схемы "летающее крыло" 125
Выводы 126
Глава 4. Алгоритмы решения задач динамики экранопланов 127
4.1. Асимптотический метод функциональных параметров (МФП) интегрирования дифференциальных уравнений 127
4.2. Методика и алгоритмы расчета самостабилизирующихся режимов полета экранопланов 130
4.3. Обработка информации результатов расчета устойчивости экранопланов различных компоновочных схем 139
Выводы 161
Глава 5. Постановка эксперимента и обработка инфомации результатов эксперимента 163
5.1 Методика проведения экспериментальных исследований моделей экранопланов на открытой воде с записью параметров движения 163
5.2 Сопоставление динамических характеристик продольного движения модели экраноплана полученных экспериментально
и с помощью теоретических расчетов 172
5.3 Анализ результатов расчета устойчивости самоходного пилотируемого экраноплана АДП-05 "Орфей" 176
5.4. Исследование влияния конструктивных параметров на динамику продольного движения самоходного экраноплана АДП-05 "Орфей" 182
5.5. Применение экранопланов в транспортной системе 196
Выводы 201
Заключение 203
Список использованной литература 205
Приложения 236
- Математические модели динамики зкранопланов
- Нестационарность изменения фазовых переменных в уравнениях движения зкранопланов
- Параметрический синтез экранопланов компоновочной схемы "утка"
- Методика и алгоритмы расчета самостабилизирующихся режимов полета экранопланов
Введение к работе
Актуальность научной проблемы. Развитие современной промышленности, использующей высокоскоростные автоматизированные роторные линии и быстродействующие мехатронные системы, а также проектирование объектов для морских, авиационных и других видов транспорта, часто требует ввода в практику проектирования и эксплуатации технические системы которые учитывали бы нестационарности. Эти системы работают в условиях повышенных динамических нагрузок от внешних воздействий. Анализ и синтез таких систем затруднителен при использовании классических подходов основанных, как правило, на представлении технической системы квазистационарными и квазилинейными моделями, адекватно описывающими реальные объекты лишь при малых возмущениях. Такие проблемы возникают при проектировании высокоскоростного транспорта с требованием сохранения безопасности перевозки пассажиров и особенно при создании транспортных средств с использованием новых принципов движения.
К ним относятся суда на подводных крыльях, аппараты на воздушной подушке, экранопланы и другие подобного рода объекты, которые сочетают в себе характерные особенности нескольких видов транспорта, например, свойства плавающих транспортных средств со свойствами летательных аппаратов (ЛА).
Идею модернизации водного транспорта с повышением его скорости при минимальной энерговооруженности пропагандировал великий ученый и инженер Ростислав Евгеньевич Алексеев. Под его руководством в 60-е годы прошлого столетия были созданы первые в мире суда на подводных крыльях, а затем экранопланы, выполненные по "самолетной" схеме. Однако суда с малопо-груженными подводными крыльями имели ограничение по максимальной скорости движения из-за возникающего кавитационного режима на крыльях при достижении определенной скорости и, как следствие этого, резкое падение подъемной силы и торможение судна. Экранопланы на основном режиме движения не имеют контакта с водой и не имеют ограничений по скорости.
В развитие околоэкранной аэродинамики большой вклад внесли советские ученые Б.А. Ушаков, Я.М. Серебрийский, Ш.А. Биячуев, Б.Т. Горощенко, А.И. Смирнов, Ю.Л. Жилин, а также работы А.Н. Панченкова и учеников его Иркутской научной школы.
Создание экранопланов как нового скоростного вида транспорта в мировой практике на сегодняшний день находится в стадии, когда каждый конструктор выбирает компоновочную схему и геометрические параметры создаваемого эк-раноплана или на основании собственных разработок, или по аналогии с другими разработками. Нет общей теоретической базы, на основании которой можно было бы проектировать экраноплан с заранее заданными характеристиками по аэродинамическому качеству (аэродинамическому совершенству) и устойчивости движения. Это и послужило причиной того, что в настоящее время ни в одной из стран мира эти работы не перешли из стадии научно-исследовательских работ и создания небольших опытных экземпляров к широкому внедрению и серийному производству.
