автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Бортовая система измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета

На правах рукописи

НИКИТИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

БОРТОВАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕКТОРА ВЕТРА НА СТОЯНКЕ И ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ РЕЖИМАХ ВЕРТОЛЕТА

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

<3 т

Казань 2015

005558470

005558470

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Солдаткнп Владимир Михайлович,

заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, заслуженный изобретатель Республики Татарстан.

Официальные оппонепты: Пушков Сергей Георгиевич,

доктор технических наук, главный научный сотрудник ОАО «Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова», г. Жуковский, Московская область.

Сорокип Михаил Юрьевич,

кандидат технических наук, доцент, начальник отдела ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения», г. Ульяновск.

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

авиационного оборудования», г. Жуковский, Московская область.

Защита состоится «17» марта 2015 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. АН. Туполева - КАИ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. Толстого, 15 (учебный корпус № 3, ауд. 216).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.079.06.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева -КАИ» и на сайте: http://vvww.kai.ru/scicnce/disser/filcs/file_87/text_diss.pdf.

у

Автореферат разослан « 23 » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертшщонного совета ~ /'" Бердшпсов Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При решении народно-хозяйственных задач и для военных целей широкое применение находят вертолеты различных классов и назначения. Вертолеты составляют значительную часть экспорта авиационной техники России. Поэтому повышение уровня безопасности полетов и эффективности применения вертолетов имеет существенное значение для авиации и экономики страны.

Полеты вертолетов происходят в приземном возмущенном слое атмосферы в условиях воздействия опасных ветровых возмущений, влияющих на безопасность эксплуатации и эффективность решения полетных задач. При этом на стоянке, при рулении и маневрировании по земной поверхности, на этапах взлета, снижения, внсения и посадки для предотвращения опрокидывания вертолета, соударения лопастей несущего винта с земной поверхностью, хвостовой балкой и между собой, предотвращения других авиационных происшествий, экипажу необходима достоверная информация о величине и направлении вектора ветра относительно продольной оси вертолета, его проекциях на оси связанной с вертолетом системы координат, что определяет необходимость использования бортовых средств измерения параметров вектора ветра.

Большой вклад в разработку методов и средств измерения параметров вектора ветра вблизи поверхности земли, на борту летательного аппарата и других подвижных объектах внесли: Л.П. Афиногенов, В.И. Бойко, М.А. Головкин, Г.И. Джанджгава, Н.П. Емельянов, В.Г. Кравцов, H.H. Макаров, С.С. Нефедов,

A.Н. Петунин, A.A. Порунов, С.Г. Пушков, Е.В. Романов, В.В. Солдаткин,

B.М. Солдаткин, М.Ю. Сорокин, A.A. Тихомиров и др., среди зарубежных исследователей - L.B. Loras, R.A. Vertevil, J. Kaletka, E. Lefkewitz, J. Jenkins, B. Muller и др.

Измерение параметров вектора ветра на борту вертолета на стоянке при вращении несущего винта, при рулении и маневрировании по земной поверхности, на взлетно-посадочных режимах и в полете, при возможном изменении направления ветра или положения вертолета в азимуте в диапазоне ±180° затрудняется значительными аэродинамическими возмущениями, вносимыми индуктивными потоками несущего винта. Это обусловливает необходимость установи! приемников вне зоны вихревой колонны, например над втулкой несущего винта, что не всегда возможно.

Объектом исследования является бортовая система измерения параметров вектора ветра на основе установленного на фюзеляже неподвижного комбинированного аэрометрического приемника, максимально учитывающая специфику аэродинамики и динамики движения вертолета на стоянке и взлетно-посадочных режимах.

Предметом исследования являются особенности построения, методики проектирования и обеспечения точности бортовой системы гомерения параметров вектора ветра на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника.

Цель работы — повышение безопасности эксплуатации одновинтовых вертолетов за счет повышения точности измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета в условиях возмущений, вносимых вихревой колотой несущего винта и другими факторами.

Задача научного исследования - разработка принципов построения, теоретических основ формирования, восприятия и обработки первичной информации,

методик проектирования, анализа и обеспечения точности бортовой системы измерения параметров вектора ветра на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

• анализ задачи измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета бортовыми средствами;

• разработка теоретических основ построения, алгоритмов обработки информации, методик проектирования бортовой системы измерения параметров вектора ветра на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта;

• разработка методик анализа погрешностей и обеспечения точности измерительных каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке, при рулении и маневрировании по земной поверхности, при взлете и посадке, на режимах снижения и висения;

• разработка и изготовление экспериментального образца, методик проведения трубных испытаний и оценки погрешностей измерительных каналов, обоснование направлений совершенствования бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

Методы исследования. При решении поставленной научной задачи использовались методы прикладной аэродинамики, теории измерений и измерительных преобразователей, методы математического моделирования, анализа и синтеза каналов информационно-измерительных систем при детерминированных и случайных воздействиях, методы комплексирования и оптимальной фильтрации сигналов, экспериментального исследования и вероятностно-статической обработки результатов.

