CC BY
14УДК 621.828
К ВОПРОСУ О НОРМИРОВАНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ АСИММЕТРИИ МАСС ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А. В. Ключников
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина Российская Федерация, 456770, г. Снежинск, ул. Васильева, 13, а/я 245 E-mail: [email protected]
Рассматривается обоснование требований к инструментальной точности стендового оборудования, используемого на заключительном этапе общей сборки летательного аппарата для определения и обеспечения параметров его массо-инерционной асимметрии.
Ключевые слова: летательный аппарат, ось симметрии, центр масс, ось инерции, массо-инерционная асимметрия, балансировка, измерительный стенд, точность измерений.
RATE SETTING OF INSTRUMENTAL PRECISION OF EXPERIMENTAL TESTING EQUIPMENT TO MEASURE FLYING VEHICLE MASS-INERTIA PARAMETERS
A. V. Klyuchnikov
Russian Federal Nuclear Centre - All-Russia Research Institute of Technical Physics named after academician E. I. Zababakhin P.b. 245, 13, Vassilyev Str., Snezhinsk, 456770, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article provides rationalizations to instrumental precision standards for testing equipment used on the final stage of general assembly of a flying vehicle to determine and ensure its mass-inertia parameters.
Keywords: flying vehicle, axis of symmetry, centre of masses, axis of inertia, mass-inertia asymmetry, counterbalancing, measuring stand, precision of measure.
Полунатурные моделирующие стенды и комплексы, широко применяемые для отработки аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения летательных аппаратов (ЛА), позволяют существенно снизить затраты на их разработку и проведение лётных испытаний [1; 2]. При этом в процессе моделирования динамики движения используются значения массо-центровочных и массо-инерционных характеристик (МЦИХ) аппарата - масса, координаты центра масс, моменты инерции, - полученные в результате проведения теоретического расчёта. Однако, ввиду невысокой точности такого расчёта, на стадиях изготовления и сборки ЛА возникает задача экспериментального определения фактических значений МЦИХ для использования в расчете реальных траекторий движения аппарата. При проектировании, конструировании и изготовлении высокоскоростных ЛА, например, выполненных в форме конического тела вращения и стабилизируемых вращением вокруг оси симметрии своей наружной поверхности, как правило, стремятся придать симметричную форму и обеспечить совпадение оси симметрии масс аппарата и оси симметрии наружной поверхности, которая обычно принимается в качестве строительной. Но в процессе изготовления и сборки ЛА появляется массо-инерционная асимметрия, источником которой явля-
ются неизбежные случайные отклонения характеристик компонуемых полезных грузов и элементов бортовой автоматики в корпусе аппарата (масса, моменты инерции, координаты установки). В частности, к параметрам, характеризующим асимметричность распределения масс относительно строительной оси ЛА и в существенной мере влияющим на его лётно-технические характеристики, относятся - величина поперечного смещения центра масс с оси симметрии наружной поверхности и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от той же оси [3; 4].
Несмотря на весьма малые фактические значения, наличие массо-инерционной асимметрии может привести к возникновению аномальных режимов движения высокоскоростного аппарата в атмосфере, обусловленных его динамической неустойчивостью, а это, в свою очередь, может привести к существенному уменьшению скорости движения аппарата по сравнению с расчётной, значительному отклонению от расчётной траектории движения, неравномерному нагреву корпуса, снижению точности функционирования датчиковой аппаратуры и исполнительных механизмов и т. п. и, в конечном итоге, снижению эффективности эксплуатации ЛА. Конечно же, при отсутствии параметров асимметрии или в случае их
Решетневскуе чтения. 2017
достаточной малости вероятность появления аномальных режимов движения в процессе полёта полностью не исключается, но, по крайней мере, уменьшается до допустимой величины по критерию влияния последствий динамической неустойчивости на лётно-технические характеристики ЛА [3; 5]. Таким образом, для обеспечения устойчивого движения стабилизированного вращением высокоскоростного аппарата актуальной также является задача обеспечения нормативов статической и моментной балансировки, т. е. определения и приведения с заданной точностью (при необходимости) параметров, характеризующих асимметричность в распределении масс относительно строительной оси аппарата, к значениям, не превышающим заданных в эксплуатационной документации (ЭД) на аппарат предельно-допустимых значений. Эта задача решается на заключительном этапе общей сборки путём установки балансировочных грузов на плоскость коррекции, обычно совмещенную с днищем, конструктивно расположенным вблизи торца корпуса аппарата. Массу и углы установки балансировочных грузов рассчитывают по результатам измерений МЦИХ и параметров массо-инерционной асимметрии, полученных с применением специализированных контрольно-измерительных стендов. В работах [5; 6] произведён анализ методик балансировки ЛА. В последнее время наблюдается ужесточение требований к параметрам остаточной (после уравновешивания) массо-инерционной асимметрии ЛА. Это, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к точности определения и обеспечения этих параметров.
