Введение к работе
Актуальность работы. Бортовые средства информационного обеспечения полетов вертолета включают большое число измерителей различного назначения, наиболее значимыми из которых являются измерители высотно-скоростных параметров (ВСП). До настоящего времени методы и средства измерения ВСП, используемые на отечественных вертолетах, повторяют аналогичный комплекс самолетных средств. Однако в силу особенности аэродинамической компоновки вертолетов и способа создания подъемной силы это практически исключает возможность измерения ВСП в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета. Последнее обусловлено сильными возмущениями аэродинамического поля вертолета в местах установки средств восприятия ВСП (аэрометрических преобразователей).
Широкий спектр применения вертолетов и рост требований к уровню безопасности и эффективности выполнения полетного задания делает чрезвычайно актуальной задачу расширения диапазона измерения высоты и параметров вектора воздушной скорости. Это требует создания измерителей ВСП на принципах, максимально учитывающих специфику аэродинамики и динамики полета вертолета.
Целью данной работы является создание многоканального измерителя ВСП вертолета с расширенным диапазоном измерения величины и направления вектора воздушной скорости.
Задача научного исследования заключается в разработке методов анализа и синтеза функциональных элементов многоканального измерителя ВСП вертолета, обеспечивающих расширение диапазона измерения параметров вектора воздушной скорости и достижение требуемых эксплуатационно-функциональных характеристик измерителя.
Задача исследования решалась в следующих направлениях:
определение основных аспектов исследования задачи измерения ВСП вертолета;
разработка методики экспериментальных исследований поля скоростей и давлений в неоперенной части несущего винта вертолета на осевых режимах его работы;
анализ перспективных концепций построения измерителей ВСП и разработка алгоритмов формирования выходных информативных сигналов и реализующих их структурных схем;
оценка предельных возможностей средств восприятия ВСП и разработка физико-математических моделей и алгоритмов процессов формирования первичных пневматических информативных сигналов;
- г -
синтез элементов и устройств восприятия и преобразования первичных пневматических сигналов одноканальних и многоканальных измерителей ВСП с учетом особенностей аэродинамики вертолета;
разработка путей обеспечения требуемых эксплуатационно-функциональных характеристик каналов измерения ВСП с использованием структурных методов.
-разработка методик проведения трубных исследований, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей ВСП.
Методы исследования базируются на использовании теории измерительных преобразователей и электрических цепей, а также теоретических основ аэродинамики и струйной техники, газо- и термодинамики, на применении аппарата дифференциального и интегрального исчисления. Задача параметрического синтеза аэрометрического преобразователя проточного типа решается с помощью метода экспериментально-статической оптимизации. Теоретические исследования алгоритмов функционирования основных информативных каналов измерителя ВСП и их метрологическая оценка выполнены с использованием методов имитационного и полунатурного моделирования. Основные выводы подтверждены результатами лабораторных, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей.
Научная новизна работы представлена следующими результатами, которые выносятся на защиту:
обоснована необходимость комплексного подхода к решению задачи измерения ВСП вертолета;
разработана методика исследования аэродинамического поля вертолета применительно к задаче измерения ВСП в расширенном диапазоне изменения параметров вектора воздушной скорости;
в рамках перспективных концепций разработаны структурно-функциональные схемы и алгоритмы Формирования выходных сигналов одноканальных и многоканальных измерителей ВСП вертолета;
получены аналитические выражения, подтверждающие повышение уровня первичного пневматического информативного сигнала и расширение функциональных возможностей аэрометрического преобразователя (АМП) проточного типа;
разработаны алгоритмы формирования и обработки первичных пневматических сигналов многоканального (панорамного) аэрометрического преобразователя;
разработана методика и решена задача параметрического синтеза аэрометрических преобразователей проточного типа;
получены аналитические выражения для функций преобразования
струйно-конвективных преобразователей (СКП), входящих в каналы измерения скорости и высоты полета, которые позволили решить задачу анализа и оценки влияния параметров элементов СКП на метрологические характеристики измерителя ВСП;
решена задача обеспечения эксплуатационно-функциональных характеристик информативных каналов измерителя ВСП на основе структурных методов повышения точности и надежности;
разработаны методики проведения лабораторных исследований. стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей ВСП и входящих в них функциональных элементов.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны рекомендации по выбору и оценке предпочтительных зон установки средств восприятия ВСП вертолета;
разработаны и обоснованы структурно-функциональные схемы од-ноканальных и многоканальных измерителей ВСП в рамках перспективных концепций их построения;
показано, что повышение уровня первичных пневматических сигналов и расширение функциональных возможностей измерителей ВСП достигается путем сочетания в каналах АМП двух базисных эффектов: торможения и дросселирования набегающего воздушного потока;
получены рекомендации по параметрическому синтезу элементов СКП и выбору алгоритма обработки его выходных сигналов в каналах измерения ВСП вертолета;
разработаны принципы схемного и конструктивного построения вариантов АМП, модулей СКП и каналов обработки информативных каналов одноканальных и многоканальных измерителей ВСП вертолета, обеспечивающие улучшение их метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей, которые защищены 28 авторскими свидетельствами и двумя патентами Российской Федерации.
