автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта

На правах рукописи

СОЛДАТКИН ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОДВИЖНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО

АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА И ИНФОРМАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВИХРЕВОЙ КОЛОННЫ НЕСУЩЕГО ВИНТА

Специальность 05. 11. 16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 0 КАР 2014

Казань 2013

005546095

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ).

Научный консультант: доктор технических наук, лауреат премии Правительства

Российской Федерации в области науки и техники, заслуженный конструктор Российской Федерации Макаров Николай Николаевич.

Официальные оппоненты: Кузнецов Алексей Григорьевич,

доктор технических наук, генеральный директор ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики», г. Москва.

Лебедев Георгий Николаевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Системы автоматического и интеллектуального управления» ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва. Мишин Валерий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск.

Ведущая организация: Институт проблем точной механики и управления

Российской академии наук, г. Саратов

Защита состоится «15» апреля 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. 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 ВАК: http://vak.cd.l:ov.m',l^^lMisscrtatioll./tccl^nicnl/scicncc^/.

Автореферат разослан « 3 » марта 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета " (¿-/"Г,— Бердников Алексей Владимирович

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. Повышение безопасности полетов и эффективности применения вертолетов имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

Полет вертолета происходит в приземном возмущенном слое атмосферы и для его выполнения в инструментальном и автоматическом режимах пилотирования необходима информация о высотно-скоростных параметрах (ВСП), определяющих движение относительно окружающей воздушной среды и получивших название воздушных сигналов. Наличие достоверной информации о барометрической высоте, приборной скорости, величине и составляющих вектора истинной воздушной скорости, углах атаки и скольжения позволяет наиболее полно использовать летно-технические и боевые возможности вертолетов, повысить качество управления, обеспечить безопасность полета при взлете, при полете на предельных режимах, при посадке на ограниченные площадки и в условиях плохой видимости, предотвратить такие нештатные ситуации как «явление подхвата», попадание в режим «вихревого кольца», выход на границу максимально-допустимой приборной скорости.

При выполнении строительно-монтажных, погрузочно-разгрузочных, поисково-спасательных работ и применении высокоточного оружия воздушные сигналы необходимо измерять на околонулевых скоростях вплоть до режима висения при изменении угла скольжения вертолета в диапазоне ±180°.

Большой вклад в разработку и применение средств измерения высотно-скоростных параметров вертолета внесли: Е.С. Вождаев, М.А. Головкин, А.Н. Петунин (ЦАГИ), А.И. Акимов, В.П. Бутов, Е.Г. Харин, С.Г. Пушков (ЛИИ), Б.М.Абрамов, Г.Е. Бельфор, Б.В.Лебедев (НИИАО), С.П.Крюков, А.Г. Кузнецов (МИЭА), Э.А. Петросян, Ю.Г. Соковиков (УВЗ), А.И. Птицин, А.Н. Иванов (МВЗ), В.Г. Кравцов, А.К. Панкратов, Н.В. Алексеев (Аэроприбор-Восход), H.H. Макаров, В.К. Козицин (УКБП), Ю.М. Игнатин, В.И. Соболев

(МАИ), В.А. Ференец, В.М. Солдаткин, A.A. Порунов (КНИТУ-КАИ), Н.Г. Федоров, В.А. Мишин, И.П. Ефимов (УлГТУ) и другие отечественные ученые и специалисты. Среди зарубежных исследователей следует отметить J.P. Arethens, J.T. Auderes, P.G. Beraud, S. Coule, D.F. Daw, T.A. Egolf, H. Favre, R.B. Grau, J. Kaletka, N.M. Komerach, C.G. Knight, S.G. Lion, P.E. Lorber, H.B.Miller, V.E. Neredka, W.Johnson, R.P.Smith, P.E. Sheridian, F.A. Summerling, T.L. Tompson, G. Yamauchi и др.

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 расположенных на фюзеляже приемников аэрометрической информации. При этом способность вертолета совершать движение как вперед и назад, так и вправо и влево, а также необходимость устойчивого измерения в диапазоне малых и околонулевых скоростей и на режиме висения, в широком диапазоне изменения углового положения вектора воздушной скорости ограничивают применение на вертолетах известных 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.

Предмет исследования. Широкими возможностями по обеспечению панорамного (в плоскости рыскания) и всенаправленного (при трехмерном изменении положения продольной оси вертолета) измерения высотно-скоростных параметров вертолета, в том числе в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета и на режиме висения при сравнительно простой конструкции обладает СВС-В, построенная на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника, расширение нижней границы рабочих скоростей которой обеспечивается за счет использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета в условиях сильных аэродинамических возмущений несущего винта.

Проблема научного исследования заключается в разработке теоретических основ построения, методов системного проектирования и исследования системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Решение поставленной проблемы проводилось по следующим основным направлениям:

• Анализ проблемы измерения высотно-скоростных параметров вертолета в области малых и околонулевых скоростей полета и обоснование перспективности построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника (АМП) и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

• Разработка теоретических основ построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

• Разработка математического описания и алгоритмического обеспечения СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Анализ погрешностей и разработка способов повышения точности вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Разработка комплексной СВС-В на основе аэрометрических и аэромеханических измерительных каналов с наблюдателем Люэнбергера, методик моделирования, анализа и синтеза комплексной системы.

• Разработка и экспериментальные исследования вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Обобщение результатов исследования в виде методологии построения, системного проектирования, исследования и применения СВС-В на основе не-

подвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Методы исследования: При решении поставленной проблемы научного исследования использовались методы прикладной аэродинамики и теории измерений, теории управления и измерительных преобразователей, методы математического моделирования, анализа и синтеза каналов информационно-измерительных систем при детерминированных и случайных воздействиях, методы комплексирования, имитационного моделирования и экспериментального исследования, вероятностно-статистической обработки результатов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке нового подхода к построению, методов проектирования и исследования нового класса системы воздушных сигналов вертолета, содержащих совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:

1. Новый подход и теоретические основы построения системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

2. Разработанные принципы построения, математическое описание, методы анализа и параметрического синтеза неподвижного многофункционального АМП первичной информации.

3. Разработанные математические модели и алгоритмы обработки информации измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

4. Алгоритмический и структурный методы повышения инструментальной точности измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника.

5. Разработанные особенности построения, математические модели, алгоритмы и методики моделирования, анализа и синтеза комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета на основе разработанной аэрометрической системы и аэромеханической измерительно-вычислительной

системы с наблюдателем Люэнбергера.

6. Разработанные особенности построения, модели, алгоритмы и требования к датчикам первичной информации аэрометрического канала стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета, построенного на основе неподвижного многофункционального АМП.

7. Разработанные методики экспериментального исследования вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

8. Обобщение результатов исследования в виде научно-обоснованной методологии построения, проектировании и исследования нового поколения конкурентоспособной СВС-В с повышенной точностью измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета и на режиме висения.

Практическая ценность работы. Работа выполнялась в соответствии с заданиями ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001 -2010 г.г. и на период до 2015 года» в рамках совместных НИОКР Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ, ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» и ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко».

Основными результатами, определяющими практическую ценность работы являются:

• Научно обоснованная техническая разработка конкурентоспособной СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, направления ее совершенствования и развития.

• Методика синтеза конструктивных параметров и алгоритмы обработки информации СВС-В с учетом кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной аэрометрической информации, обусловленной вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием неподвижного многофункционального АМП.

• Методики анализа статических и динамических погрешностей каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Схемотехническая и конструктивная реализация вариантов системы, рекомендации по повышению точности определения высотно-скоростных параметров вертолета за счет реализации конструктивно-технологических методов, алгоритмической коррекции погрешностей и автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.

• Алгоритмическое и программное обеспечение, результаты имитационного моделирования, трубных исследований и натурных испытаний экспериментальных и опытных образцов, рекомендации по изготовлению, применению и совершенствованию вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Достоверность полученных научных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза информационно-измерительных систем, на проведении имитационного моделирования, согласованности результатов моделирования, трубных исследований и натурных испытаний экспериментальных образцов системы, а также на опыте внедрения и использования полученных научно-технических результатов.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при разработке базового варианта СВС-В с неподвижным многофункциональным АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, на ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко при разработке вариантов малогабаритной навигационной системы на базе магнитоинерциального датчика курса и аэрометрического канала счисления пути, при разработке аэрометрического канала стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных па-

раметров одновинтового вертолета. Результаты исследования использованы при выполнении госбюджетной НИР по проекту 6100 «Разработка теории и методов проектирования панорамной и всенаправленной системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального приемника давлений» Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)», при выполнении НИР «Разработка системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта» по гранту №14.В37.21.1858 от 04.10.2012 г. победителя конкурса Минобрнауки России 2012 года по НИР, выполняемых под руководством кандидата наук, а также при выполнении хоздоговорных НИР. Ряд полученных результатов внедрен и используется в учебном процессе Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева - КАИ при подготовке инженеров по специальности «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

На защиту выносятся:

1. Научно обоснованная техническая разработка конкурентоспособной СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, методология построения, проектирования и исследования системы.