Научная повпзпа диссертационной работы определяется следующими результатами:

1. Предложено и научно обосновано построение бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта.

2. Разработаны методика формирования, восприятия и описания информативных сигналов результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, алгоритмы обработки информативных сигналов в измерительных каналах системы.

3. Разработаны методики анализа погрешностей и повышения точности измерительных каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра за счет реализации принципов комплексирования и оптимальной фильтрации сигналов.

4. Разработаны методики проектирования, изготовления, проведения трубных испытаний, определения характеристик и погрешностей каналов экспериментального образца базового варианта бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

Практическая ценность работы. Работа выполнялась в рамках хоздоговорных НИР №НЧ303045 и №3451 по техническому заданию ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А.Ильенко», а также по гранту

№14.132.21.1605 победителя конкурса НИР Минобрнаукн России 2012 года, выполняемой под руководством аспиранта. Основными результатами, определяющими практическую ценность работы являются:

1. Научно обоснованная техническая разработка бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, внедрение которой позволяет повысить безопасность эксплуатации одновинтовых вертолетов.

2. Схемотехническая и конструктивная разработка и экспериментальный образец базового варианта бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочный режимах вертолета.

3. Программа, методика и результаты трубных испытаний экспериментального образца, подтверждающих работоспособность и высокие метрологические характеристики экспериментального образца базового варианта разрабатываемой системы.

4. Рекомендации по совершенствованию разрабатываемой системы на этапе опытно-конструкторских работ (ОКР), направления дальнейших исследований и разработок бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

Достоверность научных результатов базируется на построении адекватных математических моделей и алгоритмов, применении современных методов анализа и синтеза информационно-измерительных систем, согласованности результатов расчета, моделирования и трубных испытаний экспериментального образца, на опыте внедрения н использования полученных научно-технических результатов.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены и использованы в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени ГА.Ильенко» при разработке, изготовлении, стендовых испытаниях экспериментального промышленного образца аэрометрического канала бортовой пилотажно-навнгацнонной информационно-измерительной системы одновинтового вертолета, положены в основу разработки оригинальной стартовой системы предупреждения критических режимов одновинтового вертолета. Результаты научных исследований внедрены и используются в учебном процессе КНИТУ-КАИ при подготовке инженеров по специальности 200103 — «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы». Результаты внедрения подтверждены актами.

На защиту выносятся

1. Научно обоснованная техническая разработка бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего вшгга.

2. Методика формирования, восприятия и описания информативных сигналов результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, алгоритмы обработки информативных сигналов в измерительных каналах системы.

3. Методики анализа погрешностей и повышения точности измерительных каналов за счет реализации принципов комплехсирования и оптимальной фильтрации.

4. Методики проектирования, изготовления, проведения трубных испытаний,

определения характеристик и погрешностей каналов экспериментального образца базового варианта системы.

5. Результаты реализации и внедрения результатов исследования, рекомендации по совершенствованию и направления развития разработок бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2005 - 2012 гг.), на XVIII - ХХП Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2009 - 2014 гг.), на XXIX, XXX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011, 2013 гг.), на V - VII Международной научно-практической конференции «Современные технологии, материалы и оборудование - ключевые звенья в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2010, 2012, 2014 гг.), на Российской научно-технической конференции «Навигация, гидрография и океанография» (НГО-2011) (Санкт-Петербург, 2011 г.), на Первой Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки информации в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011 г.), на XXXVIII Всероссийской конференции «Управление движением корабля и специальных аппаратов» (Таганрок, 2012 г.), на XI Международной научно-технической конференции «АВИА-2013» (Киев, 2013 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы - 2013» (Ульяновск, 2013 г.), на VI Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке,, образовании и производстве» (Орел, 2014 г.), а также на НТС ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А Ильенко» (Чебоксары, 2011 — 2014 гг.), на заседаниях кафедры «Приборы и информационно-измерительные системы» (2011 - 2014 гг.) и НТС ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. АН.Туполева - КАИ» (2013,2014 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 33 печатных работах, в том числе в 10 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 21 материале и 2 тезисах докладов. На предложенные технические результаты получены 4 патента на изобретения и полезные модели.

