автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Измеритель высотно-скоростных параметров вертолета

Ийв. № 29/АП-1

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз. N 1

ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТНО-СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТОЛЕТА

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1996

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им.А. Н. Туполева (КАИ)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

В. М. Солдаткин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Н. Е. Конюхов Г. И. Ильин

Ведущая организация:

Ульяновское конструкторское бюро приборостроения.

Защита состоится ОлрЫД 1996 г. в часов

на заседании диссертационного совета К 063.43.05 Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан мй/эти 1996 г.

Ученый секретарь ,

диссертационного совета к. т. н., доцент

В. А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Бортовые средства информационного обеспечения полетов вертолета включают большое число измерителей различного назначения, наиболее значимыми из которых являются измерители высотно-скоростных параметров (ВСП). До настоящего времени методы и средства измерения ВСП, используемые на отечественных вертолетах, повторяют аналогичный комплекс самолетных средств. Однако в силу особенности аэродинамической компоновки вертолетов и способа создания подъемной силы это практически исключает возможность измерения ВСП в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета. Последнее обусловлено сильными возмущениями аэродинамического поля вертолета в местах установки средств восприятия ВСП (аэрометрических преобразователей).

Широкий спектр применения вертолетов и рост требований к уровню безопасности и эффективности выполнения полетного задания делает чрезвычайно актуальной задачу расширения диапазона измерения высоты и параметров вектора воздушной скорости. Это требует создания измерителей ВСП на принципах, максимально учитывающих специфику аэродинамики и динамики полета вертолета.

Целью данной работы является создание многоканального измерителя ВСП вертолета с расширенным диапазоном измерения величины и направления вектора воздушной скорости.

Задача научного исследования заключается в разработке методов анализа и синтеза функциональных элементов многоканального измерителя ВСП вертолета, обеспечивающих расширение диапазона измерения параметров вектора воздушной скорости и достижение требуемых эксплуатационно-функциональных характеристик измерителя.

Задача исследования решалась в следующих направлениях:

- определение основных аспектов исследования задачи измерения ВСП вертолета;

- разработка методики экспериментальных исследований поля скоростей и давлений в неоперенной части несущего винта вертолета на осевых режимах его работы;

- анализ перспективных концепций построения измерителей ВСП и разработка алгоритмов формирования выходных информативных сигналов и реализующих их структурных схем;

- оценка предельных возможностей средств восприятия ВСП и разработка физико-математических моделей и алгоритмов процессов формирования первичных пневматических информативных сигналов;

- г -

- синтез элементов и устройств восприятия и преобразования первичных пневматических сигналов одноканальных и многоканальных измерителей ВСП с учетом особенностей аэродинамики вертолета;

- разработка путей обеспечения требуемых эксплуатационно-функциональных характеристик каналов измерения ВСП с использованием структурных методов.

-разработка методик проведения трубных исследований, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей ВСП.

Методы исследования базируются на использовании теории измерительных преобразователей и электрических цепей, а также теоретических основ аэродинамики и струйной техники, газо- и термодинамики, на применении аппарата дифференциального и интегрального исчисления. Задача параметрического синтеза аэрометрического преобразователя проточного типа решается с помощью метода экспериментально-статической оптимизации. Теоретические исследования алгоритмов функционирования основных информативных каналов измерителя ВСП и их метрологическая оценка выполнены с использованием методов имитационного и полунатурного моделирования. Основные выводы подтверждены результатами лабораторных, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей.

Научная новизна работы представлена следующими результатами, которые выносятся на защиту:

- обоснована необходимость комплексного подхода к решению задачи измерения ВСП вертолета;

- разработана методика исследования аэродинамического поля вертолета применительно к задаче измерения ВСП в расширенном диапазоне изменения параметров вектора воздушной скорости;

- в рамках перспективных концепций разработаны структур-но-функционапьные схемы и алгоритмы формирования выходных сигналов одноканальных и многоканальных измерителей ВСП вертолета;

- получены аналитические выражения, подтверждающие повышение уровня первичного пневматического информативного сигнала и расширение функциональных возможностей аэрометрического преобразователя (МП) проточного типа;

- разработаны алгоритмы формирования и обработки первичных пневматических сигналов многоканального (панорамного) аэрометрического преобразователя;

- разработана методика и решена задача параметрического синтеза аэрометрических преобразователей проточного типа;

- получены аналитические выражения для функций преобразования

струйно-конвективных преобразователей (СКП), входящих в каналы измерения скорости и высоты полета, которые позволили решить задачу анализа и оценки влияния параметров элементов СКП на метрологические характеристики измерителя ВСП;

- решена задача обеспечения эксплуатационно-функциональных характеристик информативных каналов измерителя ВСП на основе структурных методов повышения точности и надежности;

- разработаны методики проведения лабораторных исследований, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей ВСП и входящих в них функциональных элементов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору и оценке предпочтительных зон установки средств восприятия ВСП вертолета;

- разработаны и обоснованы структурно-функциональные схемы од-ноканапьных и многоканальных измерителей ВСП в рамках перспективных концепций их построения;

- показано, что повышение уровня первичных пневматических сигналов и расширение функциональных возможностей измерителей ВСП достигается путем сочетания в каналах АМП двух базисных эффектов: торможения и дросселирования набегающего воздушного потока;

- получены рекомендации по параметрическому синтезу элементов СКП и выбору алгоритма обработки его выходных сигналов в каналах измерения ВСП вертолета;

- разработаны принципы схемного и конструктивного построения вариантов АМП, модулей СКП и каналов обработки информативных каналов одноканальных и многоканальных измерителей ВСП вертолета, обеспечивающие улучшение их метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей, которые защищены 28 авторскими свидетельствами и двумя патентами Российской Федерации.