2. Методология формирования и использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта в СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

3. Математические модели и алгоритмическое обеспечение каналов системы с учетом кинематических, индуктивных и аэродинамических искажений первичной информации, обусловленных вращением вертолета, индуктивными потоками несущей системы и обтеканием неподвижного многофункционального АМП.

-84. Принципы построения, математическое описание, методы анализа и параметрического синтеза неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП.

5. Методики анализа погрешностей и синтеза каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП по точностным критериям при детерминированных и случайных воздействиях, методы уменьшения методических и инструментальных погрешностей за счет конструктивно-технологических мероприятий, использования алгоритмической коррекции, реализация адаптивной автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, реализации принципов комплексирования и оптимальной фильтрации.

6. Схемное и конструктивное построение, методы инженерного проектирования, моделирования и экспериментального исследования, результаты трубных и натурных испытаний вариантов системы, опыт внедрения и пути совершенствования СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на III Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002 г.), на II Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии» (С-Петербург, 2002 г.), на 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы измерений» (Москва, 2002 г.), на XIV, XV и XVI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2002 - 2004 г.г.), на 3, 4 и 5 Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва, 2004-2007 г.г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2004 г.), на XIV, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XX, XXI, XXII Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2005 -2013 г.г.), на Международных научно-технических конференциях «Приборостроение» (Ялта - Винница, 2004,

-92005 г.г.), на Международных научно-практических конференциях «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006, 2008 г.г.), на Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2008 г.), на V Международной научно-практической конференции «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2010 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011, 2013 г.г.), на Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии» (Орел, 2011 г.), на XXXVII и XXXVIII Всероссийских конференциях по управлению движением кораблей и специальных подводных аппаратов» (Адлер,

2011 г., Таганрог, 2012 г.), на Первой Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового персонала -ключевое звено в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения» (Казань,

2012 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и решения построения приборов и систем ориентации, навигации и управления подвижными объектами» (Тула, 2012 г.), на III Международной научно-практической конференции «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: Актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» (Ульяновск, 2012 г.), а также на НТС ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (2005 - 2013 г.г.) и на заседаниях кафедры приборов и информационно-измерительных систем Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева — КАИ (2005- 2013 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 85

печатных работах, в том числе в монографии и 6 книгах, 22 статьях в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 статьях в других изданиях, 35 материалах и 6 тезисах докладов. На предложенные технические решения получены 10 патентов на изобретения и полезные модели.

Личный вклад автора заключается в разработке методологии построения, системного проектирования и исследования нового класса СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, с повышенной точностью и расширенной нижней границей рабочих скоростей полета, а также принципов формирования и использования аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, особенностей построения и проектирования неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП, новых схем, технических решений, алгоритмов и математических моделей каналов системы, методик анализа статических и динамических погрешностей и методов повышения инструментальной точности за счет алгоритмической коррекции квазистатических погрешностей, адаптивной автоматической подстройки пневмоэлектрических измерительных каналов, комплек-сирования аэрометрической системы с аэромеханической измерительно-вычислительной системой с наблюдателем Люэнбергера, методик инженерного проектирования, изготовления, моделирования, экспериментального исследования и натурных испытаний вариантов системы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения семи глав, заключения. Основное содержание диссертации изложено на 440 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 119 рисунков. Библиография включает 181 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, объект и предмет исследования, сформулированы цель работы и научная проблема 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 проблема измерения высотно-скоростных параметров вертолета с учетом возмущений, вносимых индуктивными потоками вихревой колонны несущего винта.

Обоснованы требования и особенности получения информации о высот-но-скоростных параметрах вертолета при малых скоростях полета, когда приемники первичной аэрометрической информации находятся в зоне вихревой колонны несущего винта.

Проведена систематизация СВС-В по концепции построения, по типу и конструкции приемников аэрометрической информации, по типу преобразователей первичных информативных сигналов, по способу обеспечения точности и помехоустойчивости.

Показано, что перспективным направлением повышения надежности и расширения нижней границы рабочих скоростей в область малых и околонулевых скоростей и на режим висения является построение СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта (патент РФ на полезную модель № 55479, патент РФ на изобретение № 2307357), создание которой предусматривает разработку научно-обоснованной методологии построения, проектирования и исследования системы, что определило постановку научной проблемы данной диссертации.

Во второй главе раскрываются теоретические основы построения СВС-В на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Анализ аэродинамического поля вертолета и распределения давления вдоль фюзеляжа вертолета показал, что предпочтительной зоной установки на фюзеляже приемников аэрометрической информации набегающего воздушного

потока является зона, соответствующая отношению расстояния х от передней кромки к длине Ь фюзеляжа в интервале х/Ь = 0,23...0,35. При этом восприятие аэрометрической информации сопровождается воздействием аэродинамических возмущений, которые при малых скоростях полета, когда планер вертолета находится в створе вихревой колонны несущего винта вертолета носят регулярный характер, что является важной предпосылкой использования информации аэродинамического поля вихревой колонны для измерения высотно-скоростных параметров вертолета на малых и околонулевых скоростях и на режиме висе-ния.

Показано, что вектор скорости Ух результирующего воздушного потока вихревой колонны, воспринимаемый приемником аэрометрической информации, можно представить в виде трех составляющих: стационарной составляющей У, обусловленной поступательным движением вертолета относительно воздушной среды, стационарной составляющей индуктивного потока и воздушного потока за счет тяги несущего винта и флуктуационной составляющей Уф > обусловленной маховыми движениями лопастей и работой автомата перекоса и приводящей к пульсациям углов авк и РЙА- скоса вихревой колонны в интервале ± 2...3 угл.град. Круговые частоты а>ф флуктуационных составляющих Уф1 вектора Уф кратны произведению Л^сон числа лопастей Ыл и угловой скорости юи вращения несущего винта, поэтому вектор Уф флуктуационной

составляющей вектора скорости УЕ результирующего воздушного потока вихревой колонны может быть выделен и в значительной степени отфильтрован от составляющих V и У/ в каналах СВС-В. Поэтому в качестве информативного параметра аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта предлагается использовать вектор скорости УТ=У + У. результирующего воздушного

потока в виде геометрической суммы вектора скорости У воздушного потока, формируемого при движении вертолета относительно окружающей среды, и

вектора скорости У1 воздушного потока, создаваемого несущим винтом.

Для восприятия информативного параметра аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта предложено (патент РФ на полезную модель № 94346, патент РФ на изобретение № 2426995) использовать расположенный в вертикальной плоскости неподвижный аэрометрический приемник в виде осе-симметричного тела, например, сферы, установленный на фюзеляже в зоне действия вектора скорости результирующего воздушного потока вихревой колонны, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Восприятие информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта неподвижным АМП

С помощью отверстий-приемников 2-7, расположенных на верхней поверхности аэрометрического приемника 1, воспринимаются полное Р1]Ъ и статическое РС7Х давления результирующего воздушного потока вихревой колонны и давления РХ,Р2 и Р3,Р4, определяющие угловые положения ф, и <р2 вектора скорости У^ относительно осей связанной с вертолетом системы координат. Получено соотношение для пространственного угла скоса фя результирующего воздушного потока вихревой колонны, проекции ф, и ф2 которого определяют угловое положение вектора скорости результирующего воз-

душного потока вихревой колонны несущего винта с учетом места установки и влияния углов сся0 и ряо начальной ориентации неподвижного АМП вида

Ф// =arccos[cos (90° - ф,) cos ая0 cos(90° - ф2) cos р//0 + + sin(90° - ф!) sin а яо cos(90° - ф2) cos ряо + sin(90o-q>2)sinp/ro]. (1)

Углы ф; и ф2 положения вектора УЕ относительно осей приемника определяются соотношениями

1

ф, =— arcsin 2

f . „ ^ л

2_

У

4_ Pt~P.