Личный вклад автора заключается в научном обосновании разработки бортовой системы измерения параметров ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, в разработке методик формирования, восприятия и описания информативных сигналов, алгоритмов их обработки в каналах системы, в разработке методик анализа погрешностей и повышения точности измерительных каналов за счет комплексирования и оптимальной фильтрации сигналов, в разработке методики и обоснования требований к датчикам первичной информации, в схемотехнической и конструктивной разработке и сопровождении изготовления экспериментального образца, в личном участии в проведении трубных испытаний,

определении характеристики и погрешностей измерительных каналов системы, в выработке рекомендаций по совершенствовашпо базового варианта системы на этапе ОКР, в апробации и опубликовании результатов.

Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.11.16 по п. 1. Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний, метрологического обеспечения, обеспечение эффективности существующих систем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит га введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Основное содержание диссертации изложено на 199 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 57 рисунков. Библиография включает 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш обоснована актуальность темы, объект и предмет исследования, сформулированы цель работы и научная задача исследования, направления ее решения, раскрываются методы исследования, научная новизна и практическая ценность диссертации, обосновывается их достоверность, приводятся сведения о реализации и внедрении результатов работы, их апробации и опубликовании, а также основные положения, выносимые на защиту и личный вклад автора.

В первой главе анализируется задача измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета бортовыми средствами.

Показано, таз значительное количество авиационных происшествий одновинтовых вертолетов связано с опрокидыванием вертолета набок, соударением лопастей несущего винта с земной поверхностью и с хвостовой балкой, соударением лопастей рулевого винта с земной поверхностью, с другими происшествиями при превышении летных ограничений по скорости и направлению ветра на стоянке, при маневрировании по земной поверхности, на режимах взлета, снижения, висения и посадки из-за отсутствия на борту вертолета достоверной информации о скорости и направлении вектора скорости ветра относительно продольной оси вертолета. Показано, что допустимые значения скорости продольного ТУх и бокового Щ: ветра находятся в интервале от И/Хдап= 5 м/с (попутный ветер) до Щ,аа=25 м/с (встречный), от [Ггдш=5...Ю м/с (в правый борт) до 17/™= 10...15 м/с (в левый борт). Погрешности измерения величины Иги угла направления у вектора ветра на рассматриваемых режимах не должны превышать значешш АРГ= ±0,8.. .2 м/с (3.. .7 км/ч), Д\|/ = ±2.. .3°.

Приведен анализ и разработана классификация средств измерения параметров вектора ветра по принципу построения, способу измерения, типу приемников и виду используемой первичной аэрометрической информации, типу преобразователей первичный информативных сигналов, методам повышения точности и надежности.

Показано, что перспективным направлением повышения точности и надежности измерения параметров вектора ветра на стоянке при отсутствии вращения несущего винта и на взлетно-посадочных режимах вертолета в условиях возмущений, вносимых вихревой колонной несущего винта и другими факторами, является построение бортовой системы измерения на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, создание которой предусматривает разработку

научно обоснованных методик построения, проектирования и исследования системы, что определило постановку задачи научного исследования данной диссертации.

Во второй главе раскрываются теоретические основы разработки бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета, построенной на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника.

Рассмотрены характерные особенности измерения параметров вектора скорости ветра на борту вертолета. На стоянке до запуска силовой установки отсутствуют возмущения, обусловленные индуктивными потоками несущего винта вертолета, при этом основным возмущающим фактором является турбулентность атмосферы в месте установки приемника первичной аэрометрической информации. На стоянке при запуске силовой установки, при рулении и маневрировании по земной поверхности, при взлете, снижении, висении и посадке на работу бортовой системы оказывают существенное влияние индуктивные потоки несущего винта вертолета. Это обусловливает целесообразность построения бортовой системы измерения параметров вектора скорости ветра по двухканальной схеме на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника (рис. 1) и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта (патенты РФ №№ 100279,122983,2497718,2427844,2426995).

Один канал построен на основе предложенного А.А. Поруновым неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника (АМП) 1 (патенты РФ №№ 2033117, 2042137), в котором формируются и с помощью равномерно расположенных в азимутальной плоскости трубок полного давления 4, установленных между экранирующими дисками 2 и 3, воспринимаются давления Р„ определяющих величину W и азимутальное направление \\> вектора скорости ветра W. С помощью отверстий 5, расположенных на профилированной входной части экранирующих дисков 2 и 3, воспринимаются давления Рая и Лш> определяющих направление а вектора скорости ветра в вертикальной плоскости. Посредством канавок 6, расположенных в проточной части экранирующих дисков 2 и 3 воспринимается дросселированное статическое давление Рст.д на стоянке вертолета до запуска силовой установки. Для восприятия информации о параметрах вектора скорости Vs результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта и определения параметров вектора скорости ветра W на стоянке при работающей силовой установки и на

W

СП

СТ.Д

р р ' ! 1 П

Рис. 1. Конструктивная схема неподвижного комбинированного аэродинамического приемника

взлетно-посадочных режимах вертолета на наружной поверхности верхнего экранирующего диска 3 установлен дополнительный полусферический аэрометрический приемзшк 7 с диаметром основашы, равным диаметру экранирующего диска. На верхней поверхности полусферического аэрометрического приемника расположены отверстия для забора полного Рпх и статического Pctl давлений результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, давлений Pi, Р2 и Рз, Р4, определяющих угловые положения q>i и фг вектора скорости VY результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости симметрии вертолета.