Актуальность выбора направления исследований в диссертации предопределяется многообразием конструктивных схем экранопланов. Поэтому разработка методик параметрического синтеза конструктивных схем экранопланов позволяет оценивать различные схемы по единым комплексным критериям, а учет динамической функциональности вести через адекватные математические модели экранопланов путем учета кинематической нестационарности параметров движения с возможностью экспериментальной проверки результатов исследования в реальных условиях движения.
Проблема создания экранопланов различных компоновочных схем и методы их структурно-параметрического синтеза с использованием теоретических методов системного анализа применительно к задачам проектирования экранопланов является важнейшей народно хозяйственной проблемой создания новых скоростных видов транспорта с высокой степенью безопасности и надежности.
Таким образом, проблема теоретических и экспериментальных исследований в области создания экранопланов, несомненно, актуальна.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является применение теоретических методов системного анализа и параметрического синтеза к сложным техническим системам с динамической нелинейностью и нестационарностью применительно к задачам управления проектированием экранопланов.
Объект исследования. Объектом исследования является проблема создания экранопланов различных компоновочных схем, их математические модели движения и методы структурно-параметрического синтеза.
Методы исследований. В диссертационной работе для решения сформулированных проблем использовались следующие разделы математики: линейная алгебра, теория матриц, теория линейных дифференциальных уравнений, теория управления, математическое моделирование. Для подтверждения теоретических результатов разработана методика экспериментальных исследований динамических характеристик моделей экранопланов в реальном времени.
Научную новизну диссертации представляют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:
-
Результаты системного анализа уравнений движения экранопланов при взаимодействии их с внешней средой.
-
Математические модели экранопланов различных компоновочных схем с учетом нестационарности параметров движения.
-
Критерии продольной статической устойчивости экранопланов различных компоновочных схем.
-
Методика и алгоритмы параметрического синтеза математических моделей экранопланов различных компоновочных схем с учетом оптимизации по максимальным несущим свойствам крыльев экранопланов, максимальному аэродинамическому качеству и определение зон устойчивости в зависимости от геометрии компоновочной схемы.
-
Алгоритмы обеспечения самостабилизированных положений экранопла-на при изменении скорости движения.
-
Развитие асимптотического метода функциональных параметров, (МФП) для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений.
-
Методика проведения натурного эксперимента испытания моделей экранопланов на открытой воде с помощью катера буксировщика с записью параметров движения в реальном времени.
Все перечисленные результаты диссертационной работы представляющие научную новизну получены впервые.
Практическая значимость. Результаты исследований диссертационной работы позволяют разработчикам экранопланов формировать в соответствии с поставленным перед ними техническим заданием адекватные модели конструктивных схем экранопланов и проектировать экранопланы с оптимальными аэродинамическими характеристиками и параметрами устойчивости. Получено три авторских свидетельства и четыре патента на изобретения по определению зон устойчивости экранопланов схем "утка", "обратная утка" и "самолетная"
схема. Разработанные самостабилизирующиеся компоновочные схемы экрано-планов не имеют аналогов в мире.
Внедрение результатов работы. Построены и успешно прошли испытания при активном участии автора экранопланы АДП-04М, АДП-05 "Орфей" и АДП-07, причем автор диссертации был одним из пилотов-испытателей. Полученные в работе результаты вошли в перспективный план развития малой авиации в Сибири, разработанный предприятием СибНИА им. Чаплыгина г. Новосибирск по поручению правительства РФ. Под руководством автора диссертации спроектирован, построен и прошел первый этап испытаний восьмиместный прототип грузопассажирского экраноплана СДП-09. Проект по созданию самостабилизирующихся экранопланов схемы "утка" победил на президентском конкурсе по поддержке малого бизнеса "Старт - 05" (занял четвертое место по Сибирскому округу). По заданию БЭФ (Байкальского экономического форума 2006 г., состоявшегося в г. Иркутске,) разработан проект и бизнес-план по созданию экранопланов компоновочной схемы "утка" опытной серии (10 экземпляров) вместимостью 15 пассажиров.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, базируется на сравнении экспериментальных данных параметров возмущенного движения модели экраноплана в реальном времени, полученных автором, с теоретическими расчетами параметров движения по разработанной математической модели. Расхождение по первоначальным забросам (росту) параметров при единичных возмущениях не превышает 8%.