Реализация и внедрение. Полученные научно-технические результаты работы внедрены и используются в Ульяновском конструкторском бюро приборостроения (УКБП) при проектировании, изготовлении и испытаниях экспериментальных образцов измерителей ВСП и систем воздушных сигналов на их основе, разрабатываемых в рамках тем 41620164, 51700184, 11570184. Разработанные совместно с УКБП и изготовленные в отраслевой НИЛ "Измерительные преобразователи" КГТУ им. А. Н. Туполева экспериментальные образцы измерителей ВСП типа ИБВ и типа СИВС прошли заводские испытания и использовались при стендовых исследованиях и испытаниях на предприятиях АООТ КНПП "Вертолеты МИ", а также в составе КЗА при сравнительных лет-

ных испытаниях СВС на предприятии УВЗ им.Н. И.Камова. Экономический эффект от внедрения разработок составил 230 тыс.руб. (в ценах 1981-1989 гг.).

Экспериментальный образец датчика абсолютного давления и скорости его изменения типа ДДС-900-2, входящий в состав измерителя ВСП, демонстрировался на ВДНХ СССР.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2-м Всесоюзном симпозиуме по теории информационных систем и устройств управления с распределенными параметрами (г.Уфа, 1974), на Всесоюзной конференции по развитию систем метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ (г. Казань, 1975), на 2-й Всесоюзной научной конференции "Проблемы чувствительности электронных и электромеханических систем" (г.Москва, 1981), на 4-й Республиканской научно-технической конференции (НТК) "Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем" (г.Киев, 1981), на Всесоюзной НТК "Развитие и использование аналоговой и аналого-цифровой техники" (г. Москва, 1981), на 3-ей и 4-й Всесоюзных НТК по безопасности полетов (г.Ленинград, 1982, 1985), на научной конференции НТО Приборпрома им.С.В. Вавилова "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (г.Москва, 1982), на отраслевой конференции "Аэродинамика и динамика винтокрылых ЛА" (г.Москва, 1985), на отраслевой НТК "Пути повышения эффективности летных испытаний и исследований авиационной техники"(г. Москва, 1988), на 2-й Всесоюзной конференции "Системы автоматического управления ЛА" (г.Москва, 1988), на Республиканском научно-техническом семинаре "Машинные методы в задачах механики, устойчивости и управления" (г.Казань, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции и семинаре "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1991, 1992г.г.), на НТК "Вопросы повышения эффективности трассовых испытательных комплексов, автоматизация обработки материалов летных испытаний и исследований на крупно-масштабных летающих моделях (г.Москва, 1990), на НТК "Научный потенциал вузов" по программе "Конверсия" (г.Казань, 1993), на 1-й Международной конференции по экранопла-наи (г.Иркутск, 1993), на Международной НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Дат-чик-93, г.Гурзуф, 1993), на НТК по итогам работы за 1992/93 НИЧ-50 (г.Казань, 1994), на Всероссийской НТК с участием зарубеж-

ных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г.Гурзуф, 1994), на Всероссийской НТК "Техническое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств (экранопланов и сверхлегких летательных аппаратов (г.Казань, 1994), на Международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении Модель-проект-95 (г.Казань,, 1995), на НТК "Факультету автоматики и электронного приборостроения 45 лет" (г.Казань, 1996г.), на итоговых НТК Казанского авиационного института (г.Казань, 1971, 1974. 1975, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989г.г.), на НТК по итогам работы за 1992-1993г.г. "НИЧ-50 лет" (г.Казань, 1994г.), на научном семинаре "Бортовые измерительные преобразователи и приборные комплексы" (г.Казань, 1983, 1985), на НТС подразделений Ульяновского конструкторского бюро приборостроения (г.Ульяновск, 1981 - 1994г. г.).

По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 74 печатных работы, в том числе 11 статей, .28 авторских свидетельств СССР и два патента Российской Федерации, а также 27 научно-технических отчетов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 214 наименовании и приложения на 14 страницах. Основная часть включает 178 страниц машинописного текста. 112 рисунков и иллюстраций, 24 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и.задача научного исследования, обоснованы направления ее решения. Предложена классификация измерителей ВСП вертолета и сформулированы общие требования, предъявляемые к ним как к основным средствам информационного обеспечения при пилотировании вертолётов.

Первая глава посвящена анализу задачи измерения ВСП вертолета и синтезу структурно-функциональных схем и алгоритмов функционирования измерителей ВСП.

На основании анализа информационных потоков в системе "ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ - КОНТУР УПРАВЛЕНИЯ - ВОЗДУШНАЯ СРЕДА" с учетом взаимосвязи характеристик устойчивости, управляемости и безопасности с эффективностью выполнения полетного задания показана мно-

гоаспектность задачи .измерения ВСП и обоснована необходимость применения при ее решении комплексного подхода. Показано, что в условиях растущей ценности аэрометрической информации штатные средства измерения ВСП, устанавливаемые на отечественных вертолетах, не позволяют решать полетные задачи, связанные с полетом на малых или околонулевых скоростях в расширенном диапазоне измерения направления вектора воздушной скорости.