Реализация и внедрение. Полученные научно-технические результаты работы внедрены и используются в Ульяновском конструкторском бюро приборостроения (УКБП) при проектировании, изготовлении и испытаниях экспериментальных образцов измерителей ВСП и систем воздушных сигналов на их основе, разрабатываемых в рамках тем 41620164, 51700184, 11570184. Разработанные совместно с УКБП и изготовленные в отраслевой НИЛ "Измерительные преобразователи" КГТУ им. А. Н. Туполева экспериментальные образцы измерителей ВСП типа ИБВ и типа СИВС прошли заводские испытания и использовались при стендовых исследованиях и испытаниях на предприятиях АООТ КНПП "Вертолеты МИ", а также в составе КЗА при сравнительных лет-
- і -
ных испытаниях СВС на предприятии УВЗ им.Н. И.Камова. Экономический эффект от внедрения разработок составил 230 тыс.руб. (в ценах 1981-1989 гг.).
Экспериментальный образец датчика абсолютного давления и скорости его изменения типа ДДС-900-2, входящий в состав измерителя ВСП, демонстрировался на ВДНХ СССР.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2-м Всесоюзном симпозиуме по теории информационных систем и устройств управления с распределенными параметрами (г.Уфа, 1974), на Всесоюзной конференции по развитию систем метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ (г. Казань, 1975), на 2-й Всесоюзной научной конференции "Проблемы чувствительности электронных и электромеханических систем" (г.Москва, 1981), на 4-й Республиканской научно-технической конференции (НТК) "Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем" (г.Киев, 1981), на Всесоюзной НТК "Развитие и использование аналоговой и аналого-цифровой техники" (г. Москва, 1981), на 3-ей и 4-й Всесоюзных НТК по безопасности полетов (г.Ленинград, 1982, 1985), на научной конференции НТО Приборпрома им. С. В. Вавилова "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (г.Москва, 1982), на отраслевой конференции "Аэродинамика и динамика винтокрылых ЛА" (г.Москва, 1985), на отраслевой НТК "Пути повышения эффективности летных испытаний и исследований авиационной техники"(г. Москва, 1988), на 2-й Всесоюзной конференции "Системы автоматического управления ЛА" (г.Москва. 1988), на Республиканском научно-техническом семинаре "Машинные методы в задачах механики, устойчивости и управления" (г.Казань, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции и семинаре "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1991, І992г.г.). на НТК "Вопросы повышения эффективности трассовых испытательных комплексов, автоматизация обработки материалов летных испытаний и исследований на крупно-масштабных летающих моделях (г.Москва, 1990), на НТК "Научный потенциал вузов" по программе "Конверсия" (г.Казань, 1993), на 1-й Международной конференции по экранопла-нам (г.Иркутск, 1993), на Международной НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Дат-чик-93, г.Гурзуф, 1993), на НТК по итогам работы за 1992/93 НИЧ-50 (г.Казань, 1994), на Всероссийской НТК с участием зарубеж-
ных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г.Гурзуф, 1994), на Всероссийской НТК "Техническое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств (экранопланов и сверхлегких летательных аппаратов (г.Казань, 1994), на Международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении Модель-проект-95 (г.Казань,, 1995), на НТК "Факультету автоматики и электронного приборостроения 45 лет" (г.Казань, 1996г.), на итоговых НТК Казанского авиационного института (г.Казань, 1971, 1974. 1975, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989г.г.), на НТК по итогам работы за 1992-1993г.г. "НИЧ-50 лет" (г.Казань, 1994г.), на научном семинаре "Бортовые измерительные преобразователи и приборные комплексы" (г.Казань, 1983, 1985), на НТС подразделений Ульяновского конструкторского бюро приборостроения (г.Ульяновск, 1981 - 1994г. г.).
По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 74 печатных работы, в том числе 11 статей, .28 авторских свидетельств СССР и два патента Российской Федерации, а также 27 научно-технических отчетов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 214 наименовании и приложения на 14 страницах. Основная часть включает 178 страниц машинописного текста. 112 рисунков и иллюстраций, 24 таблицы.