Давления Рпх и Реп:, Pi и Рг, Рз и Ра, воспринимаемые полусферическим аэрометрическим приемником, так же как и давления Р„ Ран, Рет, Рсгд> воспринимаемые неподвижным многоканальным проточным АМП, соедтгены со входами преобразователей перепадов давлений и абсолютного давления, выходы которых через канал аналого-цифрового преобразования подключены ко входу вычислительного устройства, выходы которого являются выходами бортовой системы по измеряемым параметрам.

Разработаны алгоритмы обработки первичной аэрометрической информации в вычислительном устройстве.

На стояночном режиме вертолета до запуска силовой установки величина (модуль) W, горизонтальный ху, и вертикальный а углы вектора скорости ветра определяются по выражениям

' 1 Р -Р ^

1 лав ав

Ц1)

I 2РТ I \

-2-МРт**-'Р// Г, а = агат

где РЯо и ТНо~ статическое давление и абсолютная текптература на высоте стоянки Но, определяемые по давлешпо Рст.д и показаниям приемника температуры, установленного на борту вертолета; Ро= 760 мм рт.ст. =101325 Па, 7о=288,15 К — статическое давление и абсолютная температура воздуха на высоте Н—0 стандартной атмосферы; Р,- Ша* - давление, воспринимаемое 1-й трубкой полного давления при совпадении оси трубки с направлением вектора скорости ветра РУ; т - первое приближение, определяемое по номеру 1-й трубки полного давления, в которой воспринимаемое давление Р,- является наибольшим; к =±1 - параметр углового положения вектора скорости Ж относительно оси /-й трубки (при Р,-1>Р,+1 к = — 1, при Р,.1<Р,+1 А=+1); 0! - текущая безразмерная координата вектора скорости IV между г-1 и 1+1 трубками полного давления при выбранном шаге координатной сетки ^ (при числе трубок п=6 <о=5 утл. град); 90 - угол расположения приемных отверстий для забора давлений Рщ, и

Рав*

На стояпке при запуске силовой устаповки и вращении несущего впита продольная 1УХ и боковая составляющие вектора ветра определяются как

рР'"р ~КъУт> -^0, (2)

9зт 2ф01 Рш-Рсп; 9 бш 2Фо2 Рт - Рста

где

Кх = 44,826

Г-^гп: -^стх | Л

I )

0.2857143

-1

(Рщ -^стх | Л

I Лл. )

(3)

Ттх — температура торможения результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта; ср01, ф02 — углы установки отверстий для забора давлений

Р1 и Рг, Рг и Р4; У0 =

(?й„

- модуль вектора скорости У{ индуктивного

I¿ХРно1

потока вихревой колонны несущего винта на режиме висения; АГц, К1г — безразмерные коэффициенты, определяемые при летных испытаниях; (7 — вес вертолета; пу - нормальная перегрузка; рдо - плотность воздуха на высоте стоянки Нй\

.Р- площадь, ометаемая несущим винтом вертолета; х — коэффициент заполнения диска несущего винта.

При рулении и маневрировапип по земной поверхностп выражения для определения продольной И^ и боковой Щ, составляющих вектора ветра принимают вид

Рг-Р-,

— К

рх>

ЦТ =у _2 Р3 Р* у

1 19вт2фв2Рш-Рсп.

(4)

98т2(р01 Рт - -Реп

где Урх и Ург - проекции вектора скорости Ур движения вертолета по земле на

продольную и боковую оси вертолета, определяемые с помощью спутниковой радионавигационной системы.

На взлетно-посадочных режимах вертолета параметры вектора скорости ветра определяются в соответствии с выражениями вида

Упсоэу, 1Г:=К-Гпэту; у = р + У^^ + РГ/,

где Ух = Ух бш

1

—агсз1п| 2

Рх-Рг

ХСОБ

—агевт 2

Рщ. РсГТ., V

Рг-Р*

9АГ2(ф1,Г1:)зт2ф02 Рщ-Рсп.)