Приведенные экспериментальные исследования поля скоростей и давлений над плоскостью диска несущего винта (HB) вертолета, которые в сочетании с известными результатами исследований других зон вертолёта позволили: обосновать рекомендации по выбору предпочтительных зон и вариантов установки АМП на вертолете в зависимости от концепции построения измерителя ВСП; получить оценки характера, уровня и полосы частот аэродинамических возмущений, воздействующих на АМП при полете вертолета на режиме малых скоростей (РМС); разработать обобщенную схему информативного канала измерителя ВСП.

На основании полученных результатов определены перспективные концепции построения измерителей ВСП и реализующих их структур, особенностью которых является сочетание комбинированного АМП проточного типа со струйно-конвективным преобразователем (СКП).

Предложены структуры и обоснованы преимущества измерителя ВСП со свободно-ориентируемым АМП (А.с.1568729), имеющим раздельные проточные каналы восприятия полного и дросселированного давлений (рис.1). Получены алгоритмы функционирования цепей измерительного преобразования для режимов малых и больших скоростей полета вертолета, которые в отличие от отечественных и зарубежных аналогов при минимальном количестве воспринимаемых первичных информативных параметров позволяют формировать информацию по ВСП полета вертолета уже при скоростях полета 5-10км/ч в расширенном до ±175 и ±65 диапазоне изменения угла атаки и скольжения соответственно.

Характерной особенностью показанного на рис.1 варианта измерителя ВСП является неустойчивость работы датчика вектора воздушно? скорости на режимах раскрутки HB и пробега по ВПП при взлете пс самолетному. Кроме того, этот вариант не обеспечивает всенаправ-ленность измерений ВСП по углу скольжения.

Предложена и анализируется структурно-функциональная схема измерителя ВСП (рис. 2), в которой АМП устанавливается на автономнс вращаемой штанге (A.c. 1559894), которая превосходит зарубежную информационную систему типа 0ADS-2000 фирмы Pacer Systems как пс

объему функциональных возможностей, так и по простоте схем-но-конструкторских решений за счет отсутствия' сложнейшего оп-то-электронного устройства для получения информативных сигналов по ортогональным составляющим скорости Vx и Vz. Отмечается, что реализация рабочих алгоритмов функционирования в предложенном варианте измерителя опирается на массив первичных сигналов, значительно меньший по сравнению с зарубежным аналогом, обладая близкими метрологическими характеристиками. При простоте эксплуатации диапазон измерения малых скоростей расширен до 3-5км/ч.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию физико-математических моделей АМП проточного типа, на основе анализа предложенных моделей АМП. Исследуется возможность повышения уровня первичного пневматического информативного сигнала и расширения функциональных возможностей АМП. Приведена методика и результаты параметрического синтеза АМП проточного типа и других функциональных элементов измерителя ВСП.

Для обеспечения всенаправленности измерения по углу скольжения представлена схема и проведены исследования панорамного АМП. Показано, что проточные АМП позволяют уменьшить влияние скоса потока на выходные информативные сигналы при размещении элементов восприятия давлений непосредственно в проточном канале.

При исследовании взаимодействия АМП с набегающим воздушным потоком отмечается, что описание движения потока воздуха с помощью уравнения Навье-Стокса приводит к сложным физико-математическим моделям, использование которых затруднительно, несмотря на большие успехи в области вычислительной аэродинамики.

Принимая допущения о несжимаемости воздуха, постоянстве его вязкости, одномерном установившемся и осесимметричном характере течения воздуха вне и внутри АМП, для малых отклонений переменных, входящих в уравнение движения, путем совместного решения уравнений, отражающих закон сохранения энергии и неразрывности струи, получены аналитические зависимости, устанавливающие связь выходного пневматического сигнала АМП с измеряемым ВСП.

Для повышения уровня выходного пневматического сигнала, пропорционального индикаторной скорости, предлагается использовать как эффект торможения, так и дросселирования набегающего на АМП воздушного потока (рис.3). При этом важное значение имеет контур профиля проточного канала, который определяет структуру скоростей и давлений в месте размещения элементов восприятия информативных давлений. В рассматриваемом АМП (A.c. 1128177, 1205676), он

û

Рис. 1

-Г"1

_ _ J

3 <

%

J

Рис. 2

представляет последовательное сопряжение конфузора в виде элемента тора с цилиндрическим участком проточного канала, имеющим наименьший диаметр йк и плавно переходящим в конический диффузор.

С учетом принятых допущений, получены выражения для давления заторможенного р4 и дросселированного р2 потоков в виде:

Р1 - Ро + 0.5хяТР^о; (1)

Рг ° Ро + 015хвтр\Го; (2)

где х„т- ^(^т2 + С), *вТ= Хцйг {с?тг + О - коэффициенты

восстановления давления по каналу полного и дросселированного давлений, которые зависят от конструктивных параметров АМП и характера течения воздуха: а - коэффициент расхода; га - модуль сужения проточного канала, численно равный отношению квадратов диаметров проточного канала йк и его входного отверстия Овх; £. - коэффициент потерь давления на вязкостное трение.