В соответствии с метрологическими рекомендациями [7] погрешность определения нормируемых параметров, в том числе, обеспечиваемых параметров массо-инерционной асимметрии ЛА должна быть, как минимум, втрое меньше предельно-допустимого остаточного значения параметра. Очевидно, что характеристики инструментальной точности контрольно-измерительного оборудования, используемого для определения действительных значений МЦИХ, являются одним из основных факторов, определяющих дальнейшее повышение точности обеспечения нормативов статической и моментной балансировки БЛА и, следовательно, повышение эффективности их применения. Зачастую в нормативной документации предписывается требование обеспечения коэффициентов точности КТ > 3 при контроле МЦИХ (кроме массы, для контроля которой обычно должен быть обеспечен коэффициент точности КТ > 5). Таким образом, при выборе оборудования для контроля параметров мас-со-инерционной асимметрии скоростных летательных аппаратов следует руководствоваться характеристиками инструментальной точности, по крайней мере, в 9-10 раз превышающими предельно-допустимые значения указанных параметров, задаваемых в эксплуатационной документации на аппараты. Это означает, что точность контрольно-измерительных стендов, используемых для обеспечения значений поперечного смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ, равных, например, 0,2 мм и 20 угловых минут, не должна быть хуже соответственно
0,022 мм и 2,2 угловой минуты в заданных диапазонах измерений этих параметров. И, естественно, оборудование, проектируемое и применяемое для контроля МЦИХ, должно исключать возможность воздействия мощных электромагнитных полей на уравновешиваемый аппарат в процессе выполнения измерений, а также должно учитывать характерные конструктивные особенности ЛА, в частности, значительные габаритные размеры и массу, наличие неметаллической наружной поверхности корпуса, наличие нежёстких и далеко выступающих за пределы корпуса элементов конструкции, форму корпуса и отсутствие удобной технологической базы для закрепления на рабочем органе контрольно-измерительного стенда, наличие единственной плоскости коррекции, которая может быть использована для уравновешивания аппарата. Это делает задачу повышения инструментальной точности стендового оборудования, применяемого для контроля МЦИХ, всё более актуальной по мере совершенствования аппаратов.
Одним из решений задачи прецизионного определения и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии является использование методов и средств динамической балансировки [5; 8].
В работах [5; 9-11] приведена математическая постановка задачи балансировки ЛА, выполненного в форме конического тела вращения, на низкочастотном динамическом балансировочном стенде с газовыми опорами, параметров массо-инерционной асимметрии с погрешностью не более 0,01 мм при определении поперечного смещения центра масс и 10 угловых минут при определении перекоса продольной ГЦОИ, приведено описание опытного образца стенда. Применение стенда в операциях по контролю поперечного смещения центра масс и перекоса продольной ГЦОИ аппарата позволяет задавать допуск на величину смещения центра масс не более 0,1 мм, а на угол отклонения продольной ГЦОИ не более 10 угловых минут.
Библиографические ссылки
1. Ильиных В. В., Андреев С. В., Ключников А. В., Чертков М. С. Моделирование динамики полёта БПЛА в компьютеризированном имитационном стенде // Надежность и качество : труды Междунар. симпозиума. Пенза, 2011. Т. 1. С. 302-304.
2. Андреев С. В., Ключников А. В., Чертков М. С., Шалашов С. В. Полунатурное моделирование ИНС на поворотном стенде при использовании БЧЭ с интерфейсом МКИО // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2013. С. 424-427.
3. Ярошевский В. А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. М. : Машиностроение, 1978. 168 с.
4. Правдин В. М., Шанин А. П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. Снежинск : РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. 496 с.
5. Ильиных В. В., Ключников А. В., Лысых А. В., Михайлов Е. Ф., Тимощенко А. Г. Технология обеспечения качества при изготовлении высокоскоростных неуправляемых летающих моделей // Вестник СибГАУ. 2013. № 3 (49). С. 191-196.