-агсБт

Л-Л

Рщ Реп

(5)

-К^-К^-оу*); а = ап^^; Р = акт

= агсБт -

где Ух, Уг и У„- составляющие и величина (модуль) вектора истинной воздушной скорости Ув вертолета; шх,(о>,саг - угловые скорости вращения вертолета относительно осей связанной системы координат; х,у, г- координаты места установки аэрометрического приемника в связанной системе координат; Уп и ус- ве-

личина и угол сноса вектора путевой скорости, измеряемые доплеровскнм измерителем скорости и угла сноса.

В третьей главе раскрываются методики анализа погрешностей и обеспечения точности измерительных каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

При допущении о некоррелированности составляющих получено соотношение для оценки среднеквадратических значений инструментальной погрешности определения скорости ветра на стоянке до запуска силовой установки

а,® =

где ал/> -

Я*

Ряг V

И о

гах АР,

«О

1

Р ЩТН,

'ЛГ,

"о

То6р

(6)

<зАТ/{ и Собр - средиеквадратические значения инструмен-

тальных погрешностей определения соответствующих информативных параметров и погрешности канала аналого-цифрового преобразования и обработки информации.

Инструментальная погрешность определения угла направления вектора ветра на стоянке до запуска силовой установки оценивается соотношением

А1|Г_5Ч(<*.Ро) 5-1 (¿.РО) Л-(Ро) " ЭД '

(7)

— Р где % = '

р.

л иплх

(Ро);

-(¿.Ро)

относительные угловые характеристики

г'-й трубки полного давления в пределах угла Р0 = при отсутствии (¿М))

или наличии угловой погрешности в. установки трубок полного давления; усг=360о/2л.

На стояпке при запуске силовой установки аналогичные соотношения получены для среднеквадратических значений инструментальных погрешностей определения продольной И^ и боковой И^ составляющих вектора ветра, например вида

СТА ЦТ =

Рх-Рг

9Бт2ф01 Рт -Рт

2К,

1

9ят2ф01 Рт-Рсп.)

<*2щ +

Рх-Рг

9зш 2<?01(рт-РспУ

<*1Р, +

5т22ф01 Рш-Рсп.

(8)

2 2 +сгоер>

где аАУ^, Од^ , Од^, стДфо1 - средиеквадратические значения инструментальных

погрешностей определения скорости У^, перепадов давлений АР^Рр-Рг, АРг=Ргаг-Рстт и угла установки 901 отверстий для забора давлений Р[ и Рг-

Вид, аналогичный (8), имеют соотношения для среднеквадратических значений инструментальных погрешностей определения продольной 1¥х и боковой Щ: составляющих вектора скорости ветра с учетом среднеквадратических

погрешностей <зАГ и <тдг измерения проекций вектора скорости Ур движения

вертолета по земле.

На взлетпо-посадочпых режимах в соответствии с выражениями (5) получены соотношения для оценки инструментальных погрешностей определения составляющих вектора скорости ветра при рулении и маневрировании по земпой поверхности с учетом погрешностей определения составляющих вектора истинной воздушной скорости, путевой скорости и угла сноса вертолета, например вида

Стд^ = ^Стд^ + соя2 усст1кп + Уп ят2 уссг

2 2 + аобр;

дУ

8УГ

дУ.

дРг

'ЬРс

сл.;

дУх дТ,

ТЕ/

\дЪ

(9)

Э<р2

<2 +

Аш.

Л У

стДюг + Собр

где —- — коэффициенты влияния соответствующих погрешностей на погрешность 8х1

стд^ , определения для которых в работе получены аналитические соотношения.

Проведен анализ требований к метрологическим характеристикам и выбор датчиков первичной аэрометрической информации измерительных каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра.

Причинами собственных динамических погрешностей измерительных каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра являются инерционность каналов передачи давлений от неподвижного комбинированного аэрометрического приемника ко входам пневмоэлектрических преобразователей (датчиков) давлений и перепадов давлений, а также динамические свойства датчиков, которые учитываются при выборе конструктивных параметров аэрометрического приемника и типа датчиков.

Вынужденные динамические погрешности измерительных каналов измерения параметров вектора ветра на стоянке, при рулении п маневрировании по земпой поверхности обусловлены, в основном, турбулентностью атмосферы в зоне стоянке. Используя принятые в авиации модели случайных турбулентных возмущений атмосферы при допущении, что их спектр значительно шире максимальной частоты изменения параметров ветра, для снижения вынужденной динамической погрешности предложено использовать оптимальный фильтр Винера. Дисперсия Ц^ остаточной погрешности фильтраций турбулентных возмущений атмосферы в каналах бортовой системы определяется соотношением

£>лш =-

2ат

1 +

+ Шо

2ст;

1+1+

_2 <зт

(10)

зтаг5г(0)

где Б^ОУ

2 2 отат

- спектральная плотность мощности турбулентного возмуще-

ния; агиаг - среднеквадратическое значение интенсивности возмущения и соотношение масштаба турбулентности по продольной и боковой осям; то—ЗиФУЯтФУ, 0) — максимальное значение спектральной плотности мощности продольной и боковой составляющих вектора ветра. Расчетное значение дисперсии остаточной погрешности фильтрации турбулентных возмущений на стоянке до запуска силовой установки Дш= 10,8-10'2 (м/с)2 0,18 м/с = 0,65 км/ч).

