Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ СВОБОДНО ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРИЕМНИКА ДАВЛЕНИЙ

05. 11. 16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

(в промышленности)

Козицин Владимир Кузьмич

Казань 2006

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»

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

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

Ученый секретарь диссертационного

совета доктор технических наук, профессор Афанасьев А.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В народном хозяйстве и для обороны страны 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 пилотирования и обеспечения безопасности полетов, определяет актуальность расширения арсенала средств измерения пилотажно-навигационных параметров вертолета.

Полет вертолета происходит в приземном воздушном слое атмосферы 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 этом способность вертолета совершать движение как вперед и назад, так и вправо и влево, сильные возмущения аэродинамического поля вблизи фюзеляжа, вносимые несущей 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 (СВС), 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 (НИИАО), Э.А. Петросян, В.В. Иванов, Ю.Г. Соковиков, В.Б. Альперович, О.Н. Варванин (УВЗ), А.Н. Птицын, А.Н. Иванов (МВЗ), А.Ю. Лисс, М.И. Мануйлов (КФ МВЗ), В.Г. Кравцов, А.К. Панкратов, Н.В. Алексеев (Аэроприбор-Восход), Г.И. Клюев, Н.Н. Макаров (УКБП), В.А. Ференец, В.М. Солдаткин, А.А. Порунов, В.В. Солдаткин (КГТУ_КАИ), Н.Г. Федоров, Г.В. Конюхов, И.П. Ефимов (УлГТУ) и другие отечественные ученые и специалисты. Среди зарубежных исследователей следует отметить D.F. Daw, T.A. Egolf, R.B. Grau, J. Kaletka, N.M. Komerach, S.G. Lion, P.E. Lorber, B. Miller, V.E. Neredka, W. Johnson, R.P. Smith, P.E. Sheridian, F.A. Summerling, T.L. Tompson, G. Yamauchi и др.

В основу используемых и разрабатываемых систем измерения воздушных сигналов вертолета положены приемники воздушных давлений , вращающиеся на лопасти (система КВИС) или на специальной штанге (система Loras), принудительно ориентируемые по потоку с помощью пневмомеханической и электромеханической следящей системы (датчики ДАУ-П, 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 всенаправленного (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 комплексирования 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 и исследования системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Решение поставленной задачи исследования проводилось по следующим основным направлениям:

· Анализ современных требований к средствам измерения высотно-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 сигналов 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 ориентированного 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 комплексирования 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 исследования. 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. высотный скоростной вертолет воздушный сигнал

Достоверность полученных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза измерительных систем, на тщательно 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 сигналов свободно ориентированного приемника давлений.

· Разработана методика формирования и уточнения алгоритмического обеспечения каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

· Разработана методика анализа погрешностей и параметрического синтеза каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях.

· Разработаны методы уменьшения методических и инструментальных погрешностей исследуемой системы за счет конструктивно-технологических мероприятий, использования алгоритмической коррекции погрешностей, реализации принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.

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

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

Основными результатами, определяющими практическую ценность работы являются:

· Научно обоснованные требования к точности определения высотно-скоростных 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 информации, 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 сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

· Схемотехническая и конструктивная реализация и рекомендации по повышению точности определения высотно-скоростных параметров вертолета за счет реализации конструктивно-технологических методов, алгоритмической коррекции погрешностей, принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.

· Алгоритмическое и программное обеспечение, результаты имитационного моделирования, трубных исследований и натурных испытаний опытных образцов, рекомендации по изготовлению, применению и совершенствованию системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Реализация результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при разработке и опытном производстве систем воздушных сигналов вертолета типа СВС-В1, СВС-В2, СВС-В28, СВВД-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 технического 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 и преобразователи информации систем измерения, 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 г.г.), на Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2005» (Ялта - Винница, 2005 г.), на Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006 г.), а также на НТС ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (1987 - 2006 .г.) и на расширенном заседании кафедры приборов и информационно-измерительных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, 2006 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в 4 статьях в научных журналах из списка ВАК РФ, 7 материалах и 2 тезисах докладов. На предложенные технические решения получены 9 авторских свидетельств и 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 5 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 258 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 81 рисунок. 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-скоростных 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 приемника 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 комплексирования 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 0 до 350450 км/ч, барометрической высоты от -500 до 7000 м, на режимах полета вперед-назад, вправо-влево, вверх-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 - ±0,51,5 , по каналу высоты - ±79 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 тарировки 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 3050 км/ч в ограниченном диапазоне изменения угла атаки и 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 ПВД-40 и ПВД-Ш и высокоточных резонансных датчиков (ОАО «Аэроприбор-Восход»), и неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника со встроенными струйно-конвективными (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 пневмоэлектрических 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 высотно-скоростных параметрах исследуемой системы воздушных сигналов вертолета по значениям полного Р_П и статического Р_СТ давлений, температуре торможения Т_ТУ, углам ц₁ и ц₂ положения вектора скорости результирующего воздушного потока, набегающего на приемник.