Информативный перепад давления на выходе АМП определяется выражением

Ар - 0, 5(х„т + *вТ)рУ2 . (3)

Из выражения (3) следует, что для типовых значений входящих в него величин х„ - 0,98 ± 0,02; х, - 1,2.. .5,0; а = 0,9... О, 99; Ь= 0, 8. ..1,0; т= 0,25 отношение информативного перепада давления к теоретическому значению скоростного напора 0,5рУ2 находится в пределах 2, 3... 5, 7. Это подтверждает принципиальную возможность расширения диапазона измерения ВСП в сторону малых скоростей.

Предложен алгоритм формирования сигнала по статическому давлению, базирующийся на восприятии полного Р! и дросселированного р2 давлений (рис.4), из которого следует, что в случае монотонного характера распределения информативного перепада давления Др=р! -рг по длине Ь капилляра, всегда можно определить точку А, давление в которой соответствует статическому. Координата точки А практически инвариантна к скорости полета и определяется выражением: Ха - 1/11 + (х„ / х,)] . (4)

В работе обосновывается возможность получения первичного пневматического сигнала по скосу воздушного потока в каждой из ортогональных плоскостей, ось пересечения которых совпадает с осью проточного канала. В соответствии с рис. 5 и на основании известных в аэродинамике соотношений можно записать:

Др„ 1 - соб2 (8 - а)

------ Г (в) . (5)

Дрн 1 - соб2(8 + с()

Для решения задачи всенаправленности измерения ВСП по углу скольжения синтезируется алгоритм обработки массива выходных пневматических сигналов панорамного АМП, схема которого показана на рис.6 (пат. РФ 2037157, 2042137). Графическая интерпретация алгоритма обработки первичных пневматических сигналов показана на рис.7. Сущность его заключается в определении угла вектора ВВС по положению трубки с максимальным пневматическим сигналом и последующим его уточнением путем анализа сигналов соседних трубок.

Показано, что размещение в контуре входной кромки экранирующих дисков рассмотренного панорамного АМП приемных отверстий 2 позволяет получить информативные пневматические сигналы Pdi и Р^г по углу скоса потока в плоскости, ортогональной плоскости экранирующих дисков (рис.6). Размещение на внутренних поверхностях экранирующих дисков сообщающихся между собой приемных отверстий 9 позволяет получить пневматический сигнал по статическому давлению р, инвариантный к углу скоса в плоскости экранирующих дисков практически в диапазоне углов до i180°, а в ортогональной плоскости -до 130°.

Полученные результаты теоретического исследования проточных однонаправленных АМП позволили поставить и решить задачу их параметрического синтеза. При этом в качестве главного критерия степени совершенства АМП предложено использовать коэффициент восстановления давления, который является его основным метрологическим показателем.

Учитывая, что разрабатываемые проточные АМП позволяют определить величину и направление вектора воздушной скорости и статическое давление, целевые функции по каждому из перечисленных каналов задавались в виде:

а) для канала полного рп б) для канала дросселированного давления рв давления

1.Ф[ «в ] -> max , г.фСЗяп/Эу] min . (6) 3. ф[Эз%/6у] min ,

1. ф[ м» ] -» max ,

2. ФСЗмв/Зу] -» min , (7)

3. фЕсЦ/Эу] min .

я,, 6 кп з£з € кв

/

Предварительные исследования макетных образцов проточных АМП позволили: установить совокупность определяющих конструктивных параметров однонаправленного АМП (входной диаметр 0ВХ, длина Ьк. наружный Риар и внутренний !?„„ радиусы конфузора, координаты

f

Рис. i

хр и ху отбора полного и дросселированного давлений, диаметр сЗр приемного отверстия трубки полного давления и ширина щели канала восприятия дросселированного давления, а также угол раствора конфузора 28е) и интервалы их варьирования; разработать вариативный АМП, отличительной особенностью которого является возможность изменения перечисленных выше конструктивных параметров в выбранном интервале их изменения. Методами факторного анализа определены наиболее существенные конструктивные параметры проточного однонаправленного АМП по каждому из его каналов.

С учетом возможности работы многоканального АМП совместно с преобразователем давления или с преобразователем расхода задача факторного анализа решалась для безрасходного и расходного режимов его работы. Определены критериальные зависимости по каждому из каналов восприятия давлений, вид которых приведен в таблице.

Для доминирующих факторов, входящих в зависимости таблицы получены уравнения регрессии, в виде моделей первого порядка и определены их коэффициенты. Достоверность полученных уравнений подтверждена результатами статистической обработки экспериментальных данных, включая: проверку по й-критерию Кохрена однородности дисперсии воспроизводимости опытов для различных контрольных значений скорости воздушного потока, определение доверительного интервала для коэффициентов регрессии и проверку адекватности полученных математических моделей каналов восприятия давлений.