Достоверность результатов подтверждается также материалами испытаний самоходных экранопланов АДП-04М, АДП-05 "Орфей" и СДП-09.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях. На 24 Всесоюзной научно-технической конференции по теории корабля. Л.: 1975; на Всесоюзной конференции. Вопросы создания транспорта для Сибирского Севера. Иркутск. 1988; на V всесоюзной школе-семинаре. Иркутск. 1990; на I международной конференции по экранопла-нам. Иркутск. 1993; на III Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Якутск. 2006; на III международной конференции. Проблемы механики современных машин. Иркутск. 2006; в Украинском журнале "Авиация и время". Киев. 2006; на XI международной конференции. Проблемы механики современных машин. Пенза.
7 2007; на международной конференции (Innovation & Sustainability of Modern Railway Proceedings of ISMR 2008. Edited by Lei. Xiaoyan China: 2008); на Байкальском экономическом форуме (БЭФ). Геополитические и социально-экономические проблемы создания международных транзитных транспортных коридоров. Иркутск. 2004, 2006 и 2008; на XIV Байкальской Всероссийской конференции. Иркутск. 2009; на I научно-практической конференции, научных работников и аспирантов. Иркутский филиал МГТУ ГА. 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 44 научные работы, из которых в едином авторстве 21 работа, 9 работ опубликованы в периодических изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 3 авторских свидетельства и 4 патента на изобретения РФ.
Личный вклад автора. Все результаты, включенные в диссертацию из совместных публикаций, являются неделимыми, из которых автору принадлежит (60-70) %. Результаты диссертации, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений общим объемом 278 страниц. В том числе 19 таблиц, 57 рисунков и 7 приложений. Список используемой литературы содержит 322 наименования.
Математические модели динамики зкранопланов
Попытки использовать благоприятное влияние экранного эффекта были сделаны немецкими авиационными специалистами еще в 1932 году при испытании тяжелой летающей лодки ДО-Х на Северном море, а в середине 30-х годов финским инженером Т. Каарио построен первый аппарат, основанный на использовании эффекта экрана [75].
Разработкой экранопланов и экранолетов занимаются Россия, Германия, Япония, Швейцария, Китай, Тайвань, Австралия. Определение экранолет отличается от экраноплана тем, что экранолеты могу двигаться как в экранном режиме, так и вдали от экрана.
В России головными разработчиками экранолетов являются бывшее ЦКБ по СПК в г. Нижний Новгород и таганрогский авиационный завод ТАНТК им. Р. Бартини. В Центральном конструкторском бюро по судам на подводных крыльях (ЦКБ по СПК) под руководством Р. Алексеева в 60-х годах были созданы экранолеты "Орленок" и "Лунь". В 70-е годы было изготовлено и продуто в аэродинамической трубе более 200 моделей экранолетов схемы "летающее крыло". В результате в 2000 г. на нижегородском авиастроительном заводе "Сокол" появился 8-й местный экраноплан "Волга-2" конструкции В. Дементьева. Было продано 3 единицы по 120 тыс. USD. На базе этого экранолета, по информации А. Маскалика, с 1993 года при финансировании тайваньского бизнесмена создано 12 экранолетов "Акваглайд". Эти экранолеты были проданы в США (в Норфолк) и на Багамские острова.
Группа компаний "Алиен", получившая патент на использование нескольких модификаций экранолетов, под руководством председателя совета директоров А. Гаккель планирует продавать экранолеты западным компаниям. Стоимость головного экранолета на 40 пассажиров оценивается в 7—9 млн. USD, а серийного 4,5-5 млн.
В настоящее время на базе Чкаловского филиала ЦКБ по СПК при финансировании "Арктическо-транспортной компании" под руководством Р. Нагапетяна и председателя совета директоров В. Иваненко готовятся проекты экранопланов на 50 и на 200 пассажиров.