Рис.1

Вектор учитывает искажение вектора скорости невозмущенного набегающего воздушного потока за счет вектора скорости индуктивного потока от несущего винта вертолета.

Получены соотношения для проекций векторов на оси связанной с вертолетом системы координат:

V_УX = V_У cos ц₁ cos ц₂; V_УY = V_У sin ц₁ cos ц₂; V_УZ = V_У sin ц₂; (1)

(2)

где К_ix(V,б,в), К_iy(V,б,в), К_iz(V,б,в) - безразмерные коэффициенты, зависящие от величины (модуля) вектора скорости и равный по величине модулю V_B вектора истинной воздушной скорости вертолета, а также от углов атаки б и скольжения в, определяющих положение вектора воздушной скорости в скоростной связанной системе координат; = V_i0 - модуль вектора скорости индуктивного потока на режиме висения (V_B =0); G - текущий вес вертолета; - нормальная перегрузка; - плотность невозмущенного воздушного потока на данной высоте Н; F - площадь, ометаемая несущим винтом вертолета; ч - коэффициент заполнения диска несущего винта; - 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 и устанавливает аналитическую связь параметров вектора скорости результирующего набегающего воздушного потока с местными углами б_М и в_М скоса потока и углами б_Ф=ц₁, в_Ф=ц₂ положения ц приемника, регистрируемыми двухстепенным флюгером, а также с полным Р_П, статическим Р_Н и динамическим Р_Д давлениями невозмущенного потока, плотностью и кинематической вязкостью г_Н на высоте полета Н.

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

Получены соотношения для определения модуля V_У и плотности с_У результирующего набегающего воздушного потока, восстановления статического давления Р_Н невозмущенного набегающего потока, в соответствии с которым разработаны алгоритмы определения приборной скорости V_ПР и абсолютной высоты полета Н, модуля V_В и составляющих вектора истинной воздушной скорости, углов атаки б и скольжения в вертолета. Блок-схема и модульный состав алгоритмов определения высотно-скоростных параметров вертолета иллюстрируется рис.2.



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:

(3)

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:

; .

(6)

 (7)

На основе метода регрессивного анализа разработана методика формирования эталонных значений и уточнения коэффициентов алгоритмов вычисления высотно-скоростных параметров в каналах системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений при летных испытаниях, создано программное обеспечение формирования массива данных и обработки результатов испытаний в системе MathCad.

Рис.3 иллюстрирует связь эталонных и вычисленных значений продольной составляющей вектора истинной воздушной скорости вертолета в диапазоне от - 50 до + 350 км/ч, полученная по результатам летных испытаний.



Рис.3

На рис.4 приведены гистограммы погрешностей определения составляющих истинной воздушной скорости в процессе летных испытаний.

Рис.4

Как показали результаты летных испытаний, математические ожидания и среднеквадратические значения погрешностей системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений и полученных алгоритмов обработки имеют следующие величины: по каналу продольной составляющей вектора истинной воздушной скорости m_0Vx=0,21 км/ч, _Vx=6,82 км/ч, по каналу вертикальной составляющей m_0Vу= -0,09 км/ч, _Vу=5,16 км/ч, по каналу боковой составляющей m_0Vz= _ 0,14 км/ч, _Vz=6,83 км/ч, по каналу абсолютной барометрической высоты m_0Набс=0, _Набс=10,02 м, по каналу приборной скорости m_0Vпр=0,16 км/ч, _Vпр=6,7 км/ч, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей и эффективности созданного методического, алгоритмического и программного обеспечения.

Четвертая глава посвящена анализу погрешностей и обеспечению точности системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Модели случайных погрешностей каналов вычисления высотно-скоростных параметров в функции контролируемых параметров и погрешностей их измерения представлены в виде:

(8)

где - дисперсия погрешности канала вычисления; - коэффициенты влияния погрешности измерения параметра на погрешность определения высотно-скоростного параметра.

Для определения зависимости погрешностей каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений от параметров полета проведено численное моделирование, результаты которого для канала угла атаки иллюстрирует рис. 5.