Канал восприятия давлений Режим работы АМП

безрасходный расходный

полного давления а. Хъ - Г (хр> йр, ху) (Ц, б- — - НКнар,1к,хр) сЦ, в. -— - Г(Rbb.Lk.Dbx) Эф а- «я - ГЧ>,ЬК,0ВХ) б. ^ - Шр,Рви,1к) ЭУ 8 в. — - Г(Ьк,Ху,Явн) Эф

дросселированного давления а. «в в Г(с1р.Ьк.Хр) Эяп б.-2- » гСсар.^.ь,,) ЭУ Эз£гт В.— = НЬу^р.Я,,,) Э<р а. щ = Пхр,яв||,0вх) Эзбп б. - шр.л„.ьк) ЭУ ЭдСд в. — = гак,х„,нВ1|) Эф

Аналогичная задача параметрического синтеза решена и для элементов проточного однонаправленного АМП по каналам аэродинамического угла и статического давления. Определены предпочтительные значения его конструктивных параметров.

Задача параметрического синтеза многоканального панорамного АМП решалась методом пассивного эксперимента для восьми вариантов его выполнения. По результатам исследования получены соотношения, определяющие конструктивные параметры АМП: расстояние между внутренними поверхностями экранирующих дисков и диаметр цилиндрического аэродинамического тела, по поверхности которого радиально размещены трубки полного давления (рис.6); расположение входных отверстий трубок полного давления и радиус сопряжения конфузорно-го и диффузорного участков; ширина кольцевой канавки, диаметр приемных отверстий канала статического давления и радиус сопряжения конфузорной и диффузорной частей профиля внутренних поверхностей дисков АМП.

Рассмотрены принципы построения других элементов пневматических цепей АМП г проточного функционального элемента (A.c. 695288, 101В154, 1190730, 1432290), струйного инвертора давления, элементов защиты СКП от воздействия пыли и влаги.

Третья глава посвящена параметрическому исследованию элементов СКП, уточнению аналитических описаний функций преобразования информативных сигналов в каналах измерителя ВСП.

Отличительной особенностью СКП, выделяющей его из класса тер-моанемометрических преобразователей, является существенная неоднородность структуры скоростного и тепловых полей струи потока, омывающей анемочувствительный элемент (АЧЗ). Рассмотрена задача параметрического исследования струйного модуля, которая сводится к выбору конструктивных параметров, определяющих взаиморасположение тела АЧЗ относительно сопла, формирующего струю. При этом в качестве интегрального критерия при параметрическом исследовании струйного модуля принимается условие достижения высокой эффективности теплового взаимодействия струи воздуха с телом АЧЗ, которое оценивается приращением коэффициента рассеяния в рабочем диапазоне изменения преобразуемой массовой скорости.

На основе систематизации и обобщения сложных теплофизических процессов струйного обтекания АЧЗ сферической формы обоснованы соотношения между основными конструктивными параметрами струйного модуля:

¡PóL LA Рис. 6

-- * 0, 5... 1, 2; = 2... 4; Д = 0,03... 0,05 мм.

^ о

где с!а, йс - диаметры соответственно АЧЭ и формирующего сопла; ха . расстояние между срезом формирующего сопла и телом АЧЭ; А - несоосность формирующего сопла и сферы АЧЭ.

Аналитические описания функции преобразования каналов скорости и высоты получены для двух вариантов. В первом-варианте (вар. А) за выходной информативный сигнал СКП принимается энергетический параметр - квадрат его выходного напряжения. Во втором случае (вар.Б) за информативный параметр принят уровень напряжения выходного сигнала СКП. Функция преобразования исследуемых каналов получены в виде:

- для канала высоты

Зеь = агат(а, + [ (1- 1- )ц]2)"- 1 (8)

"ок •'о

- для канала скорости

6еу = (-^На^К ♦ ^ 0 )°'5 МУ]2>2- 1 (9)

Эр "о к

где а,. = гти/г„, а, - ЛТИ/ДТК, а„ = Нои/Нок, ат = Дгри/Лгрк -коэффициенты, определяемые разбросом газотермодинамических и электрических параметров измерительного и компенсационного ансмо-чувствительных элементов и параметров электрической схемы их включения.

Показано, что для вариантов А и Б выходной сигнал канала скорости в диапазоне до 100 км/ч пропорционален информативному перепаду давления Др, а в диапазоне V > 100 км/ч - произведению рДр. По каналу высоты выходной сигнал для варианта А пропорционален квадрату высоты, а для варианта Б - высоте.

В работе проведено параметрическое исследование СКП канала скорости. При этом предполагалось, что оптимальные значения параметров элементов СКП определены и требуется оценить степень влияния отклонений их значений на точностные характеристики канала. Показано, что в рассматриваемой постановке задача синтеза практически сводится к определению дисперсии выходного сигнала канала скорости при детерминированном входном сигнале и случайных вариациях параметров элементов СКП. Процесс измерительного преобразо-

вания представлялся как случайный процесс, задаваемый одномерным распределением приращений параметров элементов СКП - струйного модуля (коэффициент расхода и диаметр формирующего сопла) и АЧЗ (его сопротивление г, и режимного сопротивления гр электроизмерительной схемы его включения). Полученные результаты позволяют сделать вывод о приоритете влияния вариаций параметра В и значения сопротивления резистора гр в схеме включения АЧЭ на выходной сигнал информативного канала скорости и правильно определить перечень паспортизируемых параметров АЧЭ и обосновать технологические допуски на их изготовление.

В четвертой главе рассматривается задача обеспечения эксплуатационно-функциональных характеристик измерителя ВСП путём использования структурных методов повышения точности и надёжности.