В 2004 году финансово-промышленная группа "Скоростной флот" (ЦКБ по СПК им. Р. Алексеева и судостроительный завод ОАО "Волга") заключили с Вьетнамом договор на проектирование катера-экраноплана "Волга-2". В г. Таганроге под руководством Р. Бартини в 60-х годах был создан с шасси на воздушной подушке ВВА-14 "Змей Горыныч" с вертикальным взлетом и посадкой. Экранолет должен был иметь 2 маршевых и 12 подъемных двигателей. Первый полет ВВА-14-ЇМ в самолетном режиме состоялся 4 сентября 1972 года. Испытания продолжались с 1972 г. по 1975 г., налетали свыше 103 часов при 107 полетах в самолетном режиме. К сожалению, из-за непоставки подъемных двигателей ВВА-14- 1М, так и не был испытан в режиме взлета и посадки на воде. Одновременно Р. Бартини разработал проект "идеального транспорта" - "Проект-2500". Это должен был быть самолет-амфибия с вертикальным взлетом и посадкой со взлетным весом 2500 т с центропланом, выполненным по схеме "летающее крыло".
В 2003 году в КБ ТАНТК им. Бериева приступили к разработке нового экранолета по схеме "летающее крыло" при взлетном весе в 2500 т и крейсерской скоростью 450 км/ч.
В г. Омске в 2004 г. на базе аэрокосмического объединения "Полет" начато серийное производство экранолета "Иволга". Создано совместное предприятие "Старт-Трэк". По расчетам авторов проекта предположительный ежегодный доход от эксплуатации 14 местного экранолета "Иволга" составит 87800 USD при стоимости билета не выше 10 USD. Федеральная погранслужба РФ выразила заинтересованность в приобретении около 100 единиц при стоимости в 12 млн. рублей. На выставке "ВТТВ-Омск-2005", где "Иволга" была представлена в виде модели, к ней проявили интерес представители Канады, Чили, Южной Кореи. "Старт-Трэк" готовит к выпуску экранолеты Эк-12 на 12 мест и Эк-25 на 27 мест. Созданием экранопланов и экранолетов в основном "самолетной" схемы и реже схемы "летающее" крыло занимались в Москве, Николаеве, Казани, Саратове, Комсомольске-на-Амуре, Иркутске.
Созданием экранолетов занимались А. Липпиш и Г. Йорг. Экранолеты Липпиша Х-112, Х-113, Х-114 выполнены по "самолетной" схеме, а 2-х местный экраноплан Г. Иорга "Флербоут" — по схеме "тандем".
В Китае, начиная с 1996 г., тема экранолетов включена в правительственную программу развития высоких технологий "Факел" [154]. За все время в Китае построено около двух десятков различных экранолетов для эксплуатации на внутренних водоемах и на прибрежных морских акваториях. Грузоподъемность этих экранолетов находится в широком диапазоне - от одноместных до аппаратов типа FLHRO-PB на 150 мест. Китайские экранолеты созданы в основном по прототипу российского экранолета "Волга-2" [154].
В 1970-е годы американцы массированными публикациями провозглашали о бесперспективности создания экранопланов и экранолетов. Вероятнее всего, все эти публикации были коньюктурными и направлены на подрыв государственной программы в СССР. На 1 международной конференции по экранопланов в 1993 г. в г. Иркутске зарубежные специалисты отмечали, что Советский Союз опережает все зарубежные страны по созданию экранопланов на 20-25 лет.
В середине 90-х годов американцы, проанализировав перспективность использования экранопланов и экранолетов, пришли к выводу о значительном отставании США в области экранопланостроения, и конгресс США создал специальную комиссию, призванную разработать план действий по "ликвидации русского прорыва". В результате переговоров с правительством России американцев допустили на испытательную базу в г. Каспийске, где они детально отсняли на фото и видеопленку подготовленный к вылету экранолет "Орленок". После этого визита американцы, сэкономив несколько миллиардов долларов, начали разработку своих собственных экранолетов. Компания "Боинг" начала работы над гигантским экранолетом "Ультра" или "Пеликан" 152 м в длину и 106 м в ширину [167].