Рт. Реп. ,

1 ( 4 Р -Р Л ( )

Ф2 =—агевт--2-4—

2 ^9^2(ф„К2)5т2ф02 Рт-РС1Х)

где К1{ц2,Уг)=Кпсо5<$22+КпУЕ, К2(Ф1 ,УЕ) = К21 созф^ + К22Уг - коэффициенты, учитывающие взаимное влияние углов ф, и ф2 на распределения давлений />1,Р2 и Р3,Р4; Кп, Кп, К2Х и К22 - определяются при тарировке АМП в аэродинамической трубе.

Поскольку неподвижный АМП расположен на фюзеляже на определенном радиус-векторе Я(х,у,г) от центра масс вертолета, то при вращении вертолета относительно центра масс имеет место кинематическое искажение вектора скорости У воздушного потока, обусловленное движением вертолета относительно окружающей среды, которое определяется уравнениями

УК=УВ+^Я; Укх=Ух+(а 2-о>хуУ,

(3)

Ку = Уу+ - УК2 =Уг+ (соху - (0ух),

где Ук - кинематически искаженный вектор скорости набегающего воздушного потока в месте установки АМП; ю(сзх, ау, ) - вектор угловой скорости вращения вертолета относительно центра масс; сах,(ау,а)г - угловые скорости

вращения вертолета относительно осей связанной системы координат; х,у,г-координаты места установки АМП в связанной системе координат, центр которой находится в центре масс вертолета.

Получены алгоритмы вычисления высотно-скоростных параметров вер-

толета по информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, воспринимаемой неподвижным АМП (патент РФ на полезную модель № 100279, патент РФ на изобретение № 2427844).

Величина (модуль) вектора скорости Уъ и плотность р2 результирующего воздушного потока вихревой колонны определяется как

Рх =

7Х

/ 285714285

Рщ. ~Реп. | }

ч ^сга

-1

3,840034-10"

Гр _р Л0,285714285 '

ПТ. "сл. | 1 р

V гсп )

(4)

СП

287,05287 Тг

Рщ: Реп ] |

чО,2857143

где Тть — температура торможения результирующего воздушного потока, в градусах Кельвина; - в км/ч.

Составляющие Ух,Уу,Уг и величина Ув вектора Ув истинной воздушной скорости, углы атаки а и скольжения (3 вертолета, статическое давление Рн, температура наружного воздуха Тн, плотность ря, барометрическая высота// и приборная скорость Упр определяются в соответствии с соотношениями вида:

Ух=Угзт

1

—агевш

2

Р\~Рг

Рщ. Рстх

хсов

-агсБШ

рз-р4

Рщ. Реп.

Уу = Ут С05

—агсБт 2

Рх-Рг

Рщ. Реп

ХСОБ

—агсБт 2

Р3-Р4

9К2 (ф), ) вт 2ф02 Рщ. Реп

(5)

У7=Ухз т

-агскт

Р3-Р4

Рщ. Реп)

-^ИоИю^-оус);

№+Уу2+У?

= агс5т-

Рц — Реп: Кр

РЛ2 .

Набс = Я = — X

1-

Ря=Ро^; Рти=0,5рнУв2;

Р

дин

где Р0 и Т0 - абсолютное давление и температура воздуха на уровне моря; Я и к - удельная газовая постоянная и показатель адиабаты для воздуха; К\ - модуль вектора индуктивной скорости несущего винта вертолета на режиме висения; т - температурный градиент.

Раскрывается методика уточнения алгоритмов обработки информации по результатам летных испытаний СВС-В с учетом конкретного места установки неподвижного многофункционального АМП на фюзеляже конкретного типа вертолета на основе регрессионного анализа полетных данных и интегральной компенсации остаточных погрешностей многофункционального АМП на всех режимах полета.

Рассмотрена методика и обоснованы требования к метрологическим характеристикам датчиков первичной информации измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

Показано, что погрешности АДПД датчиков перепада давлений связана с

погрешностью Дер измерения углов ф1 и ф2 положения вектора скорости Уг результирующего воздушного потока соотношением

>дпд <0,0785 ^Дф.

Дтя<0,0785^-^Дф. (6)

Погрешность Д дсд датчика статического давления Рстх, определяющая

погрешность ДЯ измерения барометрической высоты, должна удовлетворять соотношению

Ддсд<4,17аО^™ДЯ.

(7)

Требования к погрешности ДДПДа датчика перепада АРа давлений, пропорциональных местному углу атаки а, можно оценить соотношением

ДДОДа<0,0785^^Дсс, (8)

где Да - допустимая погрешность измерения угла атаки.

В третьей главе раскрывается методология построения и проектирования неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника.

На рисунке 2 приведена конструктивная схема неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника (патент РФ на изобретения № 2427844).

Для восприятия информативных параметров вектора скорости набегающего воздушного потока ¥в плоском проточном канале, сформированным двумя профилированными дисками 2 и 3, в плоскости рыскания под одинаковым углом ф0 установлены трубки полного давления 4, воспринимающие давления Р^по которым в соответствии с определенными алгоритмами обработки вычисляются величина Ув истинной воздушной скорости и угол скольжения р в диапазоне ±180°. При этом в проточном канале за счет эффекта дросселирования в профилированном канале и торможения потока обеспечивается усиление скоростного напора, воспринимаемого трубками полного давления 4.

Другим важным достоинством проточного приемника является возможность получения информативного сигнала по дросселированному статическому давлению Рстл непосредственно в проточном канале приемника с помощью кольцевой щели 6, по которому определяется барометрическая высота полета.

Для получения информации по углу атаки а на поверхности конфузора

Рис. 2. Конструктивная схема неподвижного многофункционального АМП

проточного приемника под углом 0О расположены отверстия 5 для забора давлений РаХ и Ра2, по которым формируются информативные сигналы по углу атаки а, независящие от скоростного напора набегающего воздушного потока.

Для получения информации о высотно-скоростных параметрах вертолета в области малых и околонулевых скоростях полета, когда неподвижный многоканальный проточный приемник 1 находится в створе вихревой колонны несущего винта вертолета, на наружной поверхности верхнего экранирующего диска 3 установлен дополнительный аэрометрический приемник.

В целях уменьшения аэродинамических искажений дополнительный приемник выполнен в виде полусферы с диаметром, равным диаметру верхнего экранирующего диска, которая установлена непосредственно на его внешней поверхности. На верхней поверхности полусферического приемника на оси симметрии расположено отверстие 8, являющееся приемником полного давления Рт. результирующего воздушного потока вихревой колонны несущего винта. В плоскости, параллельной плоскости симметрии вертолета под углом ф01 к оси симметрии на поверхности полусферического приемника симметрично расположены отверстия 9, являющиеся приемниками давлений Р{ и Р2. В плоскости перпендикулярной плоскости симметрии вертолета симметрично под углом ф02 к оси симметрии на верхней поверхности полусферического приемника расположены отверстия 10, являющиеся приемниками давлений Р3 и Р4. Перпендикулярно оси симметрии полусферического приемника на его поверхности по окружности расположены отверстия 11, объединенные в общий канал приемника статического давления PCJZ результирующего набегающего воздушного потока вихревой колонны.

Совместно с A.A. Поруновым разработана методика параметрического синтеза неподвижного многоканального проточного приемника, в основу которой положена разбиение приемника на модули, выделение доминирующих факторов (конструктивных форм и параметров) каждого модуля, декомпозиция целевой функции на частные критерии, соответствующие выделенным моду-

лям, и исследование чувствительности частных критериев к вариациям доминирующих факторов.

Сложность получения аналитических решений задачи параметрического синтеза неподвижного многоканального проточного приемника обусловливает необходимость использования метода планирования эксперимента для определения рациональных конструктивных параметров его модулей. Обоснована структура матрицы планирования эксперимента по каналам скорости, угла скольжения и угла атаки. Анализ результатов экспериментальных исследований модулей неподвижного многоканального проточного приемника в интервалах рационального варьирования их конструктивных параметров позволил обосновать выбор предпочтительных (рациональных) значений конструктивных параметров конфузора (диаметра входной кромки Бвх модуля сужающего р /

канала т = у-р , длины конфузора Ьк, внутреннего радиуса Ят, наружного радиуса Янар), модуля восприятия давлений Р^,Рст д,Ра1 (осевой координаты установки щели отбора дросселированного статического давления ху, ширины щели Ьу, осевой координаты отбора полного давления хР, осевой координаты приемных отверстий по углу атаки ха, диаметр приемного отверстия трубки полного давления с1Р, диаметра с1а приемного отверстия по углу атаки) в единицах минимального значения размера проточного канала <Л.