Для повышения динамической точности измерения параметров вектора ветра на взлетно-посадочных режимах вертолета, снижения влияния флук-туаций скорости индуктивного потока предложено использовать принцип комплексирования. В качестве комплексируемого компонента предложено использовать аэромехашгческую измерительно-вычислительную систему измерения составляющих вектора истинной воздушной скорости, построенная на основе метода \ТМ1 и наблюдателя Люэнбергера. Для корреляционных функций К^ (т) и Кф (х) случайных динамических погрешностей комплексно-ванных каналов бортовой аэрометрической системы измерения параметров вектора ветра и аэромеханической измерительно-вычислительной системы вида

при построении каналов комплексной системы по схеме со следящей системой определены параметры корректирующего фильтра и получены соотношения для дисперсии остаточной погрешности комплексного канала определения составляющих истинной воздушной скорости. При допущении независимости случайных погрешностей каналов комплексируемых систем дисперсия суммарной остаточной погрешности комплексного канала оценивается значением дисперсии: Оау~ 62- 10"2(м/с)2 (а&у= аш= 0,79 м/с = 2,84 км/ч).

В четвертой главе приводятся результаты разработки, изготовления и испытания экспериментального образца базового варианта системы в аэродинамической трубе, реализации и внедрения результатов исследования, направления дальнейших исследований и разработок бортовой системы измерения параметров вектора ветра.

Проведен анализ и расчет конструктивных параметров основных элементов неподвижного комбинированного аэрометрического приемника, что позволило обоснованно проводить проектирование и изготовление датчика воздушных сигналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета.

В рамках совместных НИОКР на базе ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» был изготовлен экспериментальный (промышленный) образец системы, общий вид которого показан на рис. 2.

Разработана программа, методика и проведены испытания экспериментального образца системы шмерения параметров вектора ветра в аэродинамической трубе ТЗ-К ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», зарегистрированной в Государственном реестре средств измерения (№22835-02). Программа испытания

(И)

Рис. 2. Общий вид и состав экспериментального образца системы измерения параметров вектора ветра: 1 — датчик воздушных сигналов на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника; 2 - эле.пронный блок; Г- устройство проточного аэрометрического аналого-цифрового преобразования и передачи приемника в азимутальной цифровых сигналов; 4 — промышленный ноутбук плоскости в диапазоне ±180°,

регистрировались перепады APi давлений соосно расположенных трубок полного давления по выходным сигналам U,термоанемометрических датчиков расхода фирмы Honeywell, которые измерялись вольтметрами, реализованными программно в промышленном ноутбуке. В процессе испытаний контролировалось изменение дросселированного статического давления Рст.ц, которое регистрировалось датчиком абсолютного давления, выходной сигнал UPcr.a которого измерялся вольтметром.

На рис. 3 приведены угловая статическая характеристика канала угла направления вектора ветра (угла скольжения набегающего воздушного потока аэродинамической трубы), и график отклонения экспериментальной характеристики от расчетной при скорости F=50 км/ч (13,9 м/с).

вычисленное' град.

180 120 60 0 -60 -120 -180

-180

120 180 Р заданное 5 гРад-

Рис. 3. Угловая характеристика канала угла направления вектора ветра и отклонение

экспериментальной характеристики от расчетной при скорости V=50 км/ч

предусматривала два режима: Режим стоянки до запуска силовой установки, при котором ось неподвижного комбини-

рованного аэрометрического приемника располагалась перпендикулярно направлению набегающего воздушного потока аэродинамической трубы. При изменении скорости воздушного потока в рабочем поле трубы ОТ Р"тш=10 км/ч (2,8 м/с) до У= 60 км/ч (16,8 м/с) с интервалом 10 км/ч, изменяя положение неподвижного многоканального

При проведении испытаний на режиме, имитирующем взлетно-посадочные режимы вертолета, определялись угловые характеристики неподвижного полусферического приемника относительно направления набегающего воздушного потока аэродинамической трубы в вертикальной плоскости изменения угла 91 и в азимутальной плоскости изменения угла фз при раздельном и одновременном изменении обоих углов.