Нестационарность изменения фазовых переменных в уравнениях движения зкранопланов
Суммируя основные достижения исследования динамики экранопланов в аспекте создания нового вида транспорта, который успешно мог бы конкурировать с существующими транспортными системами, можно сделать следующие выводы.
Исследования динамических характеристик экранопланов на первом этапе оценочных расчетов можно вести на базе системы (1.23) - системы дифференциальных уравнений продольного движения, полученной в рамках гипотезы квазистационарности сил и моментов в возмущенном движении, в основе которой лежит метод малых возмущений.
Критериальные оценки статической устойчивости экранопланов, приведенные в обзоре, дают противоречивые результаты и применение их для выбора компоновочных схем экранопланов может дать неверный результат.
Как отмечалось во введении, Т. Каарио [75] был первым, кто использовал авиационное крыло для разгрузки аэросаней при их движении и объяснил возникающую при этом продольную неустойчивость. По его словам: - "...крыло теряло свою устойчивость и поднималось на значительную высоту". Бесхвостые экранопланы Т. Каарио оказались статически неустойчивыми.
Крыло экраноплана КАГ-3, предложенное фирмой Кавасаки, с дополнительными стабилизаторами, установленными позади каждого поплавка со значительным поперечным V, было также неустойчивым. Установка дополнительных стабилизаторов на КАГ-3 не привела к статической продольной устойчивости этих аппаратов вблизи земли [94].
Испытывая модель экраноплана, П.Е. Кумар в работе [105] указывает на сильную продольную неустойчивость поднятой носовой части, когда модель отрывалась от земли. Применив тандемное крыло, П.Е. Кумар смог получить устойчивый полет, исключив начальный взлетный период.
Экраноплан тандемной компоновки, созданный К. Вейландом (Дуглас Эйкрафт Корпорейшин), имеющий большие удлинения крыльев, не обладал продольной устойчивостью и для обеспечения последней в носовой части аппарата были установлены водные лыжи. Это далеко не полный перечень неудачных попыток создания и испытания экранопланов за рубежом с характерной продольной неустойчивостью. К разряду удачных конструкций экранопланов можно отнести двухместный экраноплан американского инженера Н. Дискинсона (1963 г.). Этот экра-ноплан с авиационным двигателем мощностью 190 л.с. выполнен по схеме "летающее крыло". По сообщениям печати он легко выходил на расчетный режим, летал на реках и озерах США на высоте 20-30 см и успешно эксплуатировался в течение ряда лет. Другими удачными экранопланами за рубежом можно считать два двухместных катера с водяными винтами американца В. Корягина, фирма "Локхид" [94], показавшие на испытаниях вполне удовлетворительные результаты. В середине 1960-х годов известный авиаконструктор А. Липпиш построил свой первый одноместный экраноплан "Х-112", а в 1970 г. двухместный экраноплан "Х-113" по чисто "самолетной" схеме с высоко вынесенным из зоны влияния экрана стабилизатором [112,113]. Всесторонние испытания показали их хорошие ходовые и мореходные качества. По мнению автора, успешное решение проблемы устойчивости было обусловлено аэродинамической компоновкой аппарата, отличающейся чисто "самолетной" схемой и специально спроектированным крылом, максимально использующим эффект экрана. Во время испытаний "Х-113" поднимался на высоту до 800 м над экраном, что приводило к резкому падению аэродинамического качества и повышенному расходу топлива. А. Липпиш считал, что оптимальная высота полета экрано-плана равна половине его размаха (для Х-113 это около 3 м). Это его мнение сильно расходилось с данными других зарубежных специалистов (Т. Каарио, Ш. Эндо, В. Корягина и др.), которые проектировали экранопланы для полета на высоте 0,1-0,3 хорды САХ крыла. В 1976 г. А. Липпиш по заданию ВМС ФРГ построил военный патрульно-транспортный 6-й местный экраноплан "X-114". Этот экраноплан единственный в то время аппарат, принятый на вооружение за рубежом. Испытания его показали хорошие ходовые качества и устойчивость как вблизи экрана, так и вдали от него. В 1964 г. швейцарский инженер X. Вейланд построил самоходную пилотируемую модель экраноплана "Малый Вейланд" по схеме "тандем". В первом же полете на озере Солтон в Калифорнии модель довольно долго летела на высоте одного метра, затем неожиданно взмыла вверх и упала на воду. Причина аварии в то время окончательно не была установлена. Такая же участь постигла и первый экранолет Р.