автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему: Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений

Автореферат диссертации по теме "Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений"

На правах рукописи

КОЗИЦИН ВЛАДИМИР КУЗЬМИЧ

СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ СВОБОДНО ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРИЕМНИКА ДАВЛЕНИЙ

Специальность 05. 11. 16 - Информационно-измерител ьн ы е 1

и управляющие системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата Технических наук

Работа выполнена в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Солдаткин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Корнилов Владимир Юрьевич кандидат технических наук Бельфор Георгий Ефимович

Ведущая организация: ОАО «Московский институт

электромеханики и автоматики»

Защита состоится 22 декабря 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212-079.06 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420015, г, Казань, ул. Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 225).

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, К1ТУ им. А.Н. Туполева, ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно знакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан «_» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В народном хозяйстве и для обороты ораны широко используются вертолеты различных классов. В последние годы вертолеты составляют значительную часть экспорта авиационной техники России.

Расширение круга задач, решаемых вертолетами, и интенсификация их использования, в том числе в ночное время, обусловливают непрерывное повышение требований к средствам информационной поддержки л и дотирования и обеспечения безопасности полетов, определяет актуальность расширения арсенала средств измерения пилотаж но-навигационных параметров вертолета.

Полет вертолета происходит в приземном воздушном слое атмос<|>еры и для его выполнения в инструментальном и автоматическом режимах пилотирования необходима информация о высотно-скоростных параметрах. Наличие достоверной информации о барометрической высоте, приборной скорости, величине и составляющих вектора истинной воздушной скорости, углах атаки и скольжения вертолета позволяет наиболее полно использовать летно-технические и боевые возможности вертолетов, повысить качество управления, обеспечить безопасность полета на режимах взлета, при полете на предельных режимах, при посадке на ограниченные площади и в условиях плохой видимости, предотвратить такие нештатные ситуации как «явление подхвата», попадание в режим «вихревого кольца», выход на границу максимальной приборной скорости.

Объект исследования. Измерение высотно-скоростных параметров вертолета, особенно в области малых и околонулевых скоростей полета, затрудняется значительными искажениями его аэродинамического поля индуктивными потоками несущей системы, а также пространственным обтеканием приемников аэрометрической информации. При *зтом способность вертолета совершать движение как вперед и назад, так и вправо и влево, сильные возмущения аэродинамического поля вблизи фюзеляжа, вносимые несушей системой, а также необходимость устойчивого измерения в диапазоне малых и околонулевых скоростей, в широком диапазоне изменения углового положения вектора воздушной скорости ограничивают применение на вертолетах традиционных для самолетов систем воздушных сигналов (CDC), обусловливает необходимость создания СВС, построенных на новых принципах, максимально учитывающих специфику аэродинамики и динамики полета вертолета, удовлетворяющих современным требованиям по точности и надежности работы в реальных условиях эксплуатации.

Значительный вклад в разработку методов и средств измерения высотно-скоростных параметров (воздушных сигналов) вертолета внесли: Е.С. Вождаев, А.Н. Петунин (ЦАГИ), А.И. Акимов, В.П. Бутов (ЛИИ), Б.М. Абрамов, Г.Е. Бельфор, Б. В. Лебедев (ИИ И АО), D.A. I [етросян, В.В, Иванов, Ю.Г. Соковиков, В.Б. Альперовнч, О.Н. Варванин (УВЗ),

A.Н. Птицыи, Л.Н. Иванов (MD3), Л.Ю. Лисс, М.И. Мануйлов (КФ МВЗ).

B. Г. Кравцов, Л. К. Панкратов, Н.В. Алексеев (А эро прибор-В ос ход), Г.И. Клюев, H.H. Макаров (УКБП), В.А. Ференец, В.М. Солдаткин, A.A. Пору нов. В,В. Солдаткин (КГТУ-КАИ), Н.Г, Федоров, Г.В. Конюхов, ИД1. Ефимов (Ул(ТУ) и другие отечественные ученые и специалисты. Среди зарубежных исследователей следует отметить D.F. Daw, Т.A. Egolf, R.B. Grau, J, Kalctka, N.M. Komerach, S.G. Lion, P.E. Lorbcr, B. Miller, V.E. Ncrcdka, W. Johnson, R.P. Smith, P.E. Shcridian, F.A. Summerling, T.L, Tompson, G. Yamauchi и др.