Разработана методика выбора конструктивных параметров приемника аэрометрической информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта: диаметра йс сферы или полусферы, диаметра Бц и длины 1Ц цилиндрического основания, диаметров ¿п,с11,с1с1 отверстий для забора давлений Р1[ъ,Г\ и Р2, Ръ и Р2, РС1Ъ, углов ф01,ф02 и ф03 расположения отверстий для забора давлений Р, и Р2, Ръ и Р2, РСТТ.

Проведены экспериментальные исследования характеристик неподвижного многоканального проточного приемника типа МПВД-В2 в аэродинамической трубе ЦАГИ ТЮЗ, которые подтверждают достоверность разработанных

моделей информативных сигналов и рекомендаций по рациональному выбору его конструктивных параметров. Как показали исследования, в диапазоне скоростей воздушного потока 15...55 м/с погрешность измерения величины скорости при отсутствии скольжения не превышает ±0,5%, при изменении угла скольжения в диапазоне ±180° - возрастает до ±1,6%. Погрешность измерения угла скольжения в указанных рабочих диапазонах не превышает ±0,5°. При изменении угла скольжения в диапазоне ±180° значение коэффициента восстановления статического давления Х^д = -0,3 ± 0,08.

В четвертой главе раскрываются методы метрологического анализа и способы повышения инструментальной точности системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника.

При допущении, что составляющие статической погрешности системы некоррелированы между собой, получены соотношения для систематических и случайных погрешностей измерения высотно-скоростных параметров вертолета и функций влияния на них погрешностей измерения первичных информативных параметров, входящих в алгоритмы их вычисления, например, для дисперсии случайной погрешности по каналу продольной воздушной скорости V вида

с«^ =

í о Л

/ctecos<Pi coscp2

Р sVzñiz

2 / \2

1 APn-

COS ф[ COS ф2 ) 2

J ^ +

Vj-coscp.costp, Y 2 / тг • ч2 2

от A7Í

+ (-rEsin<p1cos<p2) аДф1 +

£

+ (~VL cos ф, sin <р2 )2 aiP2 + z2aiúy + /а^ + а2обр, (9)

где a2&j - дисперсии погрешностей измерения у'-го информативного параметра; стобР ~~ дисперсия погрешности канала обработки.

Проведен анализ влияния разброса и нестабильность характеристик пневмоэлектрических, в частности термоанемометрических измерительных каналов на инструментальную погрешность определения высотно-скоростных

параметров вертолета. Получены соотношения для оценки инструментальных погрешностей каналов, позволяющие обоснованно проводить выбор пневмо-электрических преобразователей измерительных каналов СВС-В.

Разработана методика оценки динамических погрешностей каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП при типовых детерминированных законах изменения контролируемого параметра и при стационарных случайных воздействиях, позволяющая обоснованно решать задачи фильтрации помех и оптимизации конструктивных параметров системы.

Предложена методика алгоритмической коррекции инструментальных погрешностей каналов СВС-В, обусловленных технологическим разбросом конструктивных параметров неподвижного многофункционального АМП и пневмоэлектрических измерительных каналов. Получены корректирующие функции, уменьшающие температурные погрешности каналов. Проведена оценка остаточных инструментальных погрешностей системы, которые по каналам истинной воздушной скорости, барометрической высоты, углов атаки и скольжения определяются среднеквадратическими значениями аАУ = 4,6...4,7км/ч, аш ='5...6м, аДа = 0,3...0,5°, стдр = 0,6...0,8°.

Для снижения инструментальных погрешностей предложена оригинальная схема СВС-В с автоматической подстройкой пневмоэлектрических измерительных каналов с адаптивным управлением периодичностью автоподстройки (патент РФ на полезную модель № 41875).

В пятой главе раскрываются принципы построения, алгоритмы функционирования, методы анализа и синтеза комплексной системы воздушных сигналов вертолета, обеспечивающей измерение ВСП на режиме висения.

В качестве комплексируемого канала СВС-В в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета и на режиме висения предложено использовать аэромеханическую измерительно-вычислительную систему, реализующую метод У1М1, дополненную наблюдателем Люэнбергера. Получены алгоритмы функционирования аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости на основе

уравнений баланса действующих на вертолет одноосной схемы сил тяги, аэродинамических и инерционных сил. При этом использование наблюдателя Лю-энбергера позволяет на основе математической модели движения вертолета по достаточно точно измеренным параметрам его текущего состояния (положение органов управления, угловые скорости вращения относительно центра масс, углы крена и тангажа, путевая скорость) определить контролируемые параметры состояния динамического объекта - продольную, поперечную и вертикальную составляющие вектора истинной воздушной скорости.

На установившихся режимах полета в уравнениях движения вертолета отсутствуют производные. При наличии ошибок модели вертолета, т.е. при А = А + АА и В - В + АВ в уравнение наблюдателя вводят корректирующую функцию /(АХ) = ААХу + АВ1/у, определяющую отклонение от установившегося режима, определяемого вектором состояния Ху и вектором управления и . Наблюдатель Люэнбергера, несмотря на ошибочное моделирование движения вертолета, на установившемся режиме полета работает без погрешности АХ получаемой оценки X, т.е.

АХ = АХ + Ви + КС(Х-Х)-/(АХ) = 0, (10)

где А, В, Си К- матрица системной характеристики вертолета, матрица управления, матрица измерительной системы и матрица усиления наблюдателя Люэнбергера.

Следовательно, аэромеханическая измерительно-вычислительная система с наблюдателем Люэнбергера позволяет оценить составляющие вектора истинной воздушной скорости с достаточной для целей комплексирования точностью на основных режимах полета, в том числе при малых и околонулевых скоростях и на режиме висения.

Раскрываются методики анализа и синтеза комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета (СИМВС-В) на основе неподвижного многофункционального АМП и аэромеханической измерительно-вычислительной системы (ИВС) с наблюдателем Люэнбергера, обобщенная

функциональная схема которой приведена на рисунке 3.

ли,

УОИ

Рис. 3. Функциональная схема комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета

Вектор р отражает массив входных пневматических сигналов (давлений) аэрометрической СИМВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП, установленного в зоне вихревой колонны несущего винта. Вектор V вл выходного сигнала аэрометрической СИМВС-В кроме полезного сигнала V в содержит случайную динамическую погрешность АУ лэ-

Вектор X информативных сигналов, отражающих состояние вертолета как динамической аэромеханической системы, используется в качестве входного сигнала аэромеханической ИВС с наблюдателем Люэнбергера. Вектор Vвам выходного сигнала аэромеханической ИВС кроме полезной составляющей Vв включает случайную динамическую погрешность АУлм. Устройство обработки информации (УОИ) алгоритмическим путем реализует фильтрацию сигналов Vва и Vвам и формирование выходного сигнала У°в комплексной системы, который является оценкой измеряемого вектора истинной воздушной скорости Vв вертолета.

При решении задачи анализа случайные динамические погрешности АVаэ и А¥ ам на установившихся режимах полета оцениваются корреляционными функциями

т) = а12е-й'1.

ъ\

, К^{х) = п22еа^{\ + а2\х\), (11)

где ст,, а,, и а2, а2 - параметры, определяющие преобладающий уровень и спектр погрешностей аэрометрической СИМВС-В и аэромеханической ИВС.

Передаточная функция аэромеханической ИВС принимается в виде

Щ(р) =---г-т. (12)

2 \ + 2аТр + Т р

При реализации комплексной системы по схеме со следящей системой с учетом того, что погрешности аэромеханической ИВС носит высокочастотный характер, определена передаточная функция корректирующего фильтра и получены соотношения для дисперсии погрешности комплексной системы.

Оптимальное значение постоянной времени Т корректирующего фильтра и дисперсия остаточной погрешности комплексной системы определяются соотношениями

/

Топт =_,_;'__ ^ °ост=а\ СТ2 л/^2 ~ ~

(13)

а2 / С] л]о\С12 ~ а2

Как показали расчеты, в области малых скоростей полета при ст, = 3 м/с, а2 =1,5м/с, а1=1с-1, о2=0,01с"' и а = 1 с"', при независимости случайных погрешностей комплексируемых систем среднеквадратическое значение остаточной погрешности комплексной системы составляет аг = 0,73 м/с = 2,63 км/ч, что свидетельствует об эффективности комплексирования аэрометрической СИМВС-В с аэромеханической ИВС.

В шестой главе приводятся результаты разработки алгоритмического обеспечения и моделирования комплексной системы измерения малых воздушных скоростей применительно к легкому вертолету «Ансат-У».