Разработанные математические модели и проведенный анализ погрешностей каналов системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений, а также результаты их моделирования позволяют обосновать требования к точности измерения информативных сигналов, входящих в алгоритмы вычисления высотно-скоростных параметров вертолета.

Получены модели динамических погрешностей каналов системы при типовых законах и случайных изменениях контролируемых параметров, которые позволяют проводить анализ и синтез каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений по критериям динамической точности.

Рис.5

Разработана методика расчета, проведена оценка и выработаны конструктивно-технологические мероприятия по компенсации аэродинамических погрешностей восприятия полного и статического давлений, инструментальных погрешностей изготовления свободно ориентированного приемника давлений, которые являются базой для подготовки производства системы воздушных сигналов вертолета (СВС-В) с требуемыми метрологическими характеристиками.

Для уменьшения методических погрешностей системы, особенно в области малых и околонулевых скоростей полета предложено использовать принципы комплексирования и оптимальной фильтрации. В качестве комплексируемого канала предложено использовать аэромеханическую измерительно-вычислительную систему, построенную на основе уравнений баланса сил и моментов, действующих на вертолет, и измерения положения органов управления, углов тангажа, крена, угловых скоростей вращения и других достаточно точно измеряемых параметров полета вертолета. На основе полученной информации с помощью наблюдателя Люенбергера осуществляется вычисление составляющих вектора истинной воздушной скорости вертолета, погрешности которых слабо зависят от условий полета. что позволяет проводить измерение в области малых и околонулевых скоростей полета и на режиме висения.

Проведен анализ остаточных погрешностей величины и составляющих вектора истинной воздушной скорости и углов атаки и скольжения комплексной системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений и аэромеханических каналов коррекции с наблюдателем Люенбергера.

Задача синтеза оптимальных фильтров каналов комплексной системы воздушных сигналов решалась методом фильтра Винера. Получены соотношения для определения составляющих дисперсии D=D₁+D₂ остаточной погрешности комплексной системы вида:

 (9)

где у₁ и у₂, а₁ и а₂, b₁ - параметры, определяющие уровни и параметры аддитивных и мультипликативной составляющих случайных погрешностей комплексируемых каналов; Т и б - постоянная времени и характерный параметр корректирующих фильтров.

Как показали расчеты, в области околонулевых скоростей полета, когда среднеквадратическая погрешность аэрометрического канала скорости возрастает до значения = 21,6 км/ч, а канала угла скольжения - до значения = 3 угл. град., остаточные погрешности каналов комплексной системы будут равны соответственно = 4,7 км/ч, = 0,85 угл. град.

В пятой главе приведены основные результаты разработки, экспериментального исследования и применения системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

Разработанные математические модели и алгоритмы, методы проектирования и рекомендации реализованы при создании системы воздушных сигналов СВС-В1 (рис.6,а). Система СВС-В1 прошла полный цикл государственных испытаний, передана в серийное производство и устанавливается на вертолетах типа Ми-8, Ми-17 и Ми-24.

Результаты исследования явились базой для создания модификаций систем воздушных сигналов СВС-В28 и СВВД-28 (рис.6,б). Системы прошли государственные и летные испытания, переданы в опытное производство, и устанавливаются на вертолетах Ми-28 и Ка-31.

При непосредственном участии диссертанта разработана малогабаритная система воздушных сигналов ИКВСП-А (рис.6.в), предназначенная для установки на вертолете «Ансат». Система успешно прошла летные, государственные и сертификационные испытания, освоено ее серийное производство.

Внедрение в производство и эксплуатацию конкурентоспособных систем воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений исключило закупку дорогостоящего оборудования зарубежных фирм для отечественных вертолетов гражданской и военной авиации, что позволило получить значительную экономию, а также способствовало расширению экспорта вертолетов.

Намечены перспективы совершенствования и развития систем воздушных сигналов вертолета за счет использования комплексных адаптивных фильтров и применения наблюдателя Люенбергера, снижения трения в опорах карданового подвеса, улучшения качества узла съема пневматических сигналов.