В основу используемых и разрабатываемых систем измерения иошушных сигналов вертолета положены приемники воздушных давлений , вращающиеся на лопасти (система КВНС) или на специальной штанге (система Loras), принудительно ориентируемые по потоку с помощью пневмомеханической и электромеханической следящей системы (датчики ДА У-Г], ДАУ-Т, ДАУ-М) или свободно ориентируемые по потоку с помощью флюгеров (система Lassie), а также неподвижные приемники, разнесенные по фюзеляжу (Аэроприбор-Восход) или вписанные в аэродинамический профиль (КГТУ-КАИ).

Расположение приемников давлений на лопасти или на вращающейся штанге, использование электромеханических следящих систем является причиной усложнения конструкции систем воздушных сигналов, снижения надежности и точности работы, особенно при малых скоростях полета. Использование неподвижных и распределенных приемников давлений позволяет обеспечить измерение лишь в ограниченном диапазоне изменения углов атаки и скольжения вертолета.

Предмет исследования. Широкими возможностями по обеспечению всеиа правлен но го (при трехмерном изменении положения продольной оси вертолета) помехоустойчивого измерения высотно-скоростных параметров вертолета при сравнительно простой - конструкции, обладает система воздушных сигналов вертолета (СВС-В), построенная на основе свободно ориентированного приемника давлений, расширение рабочих диапазонов и высокая точность которой обеспечивается за счет использования алгоритмических и инструментальных методов коррекции погрешностей, принципов комплекс и рования и оптимальной фильтрации помех.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности полетов и эффективности применения гражданских и военных вертолетов за счет создания помехоустойчивой всенаправленной системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений с расширенной нижней границей рабочих скоростей полета и высокими точностными характеристиками.

Научная задача диссертации заключается' в разработке особенностей построения, математического описания, методики ' системного проектирования н исследования системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Решение поставленной задачи исследования проводилось но следующим основным направлениям:

• Анализ современных требований к средствам измерения пысотио-скоростных параметров вертолета и обоснование перспективности применения системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

• Разработка математических моделей формирования, восприятия и передачи первичных информативных сигналов, учета кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной аэрометрической информации системы воздушных сиги ал о в вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

• Разработка методики построения алгоритмического обеспечения каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

• Разработка методов анализа и синтеза каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентирован но го приемника давлений по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях.

• Разработка способов уменьшения методических и инструментальных погрешностей и расширения рабочих диапазонов скоростей исследуемой системы воздушных сигналов за счет конструктивно-технологических мероприятий, алгоритмической коррекции погрешностей, использования принципов комплекснрования и оптимальной фильтрации.

• Разработка методики моделирования и экспериментального исследования, рекомендаций по изготовлению и применению системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений на вертолетах различных классов.

Методы исследований. При решении поставленной задачи научного исследования использовались методы теории измерений и измерительных преобразователей, математического моделирования, анализа и синтеза измерительных систем, • методы имитационного моделирования и экспериментального исследования, вероятностно-статистической обработки результатов.

Достоверность полученных результатов базируется па построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза измерительных систем, на тщательном имитационном моделировании, трубных исследованиях и натурных испытаниях опытных образцов системы, а также на опыте внедрения полученных научно-технических результатов.

Научная новизна и теоретическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

• Разработаны математические модели формирования, восприятия, передачи и обработки первичной аэрометрической информации, способы

учета кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений выходных сш налои свободно ориентированного приемника давлений.

• Разрабо тана методика формирования и уточнения алгоритмического обеспечения капало» системы воздушных сигналов вертолет на основе свободно ориситирошшпого приемника давлений.

• Разработана методика анализа погрешностей и п арам ечрич ее кога сингала канал он системы воздушных сишалов вертолета на основе свободно орисширона!и 101*0 приемника давлений по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях.