На основе анализа влияния массива входных данных на результаты измерения измерителя ВСП, принципов его функционирования, обосновывается возможность независимого решения поставленной задачи для каждого из его каналов.

Для каналов высоты и вертикальной скорости получены уравнения для нахождения этих параметров по изменению плотности воздуха. Проанализированы источники детерминированных и случайных погрешностей и получены выражения для их определения. Суммарная динамическая погрешность оценивалась выражением: бг= бгрс+ <>%„, где б2рс- дисперсия собственной и б^- вынужденной динамической погрешностей.

Показано, что для обеспечения необходимых эксплуатационно-функциональных характеристик измерителя ВСП наиболее приемлемы такие методы повышения точности и надёжности как автокоррекция, амплитудная модуляция, комплексирование, оптимальная фильтрация. Разработаны оригинальные структурные решения каналов измерителя ВСП, реализующие эти методы (A.c. 386341, 689537,695299, 836909).

Для канала измерения параметров вектора воздушной скорости показано, что основными источниками динамической погрешности являются возмущения аэродинамического поля в местах установки АМП. На режиме малых скоростей полета они обуславливаются в основном пульсациями полного давления на входе АМП, а на режиме больших скоростей - неустойчивостью приземного слоя атмосферы. Проанализированы перспективные методы повышения эксплуатационно-функциональных характеристик каналов ВСП, предложены их структурные построения (А. С. 801712, 1149756, 1329380, 1706297, 1777468).

На основании разработанных физико-математических моделей эле-

ментов каналов измерителя ВСП и с учётом их экспериментальных исследований проведено полунатурное машинное моделирование измерителя ВСП с реализацией каналов измерения высоты и воздушной скорости по методу дифференциального, а канала по углу скольжения - уравновешивающего преобразователей. В результате моделирования получены статические и динамические характеристики измерителя ВСП при различных законах изменения измеряемых параметров и возмущающих воздействий (сдвиг ветра, температурный скачок).

Проведенные исследования, расчёты, результаты моделирования показали возможность достижения измерителем ВСП следующих метрологических характеристик. Статические погрешности: по каналу воздушной скорости ДУ = (0,39 + 0,027V) км/ч, по каналу высоты АЬ = = (3+ 0,009510м, по каналу угла скольжения Др = (0,72 + 0,01р) град. Оценка показателей переходного процесса проводилась с учётом разброса параметров основных преобразователей информативных каналов. Отмечено, что по каналу скорости при её асачкообраз-ном изменении от 0 до 50км/ч установившееся значение погрешности не превышает 1км/ч, а постоянная времени равна 0, 4с. По каналу угла скольжения при скачке в 20% установившееся значение погрешности 0, Обград., а постоянная времени х-1,3с, а при разбросе коэффициентов преобразования в 10%, значение погрешности возрастает до 0,59град. По каналу высоты на базовой высоте Ь = 0 при скачкообразном её изменении на 20м установившееся'значение погрешности не превышает 0,05 - 0,1м при постоянной времени х= 0,023с, а на базовой высоте 10 км и скачке в 100м эта погрешность не превышает 1-2м.

Иммитационное моделирование многоканального измерителя ВСП, построенного на основе панорамного АМП, позволило определить влияние разброса характеристик каналов измерительного преобразования. Показано, что он имеет аддитивную погрешность, монотонно уменьшающуюся от 2,5 град, до нуля с ростом угла скоса потока. Мультипликативная погрешность не превышает 0,5%.

Представленные результаты машинного моделирования каналов измерителя ВСП подтвердили возможность обеспечения требуемых эксплуатационно-функциональных характеристик при их реализации в соответствии с предложенными в работе структурными построениями.

В пятой главе работы представлены результаты лабораторных и трубных исследований, стендовых и натурных испытаний экспериментальных образцов измерителей ВСП и входящих в них устройств, среди которых следует выделить группу экспериментальных образцов

проточных однонаправленных АМП типа В1, В2, В5, АЭП-М, ПСД-1, ПСД-2, ПВД-К (3 образца), АЭП-300 (2 образца); группу панорамных многоканальных АМП типа МПВД-2 и МПВД-РФ; экспериментальных образцы одноканальных измерителей высоты типа ИБВ, вертикальной скорости типа ИВС-20Д, ИВС-М; многоканальные измерители и системы измерения ВСП вертолета типа СИВС, ИАП-В, всеналравленный измеритель типа ВИС-В. Исследования проводились в малоразмерной экспериментальной аэродинамической трубе (АТ) Отраслевой лаборатории "Измерительные преобразователи", в АТ ТЗ-К кафедры аэрогидродинамики КГТУ им. А.Н.Туполева, в АТ Т-103 ЦАГИ.

Анализ результатов проведенных исследований, стендовых и натурных испытаний на предприятии АО УВЗ им. Н.И.Камоаа подтверждает перспективность построения измерителей ВСП на основе сочетания проточных АМП со струйно-конвективными преобразователями и возможность расширения диапазона измерения в сторону малых скоростей до 3-5 км/ч, а по аэродинамическим углам соответственно; углу скольжения до ±180град, а по углу атаки до ±30град.

Рассмотрены перспективы совершенствования измерителей ВСП, предложены технические решения, построенные на сочетании струй-но-конвективных и ионно-меточных преобразователей, которые позволяют расширить функциональные возможности и повысить надежность измерителей ВСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований разработаны в рамках перспективных концепций варианты измерителя ВСП с расширенным диапазоном измерения параметров вектора воздушной скорости.