В приложении приведены программы и методики моделирования и летных испытаний системы, акты внедрения и использования результатов исследования при создании и применении разработанных вариантов системы на вертолетах различных классов, а также в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ состояния и перспектив совершенствования средств измерения высотно-скоростных параметров показал, что с позиции обеспечения всенаправленности, расширения нижней границы рабочих скоростей и повышения помехоустойчивости к аэродинамическим возмущениям несущего винта перспективным является построение системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. Отсутствие научно-обоснованной методики разработки, системного исследования и обеспечения требуемой точности работы сдерживает создание и применение системы на различных классах вертолетов, что определило постановку задачи научного исследования по разработке особенностей построения, математического описания, методов анализа и синтеза, моделирования и уточнения алгоритмов вычисления, обеспечения статической и динамической точности в условиях реальной эксплуатации системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

2. Разработанные особенности построения, кинематические и математические модели формирования, восприятия, передачи и обработки первичной аэрометрической информации системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений позволяют проводить моделирование и отработку алгоритмического обеспечения, исследовать влияние исходной информации на погрешности каналов, определять динамические характеристики системы.

3. Сформулированные критерии выбора места установки на вертолете свободно ориентированного приемника давлений, разработанные алгоритмы вычисления высотно-скоростных параметров и методика их уточнения по результатам статистического анализа данных летных испытаний являются реальной базой для проектирования системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений для вертолетов различного класса. Как показали результаты летных испытаний разработанная методика уточнения алгоритмов вычисления высотно-скоростных параметров вертолета обеспечивает следующие величины математических ожиданий и среднеквадратических значений погрешностей измерения: составляющих истинной воздушной скорости и приборной скорости m_V = _ 0,14ч0,21 км/ч, _V = 5,16ч6,82 км/ч; абсолютной барометрической высоты m_Н = 0, _Н = 10,02 м, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей и эффективности алгоритмического и программного обеспечения системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений.

4. Разработанные математические модели и проведенный анализ погрешностей каналов позволяет обосновать требования к точности измерения параметров, входящих в алгоритмы вычисления высотно-скоростных параметров вертолета, проводить анализ и синтез каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений по критериям статической и динамической точности, обоснованно применять конструктивно-технологические и структурные методы повышения точности.

Разработанная методика расчета и конструктивно-технологические мероприятия по компенсации аэродинамических и других инструментальных погрешностей свободно ориентированного приемника давлений являются базой для подготовки производства системы воздушных сигналов вертолета с требуемыми метрологическими характеристиками.

5. Предложенный подход к построению и разработанная методика анализа и синтеза комплексной системы воздушных сигналов вертолета. построенной на базе аэрометрических каналов СВС на основе свободно ориентированного приемника давлений и аэромеханического канала коррекции с наблюдателем Люенбергера, позволяют проводить проектирование и изготовление образцов, трубные исследования и натурные испытания вариантов комплексной системы повышенной точности и с расширенной нижней границей рабочих скоростей полета в область околонулевых скоростей.

6. Результаты исследования и разработки использованы при создании и освоении производства систем воздушных сигналов вертолета типов СВС-В1, СВС-В2, СВС-В28, СВВД-28, СВС-В28-1, ИКВСП-А, устанавливаемых на модификациях вертолетов Ми-8, Ми-17, Ми-24, Ми-28, К-31, «Ансат».

Применение указанных вариантов систем воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений решает актуальную для авиации задачу повышения уровня безопасности полетов и эффективности применения гражданских и военных вертолетов, при этом внедрение их в производство и эксплуатацию позволило исключить закупку дорогостоящего зарубежного оборудования, что имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. А.С. 940428 СССР, МКИ В64С 27/46. Устройство для измерения срыва потока с лопасти вертолета / М.И. Белый, А.М. Богодельный, Г.А. Емельянов, В.К. Козицин, 1982.

2. А.С. 993707 СССР, МКИ G01С 5/00. Устройство для измерения высоты полета вертолета / Е.В. Антонец, Г.А. Емельянов, В.К. Козицин, Ю.В. Коновалов, Л.С. Кудрявцев, Ю.А. Тепанов, С.А. Никольский, 1982.

3. А.С. 1135299 СССР, МКИ G01L 7/1 Устройство формирования предупреждения о предельной скорости вертолета / Л.Б. Бондарев, О.П. Гринкевич, Л.С. Кудрявцев, В.К. Козицин, Н.Н. Макаров, Г.Д. Мязин, С.А. Никольский, Б.А. Попов, Ю.А. Тепанов, 1984.

4. А.С. 1138744 СССР, МКИ G01P 5/00. Устройство для измерения газового потока / В.П. Белов, Л.Б. Бондарев, О.П. Гринкевич, В.К. Козицин, Л.С. Кудрявцев, Н.Н. Макаров, Г.Д. Мязин, С.А. Никольский, Б.А. Попов, Ю.А. Тепанов, 1984.