• Разработаны методы уменьшения методических и и псфу ментальных погрей ¡посте й иссле;гуемой системы за счет конструктипно-технологических _ мероприятий, использования алгоритмической коррекции погрешностей, реализации принципов комнлсксирования и оптимальной фильтрации.

• Разработаны имитационные модели, методики моделирования и экспериментального исследования, выработаны научно-обоснованные рекомендации но проектированию, производству и эффективному применению системы воздушных сишалов на основе свободно ориентированного приемника давлений па вертолетах различного класса.

1 Грактичсская ценность. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Федеральной Целевой Программы «Развитие гражданской авиационной техники России па 2001 -2010 г.г. и на период до 2015 года-» и Отраслевой Программы «Повышение научно-технического уровня систем и агрегатов ЛА поенной авиации» в рамках НИОКР ОЛО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

Основными результатами, определяющими практическую ценность работы являются:

• Научно обоснованные требования к точности определения высотио-скоросгпых параметров вертолета и их влияние на качество пилотирования, безопасность полетов и эффективность применения вертолетов. Классификация систем воздушных сигналов вертолета, отражающая традиционные и новые принципы их построения, направления их совершенствования и развития.

• Методика расчета и учета кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной аэрометрической и и формации, обусловленных вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием приемников воздушных давлений.

• Алгоритмы обработки информативных сигналов и методики расчета методических и инструментальных погрешностей каналов системы воздушных сиIналов вертолета па основе свободно ориентированного приемника давлений.

• Схемотехническая и конструктивная реализация и рекомендации по н опыте ни [о точности определения вмеоп io-с корост ых параметров

вертолета за счет реализации конструктивно-технологических методов, алгоритмической коррекции погрешностей, принципов комплекс и ро паи и я и оптимальной фильтрации.

♦ Алгоритмическое и программное обеспечение, результаты имитационного моделирования, трубных исследований и натурных испытаний онытаых образцов, рекомендации но изттовлению, применению и совершенствованию системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Реализация результатов работы. Полученные паучно-тсхпические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при разработке и опытном производстве систем воздушных сигналов вертолета типа CBC-Bl, СВС-В2, СВС-В28, С1ШД-28, СВС-В28-1, ИКВСП-А, которые внедрены на ОАО «МВЗ им. Миля», ОАО «Камов», ОАО «Казанский вертолетный завод». Результаты исследования используются при разработке новых модификаций системы воздушных сигналов вертолетов «Актай», Ка-226, Ми-38 и др.

Ряд полученных результатов используется в учебном процессе Ульяновского государственного техническое университета и Казанского государственного технического университета им. А. Н.Туполева при подготовке инженеров специальности «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы».

Результаты реализации работы подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики н преобразователи информации систем измерении, контроля и управления» (Гурзуф, 2004 г.), на 3, 4 и 5-ой Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва, 2004, 2005 и 2006 г.г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2004 г.), на XIV и на XV Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2005 и 2006 гг.), па Международной научно-технической конференции «Приборостроение — 2005» (Hjrm -Винница, 2005 г.), на Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006 г.), а также на НТО ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (1987 -2006 .г.) и на расширенном заседании кафедры приборов и информациоино-измерительных систем Казанскою 1-осударственно|-о технического университета им, А.Н. Туполева, 2006 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в 4 статьях, из них 3 в научных журналах из списка ВАК РФ, 8Материалах и 3 тезисах докладов. IIa предложенные технические решения получены 9 авторских свидетельств и 2 iiaixnira РФ.

Структура и объем рафот^л. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 5 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 193 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 77 рисунков. Библиография включает 121 наименование.

На защиту выносятся:

1. Научно-обоснованная техническая разработка конкурентоспособной системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений,

2. Математические модели формирования, восприятия, передачи и обработки первичной аэрометрической информации, кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений, обусловленных вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием свободно ориентированного приемника.