Е. Алексеева СМ-1, выполненный по "тандемной" схеме в 1962 году. Аппарат самопроизвольно взмыл вверх и упал на лед. Этот режим, получивший название "уход на кабрирование", есть не что иное как потеря экранопланом статической устойчивости. Всего за рубежом построено не более 100 опытных экранопланов, выполненных по различным схемам. Известно также не меньшее число предложений, патентов, проработок и проектов экранопланов, не воплощенных в реальные конструкции. В настоящее время, несмотря на обилие материала, невозможно выделить каких-либо общих тенденций в конструктивном оформлении экранопланов. Кроме того, проблема устойчивости, по мнению зарубежных специалистов, и в настоящее время не может считаться окончательно решенной. Как отмечал А.Н. Панченков [137,144] — при создании экранопланов одно из центральных мест занимают две проблемы: - повышение аэродинамического качества ЛА (аэродинамического совершенства; - обеспечение заданной динамики ЛА (динамического совершенства). В первой проблеме речь идет о пространственной конструкции ЛА, взаимодействующей с обтекающим ее потоком. Эта проблема входит в раздел механики жидкости и газа и теорию оптимальных аэродинамических форм.
Параметрический синтез экранопланов компоновочной схемы "утка"
При изучении эволюции системы в параметрическом пространстве для приложений оказывается необходимой информация о поведении системы на всем временном интервале. Для решения этих задач получил развитие метод функциональных параметров (МФП).
В первых работах по применению метода функциональных параметров в механике сплошной среды обнаружилась его эффективность в задачах гидродинамики сплошной среды [132]. Это обстоятельство, естественно, стимулировало широкие исследования по применению метода функциональных параметров в различных задачах механики, в частности, этим методом удалось решить основные проблемы гидродинамики подводного крыла, теории несущей по 127 верхности и задачи околоэкранной аэродинамики. МФП оказался основным рабочим аппаратом также и в теории потенциала ускорений [138].
В целом, в настоящее время имеется большое число публикаций, посвященных асимптотическим методам, применяемым для исследования задач в системах с произвольными параметрами. Рассмотрим один из вариантов МФП - метод пространства малого времени, получивший развитие в теории нестационарных процессов [134-137,140]. Интегрирование конечномерных линейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих асимптотически устойчивые процессы, имеет ряд преимуществ по простоте формулировки задачи. Решение системы дифференциальных уравнений сводится к нахождению членов ряда (4.2) с помощью рекуррентного соотношения (4.3). В работах [108,243,250-252] подробно рассмотрен вопрос о влиянии параметра отображения q и количества членов разложения N в соотношении (4.3) на быстродействие решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Значение параметра q автор диссертации предлагает определять по следующей зависимости [185] При интегрировании систем дифференциальных уравнений продольного возмущенного движения экранопланов методом функциональных параметров восстановить решение на всем физическом временном интервале функционирования системы /с[0н-оо) не удается. Это может быть объяснено жесткостью системы уравнений (большим разбросом значений действительной часть корней - два — три порядка), описывающих возмущенное движение экранопланов. Автор диссертации в работе [185] подробно рассмотрел вопрос о влиянии параметра q и количества членов разложения N в формуле (4.3) на решения системы. Выяснилось, что решение восстанавливается на некотором временном интервале от t = 0 до tx. При t tx метод функциональных параметров дает неустойчивые алгоритмы. В работе [185] впервые предложен следующий алгоритм решения задачи Коши, восстанавливающий решение на физическом временном интервале Jc[0-oo). Система уравнений решается с двумя значениями параметра q: qx и q2=qx+C. Где (0 C qx) выбирается в конкретных задачах эвристическим способом в соответствии со структурой матрицы А. Момент времени tx опре 129 деляется путем сравнения в каждый момент времени