Как показали результаты испытаний экспериментального образца на стоянке до запуска силовой установки инструментальная погрешность измерения угла направления вектора ветра в диапазоне ±180° не превышает Ау = ±1,5...2° (<*Ду= 0,5...0,7°), инструментальная погрешность измерения скорости ветра при изменении угла направления ветра в диапазоне ±180° - не более ЛГР=±2...3 км/ч (±0,55...0,83 м/с), колебания дросселированного статического давления Рст.д, воспринимаемого в проточном канале неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника, не превышают значения ЛРст.д= ±60...75 Па, что соответствует погрешности определения барометрической высоты на уровне земли не более АН — ±4...5 м (сд# = 1,33... 1,7 м).

Как показали трубные испытания, на взлетно-посадочных режимах, когда неподвижный комбинированный аэрометрический приемник находится в зоне вихревой колонны несущего винта, экспериментальный (промышленный) образец обеспечивает измерение продольной Ух и боковой составляющих вектора истинной воздушной скорости с инструментальной погрешностью, не превышающей значений Ух = Ух= ±2...4км/ч (±0,55...1,1 м/с) (сдкг= сдкг= 0,66... 1,35 км/ч (0,18...0,37 м/с)), вертикальной составляющей Уу~ с погрешностью не более Уу = ±3,8.. .4,4 км/ч (±1,05... 1,22 м/с) (сАуу = 1,26... 1,47 км/ч (0,35.. .0,41 м/с).

Определены направления совершенствования бортовой системы измерения параметров вектора ветра.

Результаты исследования являются базой для создания системы измерения параметров вектора ветра на основе комбинации аэрометрических и ионно-меточных измерительных каналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненная научно-техническая разработка бортовой системы измерения параметров вектора ветра на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника и информации результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта позволяет повысить точность измерения скорости и направления ветра на стоянке, при маневрировании по земной поверхности, при взлете, на режимах снижения, висения и посадки, что способствует решению важной для авиации задачи - повышения уровня безопасности эксплуатации одновинтовых вертолетов.

2. Проведенное исследование позволило разработать методики формирования, восприятия и описания информативных сигналов результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта, алгоритмы их обработки в измерительных каналах разрабатываемой системы, провести анализ погрешностей и обосновать направления повышения точности измерительных каналов системы за счет реализации принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.

- 143. Проведенная схемотехническая и конструктивная разработка и изготовление экспериментального образца, разработанная программа и методика проведения испытаний экспериментального образца с имитацией стояночных и взлетно-посадочных режимов вертолета, полученные результаты трубных испытаний подтверждают достоверность и обоснованность разработанных научных положений и практических рекомендаций, свидетельствуют о работоспособности и высоких метрологических характеристиках измерительных кагалов бортовой системы измерения параметров вектора ветра, что позволило достигнуть поставленной цели — обеспечения высокоточного измерения скорости и направления вектора ветра относительно продольной оси вертолета на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета в условиях возмущений, вносимых вихревой колонной несущего винта, турбулентностью атмосферы и другими факторами.

4. Результаты исследования и разработки бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета внедрены и используются в ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г. А Ильенко» и в учебном процессе подготовки профильных специалистов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Никитин A.B. Стартовая система измерения малых воздушных скоростей одновинтового вертолета / AB. Никитин, В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2012. - №1. - С. 48 - 53.

2. Никитин A.B. Анализ требований к измерительным каналам системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника / A.B. Никитин, В.В. Солдаткин // Известия вузов. Авиационная техника. - 2011. - №1. - С. 55 - 59.

3. Никитин A.B. Стартовая система измерения параметров ветра и составляющих вектора воздушной скорости одновинтового вертолета / AB. Никитин, В.В. Солдаткин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - №3. - С. 113 - 121.

4. Никитин AB. Построение и алгоритмы обработки информации системы измерения малых воздушных скоростей на стартовых и взлетно-посадочных режимах / A.B. Никитин, В.В.Солдаткин, В.М.Солдаткин // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2012. - №61. — 14 с.

5. Никитин AB. Система измерения параметров вектора ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета / AB. Никитин, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2013. - №6. - С. 64 - 70.

6. Никитин AB. Алгоритмы работы каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах / A.B. Никитин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2013. - №2. - С. 124 - 134.

7. Никитин AB. Стартовая система измерения малых воздушных скоростей вертолета / AB. Никитин // Вестник КГТУ им. АН Туполева. -2013. - №3. - С.124 -134.

8. Никитин AB. Бортовая система измерения параметров ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета / AB. Никитин // Фундаментальные

и прикладные проблемы техники и технологии. - 2014. - №3. - С.117 - 125.

9. Солдаткин ВВ. Комплексная система измерения малых воздушных скоростей вертолета с наблюдателем Люэнбергера / В.В. Солдаткин, AB. Никитин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - №2. - С. 9 -15.

10. Солдашш В.В. Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника / В.В. Ссшдаткин, AB. Никитин // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2010. -№6. - С. 71 - 78.

Патенты па нзобретепия п полезпые модели

11. Патент РФ на полезную модель № 100279, МПК G01P 5/00. Система воздушных сигналов вертолета / В.В. Солдаткин, В.М. Солдатами, A.A. Порунов, A.B. Никитин, H.H. Макаров, В.И. Кожевников, В.П. Белов, Д.А. Истомин. -Заявл. 09.03.2010. -Опубл. 10.12.2010. -Бюл. №34.

12. Патент РФ на изобретение № 2427844, МПК G01P 5/14. Система воздушных сигналов вертолета / В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин, A.A. Порунов, A.B. Никитин, H.H. Макаров, В.И. Кожевников, В.П. Белов, Д.А. Истомин. -Заявл. 09.03.2010. - Опубл. 27.08.2011. -Бюл. №24.

13. Патент РФ на полезную модель № 122983, МПК B64D 45/00, G08 G 5/00. Стартовая система предупреждения критических режимов одновинтового вертолета. / A.A. Углов, A.B. Архипов, В.А. Архипов, В.А. Олаев, В.М. Солдаткин, A.B. Никитин, A.A. Потапов, В.В. Солдаткин, H.H. Макаров, В.П. Деревянкин, О.И. Кузнецов, К.Ю. Моисеев. - Заявл. 30.08.2012. - Опубл. 20.12.2012. - Бюл. №36.

14. Патент РФ на изобретение №2497718, МПК B64D 45/00, G08G 5/00. Стартовая система предупреждения критических режимов одновинтового вертолета / A.A. Углов, A.B. Архипов, В.А. Архипов, В.А. Олаев, В.М. Солдаткин, A.B. Никитин, A.A. Потапов, В.В. Солдаткин, H.H. Макаров, В.П. Деревянкин, О.И. Кузнецов, КЮ. Моисеев. - Заявл. 30.08.2012. - Опубл. 10.11.2013. - Бюл. №34.

Основные публикации в других изданиях

15. Никитин A.B. Аэромеханическая измерительно-вычислительная система малых воздушных скоростей вертолета / A.B. Никитин, В.В. Солдаткин // Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (апрель 2011 г., Пенза). - Пенза: Пего. гос. ун-т, 2011. - С. 125 - 129.

16. Никитин A.B. Методика формирований требований к датчикам первичной информации системы измерения высотно-скоростных параметров вертолета по информации вихревой клоны несущего винта / A.B. Никитин // Труды докладов XX Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (сентябрь 2011 г., Алушта). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - С. 225 - 226.

17. Никитин A.B. Особенности построения и алгоритмы обработки информации стартовой системы измерения составляющих вектора воздушной скорости одновинтового вертолета / A.B. Никитин, В.В. Солдаткин // Сборник трудов XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (сентябрь 2012 г., Алушта). - М.: Изд-во ГУП Академнздат центр «Наука», 2012. - С. 133 -134.

-1618. Никитин A.B. Стартовая система измерения малых воздушных скоростей вертолета / A.B. Никитин // Материалы VT Международной научно-практической конференции «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (август 2012 г., Казань). -Казань: Изд-во «Вертолет», 2012. - Т. IV. - С. 313 - 321.

19. Никитин AB. Стартовая система измерения малых воздушных скоростей одновинтового вертолета / A.B. Никитин // Материалы XX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2012. - Т. П1. - С. 102 - 106.

20. Никитин A.B. Бортовая система измерения параметров ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах / A.B. Никитин // Материалы XI Международной научно-технической конференции «АВИА-2013» (май 2013 г., Киев). -Киев: Национальный авиационный университет, 2013. - Т.1. - С.1.112 - 1.115.

21. Никитин A.B. Система измерения параметров вектора ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета / A.B. Никитин // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК-2013)» (март 2013 г., Ульяновск). - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2013. - С. 43 - 48.

22. Никитин AB. Построение и алгоритмы обработки информации системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах вертолета / AB. Никитин // Сборник статей Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (апрель 2013 г., Пенза). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2013. - С. 104 -107.

23. Никитин A.B. Алгоритмы работы каналов бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стоянке и взлетно-посадочных режимах / A.B. Никитин, В.В. Солдаткин // Сборник трудов XXII Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (сентябрь 2013 г., Алушта). - М.: Изд-во МГУПИ, 2013 . - С. 206 - 207.

24. Никитин A.B. Построение и алгоритмы обработки информации бортовой системы измерения параметров вектора ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета / A.B. Никитин // Сборник трудов XXIII Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (сентябрь 2014 г., Алушта). - М.: ИКД «Зеркало-М», 2014 . - С. 143.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. _Усл. печ. л. 1,05. Тираж 100. Заказ Д2._

КОПИ-центр КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10