3. Методика формирования и уточнения алгоритмов вычисления высотно-с корост пых параметров в каналах системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

4. Методика анализа погрешностей и синтеза каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного прнемш.ка давлений по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях, методы уменьшения методических и инструментальных погрешностей за счет конструктивно-технологических мероприятий, алгоритмической коррекции погрешностей, реализации принципов комплексировакия и оптимальной фильтрации.

5. Схемное и конструктивное построение, методика проектирования, моделирования и экспериментального исследования, результаты опытного производства и натурных испытаний, опыт применения и пути дальнейшего совершенствования системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений вертолетов различных классов.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель работы и задача научного исследования, определены направления ее решения, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассматривается проблема измерения высотно-скоростных параметров полета вертолета, раскрываются принципы построения и основные характеристики традиционных и новых методов и средств измерения воздушных сигналов вертолета.

Показано, что проблема повышения уровня безопасности полета и эффективности применения вертолетов различного класса и назначения определяет актуальность задачи измерения высотно-скоростных параметров в диапазоне изменения воздушной скорости от О до 350+450 км/ч, барометрической высоты от -500 до 7000 м, на режимах полета вперед-назад, вправо-влево, в верх-вниз, при которых угол скольжения изменяется в

пределах ±180 угол атаки — ±90 При этом современная система воздушных сигналов вертолета должна обеспечивать измерение высотно-скоростных параметров с инструментальными погрешностями, не превышающими по каналам приборной скорости, продольной и боковой составляющих истинной воздушной скорости ±3,5 км/ч, по каналу вертикальной скорости — ±0,5 м/с, по каналам угла атаки и скольжения -±0,5-4-1,5 по каналу высоты — ±7+9 м. Характерными особенностями системы воздушных сигналов вертолета являются полеты на малых и на околонулевых скоростях полета и на режиме висения, когда приемники первичной аэрометрической информации находятся в створе вихревой колонны несущего винта вертолета, индуктивные потоки которой существенно искажают аэродинамическое поле вертолета, в котором находятся приемники воздушных давлений. При этом воздушные давления, воспринимаемые приемниками, представляют собой случайные процессы, включающие квазистатическую систематическую и случайную составляющие, что определяет необходимость тарирорки каналов системы воздушных сигналов вертолета по результатам летных испытаний для конкретных мест установки приемников первичной аэрометрической информации.

Проведена систематизация систем воздушных сигналов вертолета по принципу построения, по типу и конструкции приемников аэрометрической информации, по типу каналов преобразования первичных пневматических информативных сигналов, по способу обеспечения точности и надежности работы, которая позволяет обосновать направления совершенствования и дальнейшего развития средств измерения высотно-скоростных параметров вертолета.

Показано, что системы воздушных сигналов вертолета на основе модуляции пневматических информативных сигналов из-за наличия в набегающем воздушном потоке вращающихся приемников давлений имеют сложную конструкцию и малый ресурс, обеспечивают помехоустойчивое измерение параметров вектора воздушной скорости при полете свыше 30+50 км/ч в ограниченном диапазоне изменения угла атаки н не позволяют получать помехоустойчивый сигнал статического давления, необходимый для точного определения барометрической высоты и, особенно, вертикальной скорости вертолета.

Системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижных ортогонально расположенных или разнесенных по фюзеляжу приемников давления имеют ограниченные диапазоны применения по углу скольжения и при малых скоростях полета имеют значительные погрешности измерения высотно-скоростных параметров. Известными направлениями, по расширению рабочих диапазонов являются использование неподвижных автономных приемников воздушных давлений типа Т1ВД-40 и ПВД-Ш и высокоточных резонансных датчиков (ОАО «Аэроприбор-Восход»), и неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника со

встроенными струйно-конвективнымк (термоанемометрическими) каналами преобразования (КГТУ им. А.Н. Туполева совместно с ОАО «УКБП»). Однако их реализация предусматривает сложный этап исследования по формированию алгоритмов вычисления высотно-скоростных параметров вертолета на различных режимах полета, параметры которых необходимо уточнять при тарировке системы на конкретном типе вертолета, а также жесткие требования к идентичности и стабильности характеристик используемых пневмоэлектрическнх измерительных каналов.