Приводятся математические модели движения легкого вертолета, которые определяют набор фазовых координат и исходные данные, необходимые для построения аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости на основе

концепции У1М1 и наблюдателя Люэнбергера.

Математические модели движения легкого вертолета являются нелинейными, что существенно усложняет алгоритмическое и программное обеспечение системы, поэтому, используя метод пространства состояний, проводится их линеаризация в точке, соответствующей стационарному режиму балансировки - движению с постоянными линейными и угловыми скоростями. При этом полная математическая модель движения легкого вертолета в соответствии с используемым алгоритмом линеаризации приводится к уравнениям градиентов по переменным состояния например, для продольной составляющей вектора истинной воздушной скорости вида

V Ух = апУУх + а12УУу + апУУ2 + а14Уюх + а15Уту + а16У ю2 + ап Уу + а18УЭ + + + + + (14)

где йу - коэффициенты при искомых кинематических параметрах, образующих матрицу системы А = {а,у}8х8; 6,у - коэффициенты при управляющих параметрах, образующих матрицу В = {а,у}8х4. Значения коэффициентов а у и Ъ^ задаются в точке балансировки с известными параметрами КсО' УуО > Ко > №х0 > <*у0 > Юг0 > У 0 > •

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости с наблюдателем Люэнбергера применительно к вертолету «Ансат-У». В среде ЗшшНпк системы МаНаЬ проведено имитационное моделирование аэромеханической ИБС.

На рисунке 4 иллюстрируется характер изменения продольной составляющей вектора истинной воздушной скорости вертолета Ух (а) и остаточной погрешности Д Ух ее восстановления в аэромеханической ИВС с наблюдателем Люэнбергера (б).

В табл. 1 приведены значения остаточных погрешностей определения составляющих вектора истинной воздушной скорости легкого вертолета «Ансат-У» на различных режимах полета с помощью аэромеханической ИВС.

А^х.

м/с 33 32 31 30 29 27,74 27

м/с 27,9 27,85 27,8 27,75

\

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 /,с 27,7" 2 4 6 8 10 12 14 16 18 г,с

Рис. 4. Изменение продольной составляющей вектора истинной воздушной скорости (а) и остаточной погрешности измерения (б) аэромеханической ИВС

Статические погрешности аэромеханической ИВС

Таблица 1

Скорость V, км/ч Величина погрешности, м/с 100 140 180 220 260 280

AVX 0,03 0,045 0,07 0,1 0,17 0,17

AVy 0,14 0,01 0,14 0,16 0,19 0,19

AVZ 0,07 0,07 0,08 0,075 0,08 0,08

Используя значения остаточных погрешностей аэромеханической ИВС, проведена оценка погрешностей комплексной системы измерения параметров истинной воздушной скорости легкого вертолета «Ансат-У». Показано, что среднеквадратическое значение остаточной погрешности комплексной системы в диапазоне малых скоростей можно оценить значением ст£г = 1,2 км/ч, в диапазоне скоростей свыше 60...70 км/ч =0,8км/ч. Среднеквадратические значения остаточных погрешностей измерения углов атаки и скольжения комплексной системы можно оценить значениями = 0,15...0,2°, afp = 0,2...0,3°. При полете на околонулевых скоростях, близких к режиму висения, расчетные значения среднеквадратических погрешностей комплексной системы увеличиваются до значений af,, = 4,7км/ч, afa = afp = 0,85°, что также свидетельствует о высокой эффективности комплексирования СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и аэромеханической ИВС с наблюдателем Люэнбергера.

-27В седьмой главе приводятся результаты разработки, экспериментальных исследований и направления развития системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного аэрометрического приемника.

В рамках хоздоговорной НИР по техническому заданию ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» разработан и проведены исследования в аттестованной аэродинамической трубе ТЗ-К КНИТУ-КАИ экспериментального образца СВС-В на основе неподвижного многоканального проточного приемника (рисунок 5, патенты РФ на полезные модели №№41875, 55145, патент РФ на изобретение № 2307357).

На рисунке 6 приведены графики изменения относительной погрешности 8 V измерения скорости набегающего воздушного потока (а) и абсолютной погрешности Ду измерения угла направления потока в плоскости рыскания (б), полученные при обработке результатов экспериментов для значения доверительной вероятности Р = 0,95. В исследуемом диапазоне скоростей воздушного потока от 3 до 33 м/с при углах скоса потока до ±45° относительная погрешность 8V находится в интервале 8У = ±0,5 ±0,15%, при изменении угла скоса в диапазоне от 0 до 360° увеличивается до 8 К = ±1,2 ± 0,3%.

1

Рис. 5. Экспериментальный образец СВС-В

Рис. 6. Графики относительной погрешности измерения скорости (а) и угла скольжения (б)

Абсолютная погрешность Д1{/ измерения угла направления набегающего воздушного потока в исследуемом диапазоне скоростей и углов \|/ не превышает

А\\1 = ±0,7 ±0,2°, угла атаки - ± 0,3...0,45°, что свидетельствует об эффективности разработанных мероприятий по повышению статической точности измерительных каналов. Полученные экспериментальные оценки метрологических характеристик каналов воздушной скорости, угла скольжения и угла атаки хорошо согласуются с расчетными значениями.

В рамках НИР, выполняемой по техническому заданию ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко», проведены натурные испытания экспериментального образца системы воздушных сигналов на основе неподвижного многоканального проточного приемника (рисунок 5) на надводном маневренном объекте в составе аэрометрического канала счисления пути автономной магнитоинерциальной навигационной системы.

Как показали натурные испытания, экспериментальный образец системы функционировал и обеспечивал выдачу устойчивых сигналов по величине и направлению вектора истинной воздушной скорости объекта на всех режимах и условиях его движения, в том числе при продольной и боковой качке. Формат и уровни выходных сигналов экспериментального образца соответствовали требованиям контрольно-записывающей аппаратуры и канала сопряжения и обработки автономной навигационной системы маневренного надводного объекта и могут быть использованы на других подвижных объектах, в частности на экраноплане.

В рамках совместных работ с ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» проводится НИОКР по созданию СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП для вертолетов Ми-28Н и Ми-8МТВ, в котором датчик аэрометрической информации вихревой колонны несущего винта (рисунок 7) выполнен в виде полусферы, вписанной в верхний экранирующий диск неподвиж-Рис. 7. Датчик аэро- ного многоканального проточного приемника (патенты РФ ГавдТжрмТй'ко- на полезные модели №№ 55145, 100279, патенты РФ на

лонны несущего винта изобретения №№ 2307358, 2427844). Проведены испытания свс-внк

экспериментального промышленного образца СВС-ВНК в аэродинамической трубе ТЗ-К КНИТУ-КАИ, зарегистрированной в Государственном реестре средств измерения (№ 22835-02).

Программа исследования предусматривала два режима: режим малых и околонулевых скоростей, при котором ось неподвижного полусферического приемника располагалась вдоль направления набегающего потока (рисунок 8,а), второй режим соответствует скорости набегающего воздушного потока более 60...70 км/ч, когда неподвижный многофункциональный АМП выходит из зоны вихревой колонны несущего винта и в работу включается неподвижный многоканальный проточный приемник (рисунок 8,6).

Рис. 8. Положение неподвижного многофункционального АМП относительно направления воздушного потока аэродинамической трубы в зоне вихревой колонны (а)

и при выходе из нее (б)

Как показали трубные испытания, на режиме малых и околонулевых скоростей полета вертолета, когда неподвижный аэрометрический приемник находится в зоне вихревой колонны несущего винта, экспериментальный промышленный образец обеспечивает измерение продольной Ух и боковой У2 составляющих вектора истинной воздушной скорости с инструментальной погрешностью, не превышающей значений АУХ = ЛУ2 =3,6...4км/ч (оАУ =аАУ =

= 1,2... 1,35км/ч), вертикальной составляющей Уу - с погрешностью не более =3,35...4,4км/ч (айГ) = 1,45...1,47км/ч).

На режимах, соответствующих выходу неподвижного многофункциональ-

ного АМП из зоны вихревой колонны несущего винта, инструментальная погрешность измерения угла скольжения в диапазоне ±180° не превышает АР = ±0,5...0,7° (<тДр =0,17...0,23°), инструментальная погрешность измерения

истинной воздушной скорости при изменении угла скольжения в диапазоне ±180° - не более АУВ = 2...3км/ч, колебания дросселированного статического давления Рстд, воспринимаемого в проточном канале неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника, не превышает значения АРст.д= ±60...75 Па, что соответствует погрешности определения барометрической высоты на уровне земли не более АН= ±4...5 км/ч (сдя= 1,33... 1,7 м).

Показано, что значительная часть летных происшествий в процессе эксплуатации одновинтовых вертолетов связано с опрокидыванием вертолета набок, соударением несущего винта с хвостовой балкой и земной поверхностью, соударением рулевого винта с поверхностью стартовой или посадочной площадки при превышении установленных Руководством по летной эксплуатации ограничений по скорости и направлению ветра, по продольной, боковой и вертикальной воздушной скорости, по углам крена и тангажа на стартовых и взлетно-посадочных режимах.

С целью их предупреждения в рамках совместных НИР с ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» проводится разработка стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета (патент РФ на полезную модель № 122583), аэрометрический канал которой выполнен на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Разработанные подход, алгоритмы обработки информации и рекомендации по выбору элементной базы реализованы в экспериментальном промышленном образце аэрометрического канала стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета, изготовленного на производственной базе ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко».

Результаты диссертационной работы широко используются в учебном процессе КНИТУ-КАИ.

На основе полученных теоретических и практических результатов определены направления совершенствования СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта, в том числе за счет использования микромеханических датчиков аэрометрической информации с цифровым выходом, применения ионно-меточных измерительных каналов преобразования массива первичных информативных сигналов.

Результаты исследования являются базой для создания эффективных средств измерения высотно-скоростных экранопланов и других подвижных объектов с расширенными диапазонами рабочих скоростей и углов скольжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Научно-обоснована перспективность и конкурентоспособность системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта. Разработанные научно-обоснованные подходы, технические решения и рекомендации по построению, математическому описанию, проектированию и исследованию автономной и комплексной системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника позволяют обеспечить измерение высотно-скоростных параметров вертолета в области малых скоростей и на режиме висения с требуемой точностью и надежностью. Применение вариантов системы на вертолетах различных классов и назначения решает важную для авиации задачу повышения безопасности полетов и эффективности применения гражданских и военных вертолетов.

2. Проведенное системное исследование и его теоретическое обобщение позволили разработать методологию построения и математического моделирования, анализа и синтеза, имитационного моделирования и экспериментального

исследования системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника, устанавливаемого на фюзеляже в зоне вихревой колонны несущего винта, комплексирования указанной аэрометрической системы с аэромеханической измерительно-вычислительной системой определения составляющих вектора истинной воздушной скорости, построенной с использованием концепции У1М1 и наблюдателя Люэнбергера, аэрометрических каналов автономной навигационной системы и стартовой информационно-измерительной системы пилотажно-навигационных параметров одновинтового вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

3. Разработанные принципы построения и оригинальные технические решения, математические и имитационные модели, алгоритмическое и программное обеспечение, методы метрологического анализа, параметрического и структурного синтеза, методики расчета и инженерного проектирования являются фундаментальной базой для разработки, экспериментального исследования и реализации различных вариантов системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

4. Созданные экспериментальные образцы системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника и на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника, результаты их трубных исследований и натурных испытаний подтверждают достоверность и обоснованность разработанных научных положений и практических рекомендаций, свидетельствуют о высоких метрологических характеристиках измерительных каналов разрабатываемых вариантов системы. Как показали трубные испытания экспериментального промышленного образца СВС-ВНК с обработкой информативных сигналов в промышленном ноутбуке, система обеспечивает измерение продольной, боковой и вертикальной составляющих вектора истинной воздушной скорости на режиме ма-

лых и околонулевых скоростей с инструментальной погрешностью AV = ±3,8...4,3 км/ч, измерение барометрической высоты с инструментальной погрешностью не более АН = ±4...5 м. При выходе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника из зоны вихревой колонны несущего винта система СВС-ВНК обеспечивает измерение угла скольжения в диапазоне ±180° с инструментальной погрешностью Др = ±0,5...0,7°, инструментальная погрешность канала истинной воздушной скорости при изменении угла скольжения в диапазоне ±180° не превышает AV = ±2...3 км/ч, канала барометрической высоты - АН = ±5 м.

На режиме висения, когда погрешности автономной системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника могут существенно возрастать, реализация комплексной системы с использованием аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости позволяет определить истинную воздушную скорость и угол скольжения вертолета с расчетными значениями среднеквадратических погрешностей aAV = 4,7 км/ч и Стдр = 0,85°.

Таким образом, решенная в диссертации научная проблема разработки теоретических основ построения, методов системного проектирования и исследования системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта позволила достигнуть поставленной цели - повышение точности измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета в условиях сильных аэродинамических возмущений, вносимых индуктивными потоками несущей системы вертолета и другими факторами.

5. Результаты исследования и разработки системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника внедрены и используются в ОАО «Ульяновское конструкторское бю-

ро приборостроения» и ОАО «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко» при создании опытных и промышленных образцов конкурентоспособных систем измерения высотно-скоростных параметров вертолета, экраноплана и других подвижных объектов с расширенной нижней границей рабочих скоростей. Внедрение их в производство и эксплуатацию позволяет повысить уровень безопасности полетов и эффективность применения авиационной техники, а также получить значительный экономический эффект за счет исключения закупки дорогостоящего зарубежного оборудования, в том числе при экспорте вертолетов, что имеет существенное значение для развития страны. Результаты исследования способствуют развитию теории и методов проектирования нового поколения информационно-измерительных систем авионики вертолета с учетом специфики объекта применения.

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

1. Солдаткин В.В. Алгоритмы обработки информации системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2004. — №1. - С. 62 - 66.

2. Солдаткин В.В. Автоматическая подстройка измерительных каналов системы воздушных сигналов вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Вестник КГТУ им. АН. Туполева. - 2004. - №3. - С. 26 - 29.

3. Солдаткин В.В. Анализ комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2004. - №3. - С. 52 - 57.

4. Солдаткин В.В. Динамические погрешности системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2006. - №3. - С. 50 - 54.

5. Порунов A.A. Всенаправленная система воздушных сигналов вертолета с неподвижным многоканальным аэрометрическим приемником [Текст] / A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Мехатроника, автоматизация,

управление / Управление и информатика в аэрокосмических системах. - 2007. -№3,-С. 8-14.

6. Солдаткин В.В. Алгоритмическая коррекция погрешностей системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007. - №1. С. 27 - 32.

7. Макаров H.H. Всенаправленная комплексная система воздушных сигналов вертолета на базе неподвижного многоканального аэрометрического приемника [Текст] / H.H. Макаров, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2008. - №2. - С. 55 - 61.

8. Солдаткин В.В. Моделирование комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2008. - №3. - С. 53 - 58.

9. Солдаткин В.В. Аэрометрическая система измерения малых воздушных скоростей вертолета на основе информации о положении вихревой колонны [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2009. - №4. - С. 52 - 56.

10. Солдаткин В.В. Методологические основы измерения высотно-скоростных параметров вертолета по аэрометрической информации вихревой колонны несущего винта [Текст] / В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника.-2010.-№3,-С. 51-56.

11. Солдаткин В.В. Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижных пространственно распределенных приемников первичной информации [Текст] / В.В. Солдаткин // Нелинейный мир. - 2010. - №5.Т8. - С. 277 - 287.

12. Порунов A.A. Методология построения и модели информативных сигналов неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника системы воздушных сигналов вертолета [Текст] / A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2010. - №4. - С. 58 - 63.

13. Солдаткин В.В. Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного комбинированного аэрометрического приемника [Текст] / В.В. Солдаткин, A.B. Никитин // Мехатроника, автоматизация, управление. -2010.-№6,-С. 71-78.

-3614. Порунов A.A. Методика параметрического синтеза неподвижного многоканального аэрометрического приемника системы воздушных сигналов вертолета [Текст] / A.A. Порунов, В.В. Солдаткин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2010. - №4. - С. 53 - 57.

15. Солдаткин В.В. Концепция построения и синтез конструктивных параметров неподвижного многоканального аэрометрического приемника системы воздушных сигналов вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011. -№1. - С. 56 - 64.

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

17. Солдаткин В.В. Комплексная система измерения малых воздушных скоростей вертолета с наблюдателем Люэнбергера [Текст] / В.В. Солдаткин, A.B. Никитин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2011. - №2. - С. 9 - 15.

18. Солдаткин В.В. Анализ погрешностей системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта [Текст] / В.В. Солдаткин //Мехатроника, автоматизация, управление. -2011. -№11. - С. 55 - 63.

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

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

21. Солдаткин В.В. Теоретические основы построения системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника [Текст] / В.В. Солдаткин // Известия Тульского госу-

дарственного университета. Технические науки. - 2012. - Вып.7. - С. 245 - 253.

22. Никитин A.B. Система измерения параметров вектора ветра на стартовых и взлетно-посадочных режимах вертолета [Текст] / A.B. Никитин, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Мехатроника, автоматизация, управление. -2013,-№6.-С. 64-70.

Монография и книги

23. Солдаткин В.В. Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта: Монография [Текст] / В.В. Солдаткин. - Казань.: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2012. - 284 с.

24. Солдаткин В.М. Основы проектирования измерительных приборов и систем: Учебное пособие с грифом УМО вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники [Текст] / В.М. Солдаткин, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2006. - 380 с.

25. Солдаткин В.В. Построение и методы исследования информационно-измерительных систем: Учебное пособие с грифом УМО вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники [Текст] / В.В. Солдаткин; Под ред. проф. В.М. Солдаткина. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. -2008. - 198 с.

26. Солдаткин В.В. Анализ погрешностей и методы повышения точности измерительных приборов и систем: Учебное пособие с грифом УМО вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники [Текст] / В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2009. - 248 с.

27. Танеев Ф.А. Системотехническое проектирование измерительно-вычислительных систем: Учебное пособие с грифом УМО вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники [Текст] / Танеев Ф.А., A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. -2011. - 150 с.

28. Солдаткин В.М. Основы проектирования измерительных приборов и

измерительно-вычислительных систем [Текст] / В.М. Солдаткин, В.В. Солдат-кии, A.B. Никитин. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2013. - 294 с.

29. Солдаткин В.М. Авиационные приборы, измерительно-вычислительные системы и комплексы (Принципы построения, алгоритмы обработки сигналов, характеристики и погрешности): Учебное пособие с грифом УМО вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники [Текст] / В.М. Солдаткин, Ф.А. Танеев, В.В. Солдаткин, A.B. Никитин. -Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. - 2013. - 579 с.

Патенты на изобретения и полезные модели

30. Патент РФ на полезную модель № 41875, МПК G01P 5/00. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин, A.A. Порунов. - Заявл. 05.07.2004. - Опубл. 10.11.2004. - Бюл. №31.

31. Патент РФ на полезную модель № 55145, МПК G01P 5/00. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / A.B. Бердников, В.К. Козицин, H.H. Макаров, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Заявл.

07.12.2005. - Опубл. 27.06.2006. - Бюл. №22.

32. Патент РФ на полезную модель № 55479, МПК G01P 5/00. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / В.К. Козицин, H.H. Макаров, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Заявл. 07.12.2005. - Опубл.

10.08.2006.-Бюл. №22.

33. Патент РФ на изобретение №2307357, МПК G01P 5/16. Способ измерения воздушных сигналов вертолета и система для его осуществления [Текст] / В.К. Козицин, H.H. Макаров, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Заявл. 07.12.2005. - Опубл. 27.09.2007. - Бюл. №27.

34. Патент РФ на изобретение №2307358, МПК G01P 5/16. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / A.B. Бердников, В.К. Козицин, H.H. Макаров, A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин. - Заявл. 07.12.2005. - Опубл. 27.09.2007. - Бюл. №27.

35. Патент РФ на полезную модель № 94346, МПК G01P 5/16. Система

измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин, A.A. Порунов, H.H. Макаров, В.П. Белов, Д.А. Истомин. -Заявл. 23.11.2009. - Опубл. 20.05.2010. - Бюл. №14.

36. Патент РФ на полезную модель № 100279, МПК G01P 5/00. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / 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. 10.12.2010. - Бюл. №34.

37. Патент РФ на изобретение № 2426995, МПК G01P 5/00. Система измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин,

B.М. Солдаткин, H.A. Порунов, H.H. Макаров, В.П. Белов, Д.А. Истомин. -Заявл. 23.11.2009. - Опубл. 20.08.2011. - Бюл. №23.

38. Патент РФ на изобретение № 2427844, МПК G01P 5/14. Система воздушных сигналов вертолета [Текст] / 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.

39. Патент РФ на полезную модель № 122983, МПК B64D 45/00, G08G 5/00. Стартовая система предупреждения критических режимов одновинтового вертолета [Текст] / A.A. Углов, A.B. Архипов, В.А. Архипов, В.А. Олаев,

B.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.

Публикации в других изданиях

40. Порунов A.A. Измерительно-вычислительная система определения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / A.A. Порунов, В.В. Солдаткин, В.М. Солдаткин // Авиакосмическое приборостроение. - 2004. -№11. - С. 43 - 51.

41. Солдаткин В.В. Синтез комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета [Текст] / В.В. Солдаткин // Известия ОрелГТУ. Машиностроение. Приборостроение. - 2004. - С. 62 - 68.

42. Порунов A.A. Комплексная система измерения малых воздушных скоростей вертолета (Integrated system for measuring the low airspeed of helicop-

ters) [Текст] // A.A. Порунов, B.B. Солдаткин // Международный журнал «Актуальные проблемы авиационных и космических систем: процессы, модели, эксперимент»,- 2005. - №2 (20). Том 10. - С. 106 - 132.

43. Солдаткин В.В. Теоретические основы измерения высотно-скоростных параметров вертолета по аэрометрической информации вихревой колонны несущего винта [Текст] // Сборник статей Международной интернет-конференции «Информационные системы и технологии» (Май 2011 г., Орел). -Орел ГТУ: Изд-во Орел ГТУ. - 2011. - С. 222 - 228.

44. Солдаткин В.В. Методология построения системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника [Текст] / В.В. Солдаткин // Сборник статей Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Апрель 2013 г., Пенза). - Пенза: Пенз. гос. ун-т. - 2013. - С. 122 - 125.

45. Солдаткин В.В. Построение и алгоритмы обработки информации системы воздушных сигналов вертолета на основе многофункционального аэрометрического приемника [Текст] / В.В. Солдаткин // 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. 109 - 114.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать лазерная. Печ. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,32. Тираж 120. Заказ Г9.

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

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА - КАИ»

На правах рукописи СОЛДАТКИН ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 629.7.05.67: 629.7.054.44

0520Н50756

СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОДВИЖНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА И ИНФОРМАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВИХРЕВОЙ КОЛОННЫ

НЕСУЩЕГО ВИНТА

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и

управляющие системы (в приборостроении)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, лауреат премии

Правительства Российской Федерации в области науки и техники, заслуженный конструктор Российской Федерации Макаров Николай Николаевич

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................7

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТНО-СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТОЛЕТА............................................................18

1.1. Требования и особенности получения информации о высотно-скоростных параметрах вертолета......................................................18

1.2. Способы построения системы воздушных сигналов вертолета......29

1.3. Системы воздушных сигналов вертолета с модуляцией первичных пневматических сигналов................................................................36

1.4. Системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижных приемников давлений......................................................................53

1.5. Системы воздушных сигналов вертолета на основе принудительно и свободно ориентируемых приемников давлений.................................65

1.6. Система воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации

аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.....................73

ВЫВОДЫ И ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ НАУЧНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................81

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОДВИЖНОГО АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА И ИНФОРМАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВИХРЕВОЙ КОЛОННЫ НЕСУЩЕГО ВИНТА........................................................................................84

2.1. Анализ особенностей аэродинамического поля вертолета.... .......84

2.2. Методологические основы измерения высотно-скоростных параметров вертолета по информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.................................................................97

2.3. Математические модели связи высотно-скоростных параметров вертолета с аэрометрической информацией вихревой колонны несущего винта.........................................................................................106

2.4. Алгоритмы обработки информации системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.. 112

2.5. Методика уточнения алгоритмов обработки информации системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта при летных испытаниях.............................................116

2.6. Анализ требований к метрологическим характеристикам

измерительных каналов системы.......................................................122

ВЫВОДЫ по главе 2.....................................................................131

Глава 3. МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕПОДВИЖНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА............................................133

3.1. Концепция построения и модели информативных сигналов неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника..................................................................................133

3.2. Методика параметрического синтеза неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника....................149

3.3. Обоснование рациональных конструктивных параметров неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника по результатам планируемого эксперимента............................................156

3.4. Экспериментальные исследования характеристик неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника....................163

3.5. Выбор конструктивных параметров приемника аэрометрической

информации вихревой колонны несущего винта...................................174

ВЫВОДЫ по главе 3.....................................................................180

Глава 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОДВИЖНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА............182

4.1. Анализ статических погрешностей системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника..................................................................................183

4.2. Исследование влияния конструктивных параметров неподвижного многоканального проточного аэрометрического приемника на точность работы системы воздушных сигналов вертолета..................................191

4.3. Анализ влияния разброса и нестабильности характеристик пневмоэлектрических измерительных каналов на инструментальную погрешность системы воздушных сигналов вертолета...........................196

4.4. Динамические погрешности системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника..................................................................................207

4.5. Алгоритмическая коррекция систематических погрешностей и оценка суммарной погрешности каналов системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника...................................................................................215

4.6. Автоматическая подстройка пневмоэлектрических измерительных

каналов системы воздушных сигналов вертолета..................................226

ВЫВОДЫ по главе 4.....................................................................236

Глава 5. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ВОЗДУШНЫХ СКОРОСТЕЙ ВЕРТОЛЕТА........................................238

5.1. Аэромеханическая измерительно-вычислительная система определения составляющих вектора истинной воздушной скорости вертолета...................................................................................238

5.2. Алгоритмы функционирования аэромеханической измерительно-

вычислительной системы определения составляющих вектора истинной

воздушной скорости вертолета........................................................243

5.3. Имитационные модели аэромеханической системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости вертолета.............255

5.4. Анализ и синтез комплексной системы измерения малых

воздушных скоростей вертолета.......................................................265

ВЫВОДЫ по главе 5.....................................................................274

Глава 6. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ВОЗДУШНЫХ СКОРОСТЕЙ ЛЕГКОГО ВЕРТОЛЕТА..........................275

6.1. Математические модели движения легкого вертолета...............275

6.2. Линеаризация уравнений движения легкого вертолета.............288

6.3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости легкого вертолета...307

6.4. Моделирование аэромеханической измерительно-вычислительной системы определения составляющих вектора истинной воздушной скорости

легкого вертолета........................................................................322

6.5. Оценка погрешностей комплексной системы измерения малых

воздушных скоростей легкого вертолета............................................333

ВЫВОДЫ по главе 6.....................................................................337

Глава 7. РАЗРАБОТКА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ ВЕРТОЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОДВИЖНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АЭРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА...........................339

7.1. Разработка и исследование в аэродинамической трубе экспериментального образца системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального прочного аэрометрического приемника..................................................................................340

7.2. Разработка и трубные испытания экспериментального промышленного образца системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника и информации

аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта....................352

7.3. Реализация и внедрение результатов исследования, направления совершенствования и развития системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многофункционального аэрометрического

приемника....................................................................................394

ВЫВОДЫ по главе 7.....................................................................413

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................418

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................422

ВВЕДЕНИЕ

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. Повышение безопасности полетов и эффективности применения вертолетов имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

Полет вертолета происходит в приземном возмущенном слое атмосферы и для его выполнения в инструментальном и автоматическом режимах пилотирования необходима информация о высотно-скоростных параметрах (ВСП), определяющих движение относительно окружающей воздушной среды и получивших название воздушных сигналов. Наличие достоверной информации о барометрической высоте, приборной скорости, величине и составляющих вектора истинной воздушной скорости, углах атаки и скольжения позволяет наиболее полно использовать летно-технические и боевые возможности вертолетов, повысить качество управления, обеспечить безопасность полета при взлете, при полете на предельных режимах, при посадке на ограниченные площадки и в условиях плохой видимости, предотвратить такие нештатные ситуации как «явление подхвата», попадание в режим «вихревого кольца», выход на границу максимально-допустимой приборной скорости.

При выполнении строительно-монтажных, погрузочно-разгрузочных, поисково-спасательных работ и применении высокоточного оружия воздушные сигналы необходимо измерять на околонулевых скоростях вплоть до режима висения при изменении угла скольжения вертолета в диапазоне ±180°.

Большой вклад в разработку и применение средств измерения высотно-скоростных параметров вертолета внесли: Е.С. Вождаев, М.А. Головкин,

А.Н. Петунии (ЦАГИ), А.И. Акимов, В.П. Бутов, Е.Г. Харин, С.Г. Пушков (ЛИИ), Б.М. Абрамов, Г.Е. Бельфор, Б.В. Лебедев (НИИАО), С.П. Крюков, А.Г. Кузнецов (МИЭА), Э.А. Петросян, Ю.Г. Соковиков (УВЗ), А.И. Птицин,

A.Н. Иванов (МВЗ), В.Г. Кравцов, А.К. Панкратов, Н.В. Алексеев (Аэроприбор-Восход), H.H. Макаров, В.К. Козицин (УКБП), Ю.М. Игнатин,

B.И. Соболев (МАИ), В.А. Ференец, В.М. Солдаткин, A.A. Порунов (КНИТУ-КАИ), Н.Г. Федоров, В.А. Мишин, И.П. Ефимов (УлГТУ) и другие отечественные ученые и специалисты. Среди зарубежных исследователей следует отметить J.P. Arethens, J.T. Auderes, P.G. Beraud, S. Coule, D.F. Daw, T.A. Egolf, H.Favre, R.B.Grau, J. Kaletka, N.M. Komerach, С. G. Knight, S.G. Lion, P.E. Lorber, H.B.Miller, V.E. Neredka, W. Johnson, R.P.Smith, P.E. Sheridian, F.A. Summerling, T.L. Tompson, G. Yamauchi и др.

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 расположенных на фюзеляже приемников аэрометрической информации. При этом способность вертолета совершать движение как вперед и назад, так и вправо и влево, а также необходимость устойчивого измерения в диапазоне малых и околонулевых скоростей и на режиме висения, в широком диапазоне изменения углового положения вектора воздушной скорости ограничивают применение на вертолетах известных 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.

Предмет исследования. Широкими возможностями по обеспечению панорамного (в плоскости рыскания) и всенаправленного (при трехмерном

изменении положения продольной оси вертолета) измерения высотно-скоростных параметров вертолета, в том числе в диапазоне малых и околонулевых скоростей полета и на режиме висения при сравнительно простой конструкции обладает СВС-В, построенная на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника, расширение нижней границы рабочих скоростей которой обеспечивается за счет использования информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения высотно-скоростных параметров вертолета при малых и околонулевых скоростях полета в условиях сильных аэродинамических возмущений несущего винта.

Проблема научного исследования заключается в разработке теоретических основ построения, методов системного проектирования и исследования системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Решение поставленной проблемы проводилось по следующим основным направлениям:

• Анализ проблемы измерения высотно-скоростных параметров вертолета в области малых и околонулевых скоростей полета и обоснование перспективности построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального аэрометрического приемника (АМП) и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

• Разработка теоретических основ построения СВС-В на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего

винта.

• Разработка математического описания и алгоритмического обеспечения СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Анализ погрешностей и разработка способов повышения точности вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Разработка комплексной СВС-В на основе аэрометрических и аэромеханических измерительных каналов с наблюдателем Люэнбергера, методик моделирования, анализа и синтеза комплексной системы.

• Разработка и экспериментальные исследования вариантов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

• Обобщение результатов исследования в виде методологии построения, системного проектирования, исследования и применения СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП и информации аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

Методы исследования: При решении поставленной проблемы научного исследования использовались методы прикладной аэродинамики и теории измерений, теории управления и измерительных преобразователей, методы математического моделирования, анализа и синтеза каналов информационно-измерительных систем при детерминированных и случайных воздействиях, методы комплексирования, имитационного моделирования и экспериментального исследования, вероятностно-статистической обработки результатов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке нового подхода к построению, методов проектирования и исследования нового класса системы воздушных сигналов вертолета, содержащих совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:

о Новый подход и теоретические основы построения системы воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного пространственно распределенного многофункционального АМП и информации

аэродинамического поля вихревой колонны несущего винта.

о Разработанные принципы построения, математическое описание, методы анализа и параметрического синтеза неподвижного многофункционального АМП первичной информации.

о Разработанные математические модели и алгоритмы обработки информации измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального АМП.

о Алгоритмический и структурный методы повышения инструментальной точности измерительных каналов СВС-В на основе неподвижного многофункционального аэрометрического приемника.

о Разработанные особенности построения, математические модели, алгоритмы и методики моделирования, анализа и синтеза комплексной системы измерения малых воздушных скоростей вертолета на основе разработанной аэрометрической системы и аэромеханической измерительно-вычислительной системы с наблюдателем Люэнбергера.

о Разработанные особенности построения, модели, алгоритмы и требования к датчикам первичной