6. Методы исследований на летающих моделях / под ред. А. Д. Миронова. М. : Машиностроение, 1988. 144 с.
7. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. М. : Изд-во стандартов, 1975. 336 с.
8. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. М. : Изд-во стандартов, 1977. 139 с.
9. Ключников А. В. Развитие и совершенствование алгоритма одноплоскостной балансировки в динамическом режиме высокоскоростной летающей модели // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 2. С. 411-416.
10. Ключников А. В. Уточнённая математическая модель оценки и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии длинномерного роторного модуля» // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума. Пенза, 2012. Т. 1. С. 224-227.
11. Ключников А. В. Численный алгоритм оптимизации процесса уравновешивания конической летающей модели на динамическом балансировочном стенде // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 2. С. 309-317.
References
1. Ilinykh V. V., Andreev S. V., Klyuchnikov A. V., Chertkov M. S. Simulation of fly of unmanned vehicle by computer-aided imitating system [Modelirovanie di-namiki polyota BPLA v komp'yuterizirovannom imi-tatsionnom stende] // Trudy Mezhdunarodnogo simpozi-uma «Nadyozhnost i kachestvo». [Proc. Int. Symp. «Reliability & Quality»]. Penza, 2011. Tom 2. P. 234-236. (In Russ.)
2. Andreev S. V., Klyuchnikov A. V., Chertkov M. S., Shalashov S. V. Half-natural simulation of inertia navigation systems with turning-stand by using a block of sensors equipped with consistent interface [Polunaturnoe modelirovanie INS na povorotnom stende pri ispolzovanii BChE s interfeisom MKIO] // Trudy Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii "Problemy avtomati-zatsii i upravleniya v tehnicheskih sistemah" [Proc. Int. Technol. Conference «Problems of Automation & Control in Technical Systems»]. Penza, 2013. P. 424-427. (In Russ.)
3. Yaroshevskiy V. A. Motion in atmosphere of uncontrolled solid [Dvizhenie neupravlyaemogo tela v atmosphere]. M. : Mashinostroenie, 1978. 168 p. (In Russ.)
4. Pravdin V. M., Shanin A. P. Ballistics of uncontrollable flying machines [Ballistika neupravlyaemih letatel-nih apparatov]. Snezhinsk : RFNC-VNIITF, 1999. 496 p. (In Russ.)
5. Ilinykh V. V., Klyuchnikov A. V., Mihailov E. F., Timoshchenko A. G. Technological support of quality during the manufacture of hypersonic uncontrollable flying models [Tehnologiya obespecheniya kachestva pri izgotovlenii visokoskorostnih letayushchih modelei]. VestnikSibSAU. 2013. № 3 (49). P. 191-196 (In Russ.).
6. Mironov A. D. Methods of researches on flying models [Metody issledovaniy na letayushchih modelyah]. M. : Mashinostroenie, 1988. 144 p. (In Russ.)
7. Burdun G. D., Markov B. N. Fundamentals of metrology [Osnovy metrologii]. M. : Standards, 1975. 336 p. (In Russ.)
8. GOST 22061-76. M. : Izdatelstvo standartov, 1977. 139 p. (In Russ.)
9. Klyuchnikov A. V. Development and improvement of the algorithm monoplanar balancing dynamically flying model [razvitiye I sovershenstvovaniyealgoritma od-noploskostnoi balansirovki v dinamicheskom rezhime visokoskorostnoi letayushchei modeli] // Vestnik SibSA U. 2015. Vol. 16, No. 2. P. 411-416. (In Russ.)
10. Klyuchnikov A. V. The specified mathematical model of an assessment and ensuring parameters of massinertial asymmetry of the lengthy rotor module [Utochnyonnaya matematicheskaya model otsenki I obespecheniya parametrov masso-inertsionnoi asimmetrii dlinnomernogo rotornogo modulya] // Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma "Nadyozhnost i kachestvo". [Proc. Int. Technol. Symp. "Reliability & Quality"]. Penza, 2013. Vol. 1. P. 224-227. (In Russ.)
11. Klyuchnikov A. V. Numerical algorithm for optimization of a process of conical flying model equilibration on a vertical balancing stand [chislennyi algoritm optimizatsii protsessa uravnoveshivaniya konicheskoi letayushchei modeli na dinamicheskom balansirovoch-nom stende] // Vestnik SibSAU. 2016. Vol. 17, No. 2. P. 309-317. (In Russ.)
© Ключников А. В., 2017