Обоснована необходимость комплексного подхода при решении задачи измерения ВСП вертолета.

Разработана методика и проведены исслёдования поля скоростей и давлений в неоперенной части НВ вертолета, которые позволили выработать рекомендации по предпочтительным вариантам установки АМП на вертолете.

В результате анализа перспективных концепций построения измерителей ВСП разработаны алгоритмы и предложены структурные построения предпочтительных вариантов измерителя ВСП.

Теоретические и экспериментальные исследования физико-математических моделей проточного однонаправленного и панорамного АМП подтвердили возможность повышения уровня информативности пневма-

тических сигналов и расширения их функциональных возможностей.

На основе методов активного и пассивного экспериментов решены задачи параметрического синтеза проточного однонаправленного и панорамного АМП и элементов цепей измерительного преобразования.

Используя полученные аналитические выражения функции преобразования СКП проведено имитационное моделирование и определены основные метрологические характеристики канала скорости.

Проведенные исследования задачи обеспечения эксплуатационно-функциональных характеристик измерителя ВСП подтвердило возможность ее решения на основа структурных методов повышения точности и надежности, которые реализованы в предложенных и обоснованных в работе схемах построения измерителя ВСП.

Анализ результатов полунатурного машинного моделирования каналов измерителя ВСП подтвердил обоснованность и адекватность полученных физико-математических моделей основных преобразователей и возможности их использования при решении задачи параметрического синтеза.

Лабораторные исследования, стендовые и натурные испытания, а также опытная эксплуатация в составе КЗА разработанных образцов измерителей ВСП и входящих в них элементов и устройств подтверждают возможность расширения диапазона измерения величины и направления вектора воздушной скорости вертолета.

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных работах :

1. Ференец В. А.. Хорьков В. П., Порунов A.A., Киселев М. И. К расчету статических характеристик термоанемометрического преобразователя. - Рукопись депонирована в ЦНИИТЭИ Приборостроения, 1974, ДР N146, 5с.

2. Порунов А. А., Сапаров И. Б., Ференец А. В. Электронные каналы измерителей аэрометрических параметров. - В сб.: Новые электронные приборы и устройства, - М.: МДНТП, 1982, с. 63-69.

3. Порунов А. А., Тепанов Ю. А. Электрические схемы замещения аэрометрических преобразователей. - Межвузовский сборник "Электрооборудование летательных аппаратов", Казань, 1982, с. 108-113.

4. Хорьков В. П., Порунов A.A., Солдаткин В. М., Ференец В. А. Об измерении аэродинамических параметров летательных аппаратов. - В кн.: Теория информационных систем и устройств с распределенными параметрами: Тезисы докладов II Всесоюзного симпозиума, ч. I, Уфа,

1974, С. 171-172.

5. A.c. N 655205 МКИ G01P5/00. Термоанемометрический высотомер. /В. П. Хорьков, В. А. ференец, А. А. Порунов - 1979. ДСП.

6. A.c. N 689462 МКИ G01P5/12. Устройство для измерения высоты и составляющих скорости летательного аппарата. /В.А. Ференец, А. А. Порунов, Н.С. Порунова. - 1979. ДСП.

7. A.c. N 1132682 МКИ B64D43/02. Измеритель высотно-скоростных параметров./Порунов A.A., Гончаров Н. И., Сапаров И. Б.. Захарова Н.С. - 1984.ДСП.

8. Сапаров И.Б., Порунов A.A. Оценивание параметров аэрометрических систем.- В кн.: V Всесоюзная конференция по управлению в механических системах: Тезисы докладов, Казань, 1985, с. 22.

9. Порунов А. А., Альперович В. Б., Гончаров Н. И., Сапаров И. Б., Персон Л.Г. Повышение безопасности полетов вертолетов на основе многоканального измерителя аэрометрической информации.- Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов "Безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта", секц.8 "Аэродинамика и динамика полета", Ленинград, ОЛАГА, 1985, С. 54-55.

10. Порунов A.A., Гончаров Н.И., Сапаров И. Б., Ференец В. А. Оценка информативности аэродинамического поля одновинтового вертолета. - Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов "Безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта" секц.8 "Аэродинамика и динамика полета", Ленинград ОЛАГА, 1985, с.54.

11. Порунов A.A., Садыков A.A. Флюгерный измеритель пилотажные параметров, - В кн.: Тезисы докладов II Всесоюзной конференцм "Системы автоматического управления летательного аппарата", 301-287-107. с. 77.

12. Порунов А.А. Компланарный аэрометрический зонд для измерения кинематических параметров газового потока. - В кн.: Тезись Республиканского научно-технического семинара "Машинные методы е задачах механики, устойчивости и управления", Казань. 1990. с. 48.

13. Порунов А. А., Солдаткин В. М. Проблемы и перспективы аэрометрии воздушных потоков в приземном слое атмосферы. - В межвузовском сб.: Элементы и системы электрооборудования летательны; аппаратов (КАИ), 1991. с.84-100.

14. Порунов A.A., Бердников A.B. Компланарный аэрометрически; зонд для измерения кинематических параметров воздушного потока. -В межвузовском сб.: Элементы и системы электрооборудования лета-

тельных аппаратов (КАИ), 1991, с. 75-84.