Одним из перспективных направлений обеспечения помехоустойчивого и всенаправленного измерения высотно-скоростных параметров вертолета, расширения рабочих диапазонов в область малых и околонулевых скоростей полета является построение системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. Создание и внедрение конкурентоспособных отечественных вариантов системы воздушных сигналов для вертолетов различных классов сдерживает отсутствие научно-обоснованной методики их разработки, что определило постановку задачи данного научного исследования.

Во второй главе проводится математическое описание процесса формирования и восприятия первичной аэрометрической информации с помощью свободно ориентированного приемника давления и получения информации о высотно-скоростных параметрах полета вертолета.

Разработана кинематическая модель (рис.1)> определяющая механизм взаимодействия воздушных потоков, действующих на свободно ориентированный приемник давления, формирования выходных сигналов о высоЪю-скоростных параметрах исследуемой системы воздушных сигналов вертолета по значениям полного Рт в статического Реп. давлений, температуре торможения Тп% углам <р] и <р2 положения лектора Ух скорости результирующего воздушного потока, набегающего на приемник.

Вектор = ^ + учитывает искажение вектора скорости V невозмущенного набегающего воздушного потока за счет вектора скорости (Л индуктивного потока от несущего винта вертолета.

Получены соотношения для проекций векторов Уъ и (Л на оси связанной с вертолетом системы координат:

^со» Ч>1 со® (рг; Гьят (р| соя

где а,(У, К1у(У>а#), К*(У,а,- безразмерные коэффициенты, зависящие от величины (модуля) вектора скорости У и равный по величине модулю У» вектора V в истинной воздушной скорости вертолета, а также от углов атаки а и скольжения р, определяющих положение вектора воздушной скорости Ув

в скоростной связанной системе координат; ,1--— = Ую — модуль вектора

скорости индуктивного потока на режиме висения (Ун =0);

С - текущий вес вертолета; =--—1 - нормальная перегрузка;

рИ - плотность невозмущенного воздушного потока на данной высоте Я; Р - площадь, ометаемая несущим винтом вертолета; х

коэффициент заполнения диска несущего винта; з — ускорение свободного падения.

Разработана математическая модель восприятия и передачи первичной аэрометрической информации с помощью свободно ориентированного приемника давлений, которая учитывает динамику подвижной системы двухстепенного флюгера н устанавливает аналитическую связь параметров вектора скорости Уъ результирующего набегающего воздушного потока с местными углами а^ и р« скоса потока и углами Оф=<рь положения <р

приемника, регистрируемыми двухстепенным флюгером, а также с полным Рц, статическим Ри и динамическим Рд давлениями невозмущенного потока, плотностью ри и кинематической вязкостью уц на высоте полета И.

Получены математические модели процесса отслеживания направления результирующего набегающего воздушного потока двухстепенным флюгером свободно ориентированного приемника давлений.

Получены соотношения для определения модуля и плотности р^ результирующего набегающего воздушного потока, восстановления статического давления Р(, невозмущ'енного набегающего потока, в соответствии с которым разработаны алгоритмы определения приборной скорости Упр и абсолютной высоты полета И, модуля Уц и составляющих вектора V в истинной воздушной скорости, углов атаки а и скольжения $ вертолета. Блок-схема и модульный состав алгоритмов определения высотно-скоростных параметров вертолета иллюстрируется рис.2.

Третья глава посвящена выбору места установки свободно ориентированного приемника давлений и уточнению алгоритмов определения высотно-скоростных параметров вертолета по результатам летных испытаний.

Обоснованы критерии к месту установки приемника на фюзеляже вида:

которые на всех режимах полета обеспечивают устойчивую ориентацию приемника по направлению результирующего набегающего воздушного потока, учитывают конструктивные ограничения на сектор поворота приемника в кардановом подвесе, а позволяют также снизить аэродинамические искажения, вносимые фюзеляжем, обеспечить однозначность и плавность зависимостей эмпирических коэффициентов, входящих в алгоритмы определения высотно-скоростных параметров вертолета.

Получены аналитические зависимости для определения высотно-скоростных параметров вертолета в каналах системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений: