автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Выбор параметров роторной несущей системы спускаемого летательного аппарата с эластичными лопастями

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н.ТУПОЛЕВА

Р Г 8 ОД

На правах рукописи НОСОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 629.7.035.7:629.78.07

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РОТОРНОЙ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ СПУСКАЕМОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ЭЛАСТИЧНЫМИ ЛОПАСТЯМИ

(Специальности: 05.07.02 - проектирование и конструкция

летательных аппаратов; 05.07.03 - прочность летательных аппаратов)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ..•

КАЗАНЬ 1993

Работа.выполнена на кафедре "Строительной;механики летательных аппаратов" Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева.

Научный руководитель: доктор технических наук,

заслуженный деятель науки и техники TGCP, профессор В.А.Павлов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Бурцев Б.Н.

кандидат технических наук, доцент То'дигин И.К.

Ведущее предприятие определено решением специализированного совета.

Защита состоится "J?3 ' 1993 года в & на

заседании специализированного совета К063.43.04 Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева (420III, г.Казань, ул.К.Маркса, 10, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 23" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических, наук

С.А.Михайлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ

Диссертация посвязцена исследованию роторной несущей системы (РНС) со сворачиваемыми эластичными лопастями, используемой в качестве системы спасения и посадки спускаемого летательного аппарата.

Актуальность работы. Развитие новейших отраслей промышленности, техники, биологии и медицины в ряде случаев становится невозможным без использования уникальных материалов и препаратов, производство которых в настоящее время возможно только в условиях космического пространства. В этой связи особую остроту приобретает задача безопасной и гарантированной доставки созданных материалов и препаратов в спускаемом аппарате (СА) на Землю при максимально благоприятных условиях спуска и приземления по перегрузкам и качеству посадки. В этой связи представляет интерес разработка систем-посадки, на базе роторных несущих систем. Использование роторной системы в качестве альтернативы парашютным системам имеет ряд существенных преимуществ:

- возможность широкого регулирования коэффициента сопротивления Сх и обеспечения заданных перегрузок при широком диапозоне изменения,скорости спускаемого аппарата;

- способность обеспечить безопасную лосадку на неподготовленную площадку;

- возможность планирования точно к месту посадки и значительный запас дальности планирования. для уточнения движения аппарата на конечном участке траектории полета;

- возможность уменьшения вертикальной скорости в момент касания с поверхностью Земли без привлечения дополнительных энергетических ресурсов;

- удовлетворительная устойчивость и точное управление положением летательного аппарата на всех режимах полета.

Цель работы. Разработка методик исследования задачи взаимодействия роторной системы посадки (РСП) с летательным аппаратом на этапе выработки тактико-технических требований к РСП спускаемого аппарата. Проведение параметрических исследований габаритно-массовых характеристик.РСП на всех участках траектории, спуска: и.- приземлёния спускаемого, летательного аппарата (CJIA).

Научная новизна

1. Разработана математическая модель аэроупругого взаимодействия РСП с ЛА на переходных и стационарных . рекимах движения на атмосферном участке траектории.

2. Разработана численная методика параметрической оценки габаритно-массовых характеристик и параметров управления РСП в воздушном потоке на различных рекимах работы РСП <раскрутка, выпуск лопастей в поток, установившаяся авторотация при планировании СА, посадка СА).

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- сравнением результатов численного расчета с экспериментальными исследованиями натурной модели роторной системы со сворачиваемыми лопастями в аэродинамической трубе;

- использованием проверенных гипотез по расчетной схеме;

- численным исследованием точности расчетной методики.

Практическая ценность работы. Проведены параметрические исследования габаритно - массовых характеристик элементов РСП при различных вариантах размещения РСП в СА и различных видах конструктивных схем и компоновок РСП. Разработаны численные методики'исследования несущей роторной системы для выработки технических предложений по созданию РСП.

Проведены теоретические исследования по расчету переходных режимов работы роторной системы спасения при выпуске несущего винта в поток. Определены условия равновесного состояния в момент начала раскрытия системы. Определены параметры управления несущим винтом на режимах установившейся авторотации и "подрыва" винта под заданный вес спускаемого аппарата.

По результатам проведенных исследований , для конструкторского бюро машиностроения г. Миасса разработано техническое предложение по возможной компоновке РС.

Публикации и апробация работы. Основное содержание работы опубликовано - в работах автора [1-3], ее результаты докладывались на Четвертой Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности ЛА" (г.Харьков, 1991 г.); на Первой Российской конференции "Научный потенциал ВУЗой - программе "Конверсия" (г.Казань, 1993г.), на научно.-технических конференциях по итогам работы КАИ за 1985-1986 и за 1989-1991 гг. (г.Казань, 1986г., г.Казань, 1991г.).

Результаты исследований представлены в научно-технических отчетах по хоз.договорным работам, выполненным для НПО "Машиностроения" (г.Реутово), НПО "Энергия", ЦНИИМаша, КБМ' г.Миасса, Инженерного Центра "Омега".

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основная часть изложена на 116 м.п.л. и 65 рисунках, содержит 6 таблиц и список использованной литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована тема исследования, показаны ее научная новизна и практическая значимость. Дан краткий обзор литературы по рассматриваемому вопросу, описана структура работы.

В первой главе ставится и конкретизируется задача, решаемая автором данной диссертационной работы. Описан объект исследования и особенности конструктивной схемы РСП с эластичными лопастями. Принципиальная схема СА с несущей системой вертолетного типа со сворачиваемыми лопастями представлена на рис.1.

В первой же главе предложены возможные виды конструкций сворачиваемых лопастей и компоновок РСП, представлены исходные данные и характеристики спускаемого '• летательного аппарата, применительно к которому проводились параметрические исследования.

Сделаны необходимые вводные замечания и описаны системы координат, определяющие положение .СА в пространстве и используемые при формировании уравнений движения СА с роторной несущей системой; и системы координат,^ их преобразования при выводе уравнений равновесия лопасти РСП.

Во второй "главе моделируется пространственное движение СА с роторной несущей системой. Показаны особенности нагружения СА при наличии РСП. Принимаются допущения, существенно упрощающие математическую модель, и позволяющие рассматривать СА с РСП как динамическую • систему, состоящую из двух элементов. Первый элемент представляет СА как твердое тело, на которое действуют-.аэродинамические силы и моменты, создаваемые самим СА, и равнодействующие аэродинамических и инерционных сил, создаваемые несущим винтом РСП.. Второй элемент - это

вращающийся ротор переменного диаметра. Математическая модель второго элемента определяет интегральные характеристики внешнего воздействия РСЙ'на СА.

СА с РСП как физическая система имеет много общего , с одновинтовым вертолетом, у которого отсутствует хвостовая балка и рулевой винт, на режиме самовращения несущего винта. Следовательно, при составлении уравнений, описывающих движение СА в пространстве, можно воспользоваться методикой, принятой при исследовании динамики движения и управляемости вертолетов.

Уравнения движения СА в проекциях на связанные оси ОXII имеют вид:

m(V +.ш v - ш v ) = X у z z у

m(V + со V - со V ) = 4 у Z X X z' V

m(V + ы V - ы V ) = • Z X у ух'

J СО - (J -J )С0 СО + хх 4 у z' у z J xy II

J li - (J -J )U U) + у у Z X Z X J xy cb ) = м ; x y'

(1)

J (i) - (J -J )(i) 0) + J (OJ2 - CO2) = M .

z z x уху xy у x z

К уравнениям движения СА (1) добавляются шесть кинематических соотношений для определения угловых и линейных координат (2):

-d = u)zcos7 + coysin7;

7 = wx- tgd(a)ycos7 - cozsln7);

ф = (w C0S7 - u sin7)/cos'6; . (2)

У Z

x = v = f (V ,v ,v ,'б,7,Ф);

xe хч x' у' a '1,T

у = v = f (V ,v ,v ,-е,7,Ф);

Ув у x' y' z' '''T

z = v = f (V ,v ,v ,-е,7,Ф);

zg zN x' у z ' 1'

В (2) первые три уравнения есть уравнения связи, в результате интегрирования которых определяются углы тангажа -9, крена 7 и рыскания ф. Интегрирование „трех последующих уравнений ■ дает траекторию движения центра масс СА; Скорости .V Vyg и Vzg получаем пересчетом скоростей . Vx,Vy и Vz с помощью матрицы перехода из связанной:, системы координат в

нормальную.

Изменение угловой скорости вращения НВ РСП представлено уравнением

где 5 - коэффициент, учитывающий трение во втулке ротора РСП.

Правые части уравнений (I) и (3) представляют собой проекции на связанные оси сил и моментов, действующих на СА и имеющих как аэродинамическую так и массовую природу. От лопастей РСП на втужу НВ СА приходят силы и моменты, сумма которых

в каждый момент времени образует равнодействующие Нвт, Мвт, которые раскладываются в полусвязанной системе координат (повернутой относительно оси ОУ связанной системы координат на угол рн, который, равен проекции угла скольжения СА р на плоскость вращения втулки НВ).

Основные силы и моменты, действующие на СА:

Рх= - Н соз|Зн - Б з1прн - ^ - Ш881п-в;

Ру= Т + Ук - П^СОЗ7соетЭ; (4)

Р = - Ъ - Н з1п6 + Б соаЗ + тасов-дБ!.^,

21 К л л

где Т, Н, и Б - сила тяги, продольная и боковая силы

(проекции силы Нвт); Х1<.Дк,гк- сила лобового сопротивления, аэродинамическая подъемная и боковая силы корпуса СА в связанной системе координат.

Проекции моментов:

Мх= ^ V ^т^н - (Н Ут + М2вт)81пРН +

V Мувт'-Лк: ,<5>

м = (Н ут+ М )соб6 + (Б ут - М „т)в1п6„ + М „. ■г. 4 'т гвт' гн * " т ззт' гн гк

В этой зке главе рассматриваются вопросы определения воздушной нагрузки на корпус СА. Методика ее определения традиционна и основана на определении коэффициентов С^, С^, тгк* в зависимости от Угла атаки а и числа М.

. В третьей. . главе строится . математическая модель определения интегральных характеристик. воздействия РСП на СА

(проекции векторов ^ и Йвт). При построении математической модели сворачиваемой эластичной лопасти используется теория больших перемещений типа Кирхгофа-Клебша для расчета непрямолинейных до деформирования стержней, развитая в геометрически нелинейную теорию пространственно деформируемых стержней крыльевого профиля в работах В.А.Павлова и его учеников. В качестве упругой'модели принят тонкий, естественно деформированный стержень, размеры поперечного сечения которого считаются малыми в сравнении с его длиной и радиусом кривизны (см.рис.2, где 0- естественное состояние, 1- деформированное).

Общие векторные уравнения равновесия упругой линии стержня в безразмерном виде при больших перемещениях и произвольном характере нагрукения имеют вид:

+ р - п-

ЗёГ + ^ ~

+ ё3 х о +'Мв=: о; '

1,з51 + Чзбг + ^зз- 1)ёз = <6>

М = А( х - )),

_ П _ _ т _

где Р = с] + ]> Р(1)б(8-81), мв = ¡1 + ^ М(к)б(е-£к) - внешнее 1=1 к=1

нагружение, зё^1вектор, характеризующий начальное состояние оси стерши до нагружения и приведенный к базису деформированного состояния {е^}. Вектор ге^1' позволяет учесть естественную непрямолинейность и предварительную закрученность стержня в недеформированном состоянии.

Система . пяти векторных уравнений содержит пять неизвестных векторов: 0 и М - вектора внутренних перерезывающих сил и моментов, -в - углов, аё - кривизн и й перемещений.

В упрощенном варианте, в предположении , что упругая линия лопасти в поле центробежных сил при отсутствии внешнего аэродинамического воздействия является прямой нитью, т.е. эё^10, уравнения деформации" лопасти следуют из решения уравнений связи кривизн с углами поворота сечений лопасти при

В

деформировании:

—1 = (эе.-соз'в.,- эеоз1ггв_)/С081}о; дБ 1 3 3 2

а%

—= эе.81п,0„+ зе„соз1Э-; ЙБ 13 2 3

ае3- (ае1 сойч^- ге2а±п-в3).

Уравнения (7) определяют упругую линию лопасти с точностью до положения сечений в пространстве при условии, что центр масс расчетного сечения стержня совпадает с центром жесткости.

В качестве соотношений, определяющих взаимосвязь между обобщенными деформациями стержня и внешним нагружением воспользуемся известными соотношениями Кирхгофа-Клебша.

В результате получим систему уравнений (7) в виде:

а

г I [ ц

о

Л I ЕУГ1

СОБ'З,

3

м2 и.

З!!!^ /СОБ-б.

63 + о = 0;

з1пв.,+ — соэ«, (ЗБ + С„ = 0; 3 Е<1„ 31 2

(8)

0

э

1

СЛ.

кр

— СОБ'д„

Е.Г.

31ГГЭ„

ей + С3 = О,

где ^, -д2, упругие углы совмещения орт (е^) местной системы координат, связанной с сечением в деформированном состоянии, с ортами {1^} базовой, декартовой системы координат, вследствие предположения о прямолинейности упругой линии лопасти в недеформированном состоянии.

Связь между углами поворота -в и линейными координатами, определяющими положение любой точки упругой линии в базовой декартовой системе координат определяется соотношениями:

з

Х= соб-О^ИГ^СЙ + У0 = 0;

в

х= | в1пе2<в

о

+ х0 = о ;

(9)

г

г= | С03'в1 СОЭ^СБ + Ъ0 = О. о

Особенностью построения упругой модели сворачиваемой эластичной лопасти является определение крутильной жесткости, возникающей вследствие действия центробежных растягивающих усилий на продольный силовой набор лопасти. Эластичная лопасть представляется как предварительно растянутый стержень, не имеющий собственной крутильной жесткости и работающий в пределах гипотезы плоских сечений. При нагруженш лопасти, находящейся в поле центробежных сил, аэродинамической нагрузкой сечение повернется на некоторый угол -в* в результате чего возникает момент, препятствующий вращению. Величина этого момента равна М* = • где - эффективная крутильная

жесткость, определемая выражением:

г

где о3, Р - растягивающие усилия и площадь сечения продольного силового набора. Положение оси жесткости в сечении лопасти определяется выражением:

хо= Ш До32:с1х(1у; уо= Ш [[озуахау. (11)

г г

где N - суммарное растягивающее усилие в сечении лопасти.

В этой же главе в рамках квазистатической задачи рассмотрено равновесие сворачиваемой эластичной лопасти, находящейся в поле центробежных сил, при действии на нее воздушной нагрузки, обусловленной спецификой работы РСП и характером движения СА. Производится выбор основных гипотез при математическом моделировании лопасти РСП. Описаны граничные условия на конце и в комле лопасти. Показана методика расчета внешнего нагружения лопастей РСП с учетом особенностей ее работы на различных режимах. Аэродинамическая нагрузка вычисляется согласно теории элемента лопасти. При вычислении аэродинамических коэффициентов используется ■ круговая поляра

профиля лопасти. Средняя индуктивная скорость по диску винта !>уо определялась по Глэуэрту, а ее распределение по диску полагалось линейным.

В четвертой главе разрабатывается численнная методика совместного решения уравнений динамики движения СА и уравнений равновесия лопасти в квазистатической постановке.

Для преобразования уравнений квазистатического равновесия лопасти к системе алгебраических уравнений используется метод интегрирующих матриц М.Б.Вахитова. При построении интегрирующих матриц используется кубическая сплайн-апроксимация. Интегрирование полученной системы алгебраических уравнений проводилось методом временных слоев с последующим уточнением приближенного решения на основе комбинаций метода Ньютона.

Исследована сходимость численного решения при варьировании количества расчетных точек по лопасти. Проведено сравнение полученных результатов аэроупругого расчета сворачиваемой эластичной лопасти с данными экспериментальных исследований режимов авторотации натурной модели несущей системы со сворачиваемыми лопастями в аэродинамической трубе (см.рис.3).

Интегрирование уравнений движения СА осуществлялось типичным для решения задач пространственного движения ЛА методом Рунге-Кутта с оптимизацией шага интегрирования. Для создания програмного обеспечения использовались стандартные в библиотеке математического обспечения подпрограммы интегрирования дифференциальных уравнений (Шй), с модификацией Гилла для компенсации, накапливаемых ошибок

ОКРУГЛ6НИЯ.

Задача динамики- движения СА и: задача аэроупругого расчета несущей системы, в квазистатической постановке при проведении параметрических исследований- работы РСП решалась в одном временном шаге по.времени.

В заключении главы приведены результаты расчетных исследований траекторий движения СА с РСП при различных параметрах управления несущей системой.

В пятой главе описаны численные методики параметрических исследований РСП со сворачивающейся несущей системой. Основой для • создания численных методик, формирования тактико-технических. требований- к.....несущей.' системе РСП со

сворачивающимся несущим винтом (СНВ) является обеспечение устойчивой работы РСП на всех режимах и наличие достаточного запаса прочности всех элементов системы.

Представлена методика моделирования зависимости величины момента инерции ротора несущей системы РСП от длины лопастей при их выпуске в поток и от угла конусности при изменении в широком диапозоне скорости набегающего потока. Упрощенная схема моделирования момента инерциици ротора представлена уравнением:

¿рсп = •Г1 + № + ' где : (12)

к„ - количество лопастей, л

^ - момент инерции втулки ротора, - момент инерции груза с крылом,

<Т3 - момент инерции лопасти, состоящий из момента инерции участка лопасти, выпущенного в поток, и момента инерции участка лопасти , находящегося на барабане: ^ = <130ар + <73вш1

Значение момента инерции ^ остается постоянным; моменты инерции ^ , <13 зависят от длины лопасти и изменил угла конусности ротора.

Минимальная критическая угловая скорость вращения втулки СНВ при которой,' возможна устойчивая работа сворачиваемых лопастей несущего винта определяется из условия обеспечения равновесия выпущенной части лопасти, находящейся под действием инерционных и аэродинамических сил. -Максимальная скорость набегающего потока, при которой допускается выпуск в поток эластичных лопастей, определяется в первую очередь прочностными характеристиками сечения лопасти СНВ.

В этой же главе представлены результаты параметрических исследований переходных режимов работы РСП. Приведены расчетные габаритно-массовые характеристики при различных вариантах компоновки РСП на ЛА. Дана численная оценка и характер влияния параметров управления СНВ на характеристики планирования СА. На рис.4 представлены графики зависимостей минимальной рабочей скорости вращения винта от угла конусности | при переменных углах установки концевого крыла ауст и зависимостей момента на валу РСП Мвт от угла конусности Угол конусности варьировался от 2° до 9°, так как при углах £ свыше 9° система работает неустойчиво.

На рис.5 представлены результаты исследований параметров установившейся авторотации. Исследован характер и интенсив-

тп

ность влияния угла установки лопасти в комле - сро> угла

установки руля концевого крыла - йр на скорость снижения и силу торможения СНВ при авторотации.

В заключении главы представлены результаты расчета габаритно - массовых характеристик РСП при возможном варианте компоновки на СА весом до 500 кГ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе теории больших перемещений тонких стержней получены обобщенные векторные уравнения равновесия пространственно деформированного стержня крыльевого профиля при произвольном нагружении.

2. Разработана методика расчета внешнего нагружения роторной несущей системы с учетом особенностей работы ее в составе РСП:

- больших перемещений лопастей НВ РСП вследствие значительных изменений угла конусности и переменной упругой крутки лопастей;

- изменении диаметра НВ роторной системы при выпуске лопастей и переменности в больших пределах угла конусности;

- малой собственной крутильной жесткости сворачиваемых эластичных лопастей.

3. Разработано математическое обеспечение параметрических исследований переходных режимов работы РСП, позволяющее исследовать аэроупругие характеристики сворачиваемой эластичной лопасти при выпуске НВ в поток, работе в режиме "ветряка", установившейся авторотации и при "подрыве" НВ в рамках решения квазистатической задачи.

4 Создана математическая модель ситемы СА-РСП, позволяющая исследовать пространственное движение СА с РСП.

5. Проведены численные исследования габаритно-массовых характеристик РСП и параметров управления на основных режимах работы.

6. Проведен сравнительный анализ габаритно-массовых характеристикх РСП с СНВ для различных конструктивно - силовых схем при различных вариантах компоновки РСП на СА

7...По результатам проведенных исследований., применительно к одному из спускаемых аппаратов, разрабатываемых в рамкам конверсионных программ конструкторским бюро машиностроения г.Миасса, разработано техническое предложение по созданию РСП

с несущим винтом со сворачиваемыми эластичными лопастями.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

... Д. Павлов В.А., Михайлов O.A., Носов A.A., Хлебников A.A. Особенности расчета аэроупругих характеристик сворачиваемых эластичных лопастей. - В кн.: Тезисы докладов IY Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности ЛА", Харьков, ХАМ, 1991 г., с.71.

2. Носов A.A., Хлебников A.A. Адаптирование специальных ракетоносителей для промышленных космических технологий с использованием роторных систем посадки. - В кн.: Тезисы докладов Первой Российской конференции "Научный потенциал ВУЗов - программе "Конверсия", Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 1993 Г., с.59.

3. Павлов В.А., Михайлов С.А., Носов A.A., Хлебников A.A. О новых концепциях, роторных систем посадки (РСП) на базе несущих винтов со сворачиваемыми лопастями. - Рукопись деп. в ВИНИТИ 12.08.93, № 2265 - В93, 13 С.

Рис. 2

Рис. 4

Рис. 5'