5. А.С. 1199039 СССР, МКИ G01P 5/00. Измеритель температуры невозмущенного потока / В.П. Белов, О.П. Гринкевич, В.К. Козицин, Л.С. Кудрявцев, Г.Д. Мязин, С.А. Никольский, Б.А. Попов, Ю.А. Тепанов, 1985.

6. А.С. 1204018 СССР, МКИ G01N 9/00. Способ измерения плотности невозмущенного воздушного потока / В.П. Белов, Л.Б. Бондарев, В.К. Козицин, Л.С. Кудрявцев, Н.Н. Макаров, Ю.В. Морозов, А.Г. Мустафин, Г.Д. Мязин, С.А. Никольский, Ю.А. Тепанов, 1985.

7. А.С. 1267725 СССР, МКИ G01С 27/06. Сигнализатор максимальной допустимой скорости вертолета / Г.А. Емельянов, Ю.Н. Лазарев, В.К. Козицин, Е.Ф. Думчева, 1986.

8. А.С. 1318044 СССР, МКИ G01D 43/02. Устройство для измерения угла атаки вертолета / Е.В. Антонец, Г.А. Емельянов, В.К. Козицин, В.Е Кубарев, Ю.Н. Лазарев, Ю.А. Тепанов, 1987.

9. А.С. 1503513 СССР, МКИ G01P 5/00. Устройство для измерения вектора воздушной скорости / Г.Е. Брагин, Л.В. Зимин, В.К. Козицин, Л.С. Кудрявцев, Г.Д. Мязин, С.А. Никольский, Б.А. Попов, Ю.А. Тепанов, 1989.

10. Патент РФ на полезную модель №55145. Система воздушных сигналов вертолета / А.В. Бердников, В.К. Козицин, Н.Н. Макаров, А.А. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин, 2006. Бюл. № 21.

11. Патент РФ на полезную модель № 55479. Система воздушных сигналов вертолета / В.К. Козицин, Н.Н. Макаров, А.А. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин, 2006. Бюл. №22 .

12. Козицин В.К., Макаров Н.Н., Порунов А.А., Солдаткин В.М., Анализ принципов построения систем измерения воздушных сигналов вертолета. // «Авиакосмическое приборостроение». №10, 2003. С. 2-13.

13. Козицин В.К., Макаров Н.Н., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Материалы XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». М.: МГИЭМ, 2004. С. 258-260.

14. Козицин В.К., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Построение и алгоритмы обработки информации системы воздушных сигналов на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Тезисы докладов 3-ей Международной конференции «Авиация и космонавтика-2004». М.: МАИ, 2004. С. 33.

15. Козицин В.К., Макаров Н.Н., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Эволюция систем воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. Электронное приборостроение, вып. 5(39). Казань: ЗАО «Новое знание», 2004. С. 28-47.

16. Козицин В.К., Макаров Н.Н., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника воздушных давлений. // Сборник докладов всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. С. 454-464.

17. Козицин В.К. Алгоритмическое обеспечение систем воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // «Известия вузов. Авиационная техника». №4, 2004. С. 52-57.

18. Козицин В.К., Солдаткин В.М. Анализ точности системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2005». М.: МАИ, 2005. С. 58.

19. Козицин В.К., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Материалы всероссийского семинара «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. С. 41_42.

20. Козицин В.К., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Система воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Материалы XIV Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта-Самара: Изд-во Самарск. гос. авиакосм. техн. ун-та, 2005. С. 212.

21. Козицин В.К., Солдаткин В.М. Синтез системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2005». Ялта - Винница: Изд-во Винниц. гос. техн. ун-та, 2005. С. 35-36.

22. Козицин В.К. Математические модели каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // «Известия вузов. Авиационная техника». №3, 2006. С. 46-49.

23. Козицин В.К., Солдаткин В.М. Разработка и исследование системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Материалы Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2006». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006. С. 165-167.

24. Козицин В.К., Макаров Н.Н. Интегрированная система резервных приборов для самолетов и вертолетов. // Материалы Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2006». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006. С. 157-158.

25. Козицин В.К., Солдаткин В.М. Построение алгоритмов системы воздушных сигналов вертолета на основе свободно ориентированного приемника давлений. // Труды XV Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта-Москва: Изд-во МЭИ, 2006. С. 232.

26. Козицин В.К., Солдаткин В.М. Алгоритмы определения высотно-скоростных параметров вертолета по сигналам свободно ориентированного приемника давлений. // Тезисы докладов Международной конференции «Авиация и космонавтика-2006». М.: Изд-во МАИ, 2006. С. 147.

Размещено на Allbest.ru

...