интегрирования системы суммы модулей значений фазовых координат по (4.5), найденных с параметрами qx и q2. Расхождение значений регламентируется заранее заданной точностью єх Ii=l (=1 Момент времени, когда расхождение в (4.5) станет больше заданной точности, и принимается за время tx. Таким образом, предложенная в работе модификация метода функциональных параметров (алгоритм построения решения) заключается в построении асимптотических решений в интервале [0-г/,) и дальнейшем пошаговом движении по временному интервалу J с: [0-ь со) "большими шагами". За начальные значения фазовых координат для следующего шага берутся значения координат предыдущего шага во времени tx. Таким образом, получаем решение на всем временном интервале функционирования системы. Интегрирование конечномерных линейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих асимптотически устойчивые процессы, путем представления решений в виде степенного ряда по функциональному параметру имеет ряд преимуществ по простоте формулировки задачи и позволяет решать жесткие системы. Расчет самостабилизирующихся положений экранопланов схем "утка", "обратная утка" и схемы "гибрид" рассмотрен в полетном диапазоне скоростей от скорости отрыва экраноплана от взлетно-посадочной полосы до максимальной скорости в соответствии с пятым уровнем блок-схемы рис. 2.1. Самостабилизирующими свойствами при полете над экраном обладают только эти схемы экранопланов, так как они самобалансируются при изменении скорости движения за счет изменения высоты крыльев над экраном и изменении угла тангажа. Экранопланы "самолетной" схемы и экранопланы схемы "летающее крыло" этими свойствами не обладают. Самостабилизирующиеся положения экранопланов получили название "посадки". Термин "посадки" введен Р.Е. Алексеевым. Ниже приведен алгоритм расчета "посадок" экранопланов компоновочной схемы "утка". Под посадками (для упрощения кавычки в слове посадки убраны) будем понимать квазиустановившиеся сбалансированные положения экраноплана в продольном движении в диапазоне скоростей от скорости отрыва до крейсерской или максимальной скорости, что будет соответствовать посадкам при взлете, и от максимальной скорости до скорости касания взлетно-посадочной полосы (ВПП) — посадкам при торможении. При этом подразумевается отсутствие вмешательства органов управления во всем диапазоне скоростей и сохранение устойчивости движения. Посадки — это самостабилизированные положения экраноплана относительно экранирующей поверхности.
Методика и алгоритмы расчета самостабилизирующихся режимов полета экранопланов
Особо отметим, что для экранопланов схем "самолетная" и "обратная утка" возмущение первой фазовой координаты (изменение скорости AV) рис. (4.7,4.8) вызывает значительные изменения всех остальных параметров продольного движения. Этот факт говорит о том, что влияние первого уравнения в системе дифференциальных уравнений продольного движения значительное и понижать размерность системы уравнений путем исключения из рассмотрения первого уравнения нельзя, как это делают авторы работ [32] и [74]. Переходные процессы рис. (4.19,4.20.) подтверждают этот вывод. Из графиков рис. (4.15,4.16) видно, что возмущение отстояния ЦМ - АЯ экранопланов всех приведенных компоновочных схем не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на изменение других параметров движения - AV, Аа, 1. Применение модифицированного метода функциональных параметров (МФП) - метода пространства малого времени в ряде случаев обеспечивает более простую формулировку задачи, а разработанный автором диссертации алгоритм пригоден для интегрирования жестких систем дифференциальных уравнений. 2. Впервые приведен алгоритм расчета посадок (блок-схема алгоритма расчета посадок экранопланов (рис. 4.1) который позволяет определять для конкретной компоновочной схемы экраноплана его положения в пространстве в зависимости от скорости при разгоне от скорости отрыва до крейсерской или максимальной скорости или при снижении скорости от максимальной до скорости, при которой происходит касание ВПП. При этом ведется проверка устойчивости экраноплана на каждом режиме. Самостабилизирующимися положениями движения в полетном диапазоне скоростей обладают только экранопланы схем: "утка", "обратная утка" и "гибрид". Экранопланы "самолетной" схемы свойством самостабилизации не обладают, а экранопланы схемы "летающее крыло" неустойчивы для приведенной геометрии схемы. 3. Впервые определены зоны устойчивости для экранопланов схем: "утка", "обратная утка" и "самолетная" в зависимости от конструктивных параметров и 12, что дает разработчику возможность проектировать экрано-план любой из этих компоновочных схем с заранее известными характеристиками устойчивости. На эти схемы экранопланов по определению зон устойчивости получено четыре патента [217-220]. 4. Впервые проведен сравнительный анализ переходных процессов фазовых координат экранопланов различных компоновочных схем. Лучшими динамическими характеристиками по логарифмическому декременту затухания колебаний и по времени релаксации обладают схемы "летающая платформа" - модификация схемы "утка", сама схема "утка" и "гибрид". Схема "обратная утка" и "самолетная" схема обладают малыми декрементами затухания колебаний переходных процессов фазовых координат и большим временем релаксации. Для экранопланов "самолетной" схемы и "обратной утки" возмущение первой фазовой координаты - AV вызывает значительные изменения всех остальных параметров продольного движения. Поэтому понижать размерность системы уравнений продольного движения путем исключения из рассмотрения первого уравнения для изучения характеристик устойчивости этих компоновочных схем нельзя. Возмущение отстояния ЦМ экранопланов всех приведенных компоновочных схем не оказывает значительного влияния на изменение других параметров движения. Для изучения особенностей околоэкранной аэродинамики наиболее широко применяются аэродинамические трубы с имитацией земли посредством неподвижного или подвижного экрана [6,97,114,133,146,152,160,170,229, 230,234,235,237,247,260,264,268,306,316], или с помощью зеркального отображения второго крыла или всего аппарата [152], предложенного Л. Пранд-тлем. Были сделаны также попытки применения подвижного экрана [6]. Но наиболее результативными способами исследования устойчивости и управляемости экранопланов является буксировка их моделей в гидроканалах, катапультирование на треке, буксировка посредством специально оборудованного для этой цели катера, а также применение радиоуправляемых самоходных моделей. Однако, для изучения таких важных и плохо поддающихся достаточно точным расчетам и моделированию качеств экранопланов, как устойчивость, управляемость, эффективность стартовых устройств, сопротивление в переходных режимах, могут с достаточной достоверностью изучаться только с помощью самоходных пилотируемых моделей. Для проверки адекватности математической модели возмущенного продольного движения экраноплана с учетом нестационарности, полученной в разделе I Главы 3, реальным физическим процессам, построена и испытана модель экраноплана компоновки "летающая платформа", являющаяся модификацией схемы "гибрид", с оптимальным удлинением крыльев. Для регистрации и записи параметров возмущенного движения модели использована стандартная авиационная аппаратура МСРП-12 с некоторыми изменениями и упрощениями. Испытания проводились в плане совместных работ Иркутского государственного университета им. А.А. Жданова и ИрВЦ СО АН СССР на базе Ангарского аэрогидродинамического центра на Братском водохранилище. Автор диссертационной работы был разработчиком и руководителем этих работ. Конструкция и геометрия модели были определены с учетом практических рекомендаций квадрупольной теории несущей поверхности А.Н. Пан-ченкова [135,136], расчетов по оптимизации удлинений основного крыла, а также учитывались предыдущие результаты испытаний моделей. Модель экраноплана (рис. 5.1 и рис. 5.2) спроектирована по компоновочной схеме "гибрид" (рис. 2.8) и состоит из следующих агрегатов: 1) основное несущее крыло; 2) носовое горизонтальное оперение; 3) двухкилевое вертикальное оперение; 4) кормовой стабилизатор; 5) силовая рама с датчиками. 1. Основное несущее крыло с удлинением /1 = 2 представляет собой тонкую несущую поверхность, плоскую по хорде и размаху, спроектированную по рекомендациям квадрупольной теории [135,136], и имеющую отклоненную заднюю кромку по хорде Ъ3 = 0,1396OK (S3 =26) мм и отогнутые вниз боковые кромки на величину 5бок =26 мм (см. рис. 2.11). Изготовлено основное крыло из дюралюминия клепаной конструкции.