15. Порунов A.A., Бердников A.B. Измеритель параметров ветра с процессорной обработкой выходных сигналов.- В сб.: Периферийные устройства ЭВМ и систем.Материалы семинара-М.: МДНТП, 1991, с. 123-12В.

16. Порунов А. А., Копырина А.М. Проточный струйно-конвективный преобразователь малых перепадов давления. - В кн.: Тезисы докладов к Всесоюзной НТК "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления". 1992. Пенза, 1992, с. 28-30.

17. Порунов A.A., Солдаткин В.М., Бердников A.B. Всеналравлен-ная система измерения параметров вектора воздушной скорости экра-ноплана. - В кн.: Тезисы докладов Первой международной конференции по экранопланам, 25-27 мая 1993, Иркутск, 1993, с. 75-77.

18. Порунов A.A., Танеев 4>. А., Солдаткин В. М. Струйно-конвек-тивный преобразователь параметров газовой среды с меточным измерительным каналом. - В кн.: Тезисы докладов МНТК "Датчики и преобразователи информации и систем измерения, контроля и управления (Латчик - 93)", часть 2, Гурзуф, май, 1993, с. 260-261.

19. Порунов A.A. Аэрометрические преобразователи воздушных сигналов с расширенными функциональными возможностями.- В кн.: Гсзисы докладов НТК по итогам работы за 1992/93 НИЧ-50,1994, с. 108.

20. Порунов A.A. Некоторые возможности инструментальной и алгоритмической коррекции информативных сигналов измерителей аэрометрических параметров. - В кн.: Тезисы докладов НТК по итогам работы за 1992/93 НИЧ-50, 1994, С. 115.

21. Порунов А. А. Принципы и схемы структурного построения измерителей воздушных сигналов вертолета. - В кн.: Тезисы докладов Ш по итогам работы за 1992/93 НИЧ-50, 1994, с. 121.

22. Порунов А. А., Бердников А. В., Танеев Ф. А., Солдаткин В. М. Система воздушных сигналов с ионно-меточным и аэрометрическим кашами. - В кн.: Тезисы докладов НТК по.итогам работы за 1992/93 ТО-50, 1994, с. 111.

23. Танеев Ф. А., Порунов А. А., Солдаткин В. М. Новые методы и средства измерения высотно-скоростных параметров летательных ап-1аратов. - В кн.: Тезисы ВНТК с участием зарубежных специалистов 'Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля ) управления" (Датчик-94) часть I. Гурзуф, май, 1994, с. 92-93.

24. Порунов A.A. Теоретическое и экспериментальные исследова-шя многоканального аэрометрического преобразователя. - В кн.: Те->исы ВНТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобра-

зователи информации и систем измерения, контроля и управления" (Датчик-94) часть I. Гурзуф, май, 1994, с. 185-186.

25. Порунов А.А. К вопросу параметрического синтеза аэрометрического преобразователя. - В кн.: Тезисы ВНТК "Техническое обеспечение создание и развитие воздушно-транспортных средств (экраноп-ланов и сверхлегких летательных аппаратов), Казань, 1994, с.100.

26. Порунов А. А. Цифровое моделирование информативных каналов измерителя аэрометрических параметров.- Тезисы докладов международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении (Модель-проект 95) Казань, 1995.- с. 121.

27. Порунов А.А. Результаты исследования и разработка пневматического функционального элемента проточного типа. - Тезисы докладов НТК "Факультету Автоматики и электронного приборостроения -45 лет". Казань, 1996,- с. 46.

28. Олин В. Н., Порунов A.A., Садыков A.A., Солдаткин В. М., Фе-ренец В.А. Трубные и натурные испытания проницаемых и проточны* приемников давления для средств бортовых измерений. НТК "0 путя> повышения эффективности летных испытаний авиационной техники, 1988. ч. 2. филиал ЛПИ им. М. М. Громова, 1989. с. 436-438, ДСП.

29. Порунов A.A., Садыков A.A., Солдаткин В. М., Ференец В. А. Анализ средств бортовых измерителей аэрометрических параметроЕ вертолета. - В сб.: Электрооборудование летательных алпаратоЕ (КАИ) 1990. с. 73-80.

30. Порунов А.А. Летные испытания термоанемометрического измерителя параметров вертолета. - В сб.: Материалы НТК "Вопросы повышения эффективности трассовых испытательных комплексов, автоматизация обработки материалов летных испытаний и исследований ш крупно-масштабных летающих моделях. 1990. ЛИИ им. М. М. Громова, ДСП.

31. Порунов A.A., Олин В.Н. Результаты летных испытаний экспериментальных образцов приемников воздушного давления для систе» воздушных сигналов вертолета. - В сб.: Материалы НТК "Вопросы повышения эффективности трассовых испытательных комплексов, автоматизация обработки материалов летных испытаний и исследований Не крупно-масштабных летающих моделях. 1990. ЛИИ им. М. М. Громова, ДСП.

32. Порунов А. А., Бердников А. В., Солдаткин В. М. Всенаправлен-ная система измерения аэрометрических параметров вертолёта.- I кн.: Тезисы докладов НТК за 1992/ЭЗг. НИЧ-50, 1994г. с. 117.