CC BY
49
УДК 629.7.015.3
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ДЕМПФИРОВАНИЯ НЕПРОИЗВОЛЬНЫХ БОКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ САМОЛЕТА
Ю.Б. ДУБОВ
Статья представлена доктором технических наук Бюшгенсом А.Г.
Выявлены причины появления непроизвольных боковых колебаний маневренного самолета при выходе его на большие углы атаки. Оценено влияние ряда аэродинамических коэффициентов на характер движения самолета. Рассмотрено использование автоматизации бокового канала управления для подавления боковых колебаний.
Ключевые слова: боковые колебания самолета, большие углы атаки, автоматическое подавление колебаний.
Известно, что выход самолета на большие углы атаки a сопровождается развитием целого ряда явлений [1], одним из которых являются рассматриваемые в данной статье непроизвольные боковые колебания. Слабо демпфированные боковые колебания на больших углах атаки в той или иной мере присущи многим современным маневренным самолетам [2; 3]. Воспринимаются они летчиком, главным образом, как колебания вокруг продольной оси и получили в литературе название "Wing Rock" (WR), т.е. колебания по крену. В ряде случаев эти колебания переходят в установившиеся с приблизительно постоянными амплитудами параметров движения.
Сильные боковые колебания самолета на больших a делают практически невозможным контроль пространственного положения самолета и успешное применение оружия. Поэтому вопрос их устранения является чрезвычайно важным с позиций расширения допустимых углов атаки.
Анализ материалов летных испытаний
Примеры переходных процессов, полученные в летных испытаниях (ЛИ) и в аэродинамической трубе, для самолетов Б-14 [4], Х-29 [5] и МиГ-23 [2; 3] приведены на рис. 1. Там же даны некоторые из аэродинамических характеристик для этих самолетов.
Из рис. 1 видно, что колебания по крену имеют место при выполнении различных маневров с отклоненными и не отклоненными рулями, при этом частота колебаний лежит в диапазоне ю ~ 2 с-1 ■ 3 с-1, а амплитуда колебаний по угловой скорости крена достигает значений Лш ~ ±55%.
Из анализа аэродинамических характеристик рассматриваемых самолетов нетрудно заметить, что колебания наблюдаются на углах атаки, где имеет место низкий уровень путевой статической устойчивости или неустойчивость (тУ > 0 ) и уменьшение демпфирования крена (т^* > 0).
Приведенные на рис. 1 аэродинамические характеристики по углам атаки были получены для небольшого диапазона изменения углов скольжения.
Однако при выходе на большие а угол скольжения может изменяться в значительных пределах, характеристики становятся нелинейными не только по углу атаки, но и по углу скольжения, и физическая картина явления WR значительно усложняется. В частности, могут наблюдаться установившиеся колебания - предельные циклы. Пример существования таких колебаний дается в работах [6; 7].
На рис. 2 в качестве еще одного примера приведена осциллограмма записи ряда параметров движения из ЛИ маневренного самолета при выходе его на большие а.
0.005
Колеоаниз? НА аС / '
Р-«А
хХ с ПОАеСЧжЗ^ \
10 20 \30 ¿0 сС
Колсс-лниу НА Г\Ъ МЛД
С0.5 03, ®-С«0РРеКТ1/РС1ЬАННАЗ АЭОС^ЖАмиКА . О-Ы СХОДНА?
СО
о
-100
С ПОДВЕСКЛии
10
перекладки сС- (5°
с&оБюд+ю летаюсцая модель 6 о^ро^.труее
Рис. 1. Аэродинамические характеристики и переходные процессы, полученные в летных испытаниях
Рис. 2. Пример боковых колебаний самолета, полученных в летных испытаниях
Из рис. 2 видно, что на самолете, начиная с а - 30о, наблюдается расходящийся процесс в боковом движении, который затем переходит в установившиеся колебания (автоколебания), с периодом Т - 3,5 с и амплитудами по угловым скоростям крена рыскания, равными Лю = ±45о/с, Лю - ±12о/с соответственно.
Таким образом, весь процесс развития колебаний при а > 30о может быть разбит на два интервала: первому (1 - 95 с ^ 112 с) соответствуют расходящиеся колебания; второй интервал
(1 - 112 с - 125 с) характеризуется наличием колебаний с приблизительно установившейся амплитудой (а = 40° - 45 °).
Сравнение расчетов и летных записей по основным параметрам движения
С целью обеспечения соответствия расчетов и летных записей по основным параметрам движения было выполнено математическое моделирование динамики полета самолета с отключенной системой улучшения устойчивости и управляемости (СУУ). При расчетах использовались типичные аэродинамические характеристики маневренного самолета [2; 3]. Найденное для режима полета Н = 10 км, М - 0,35, ^ = -6° решение (рис. 3) соответствовало по своим параметрам и типу устойчивости результатам ЛИ (рис. 2).
О - Ыо =40" 1
(* — = 36" > СУУ ОТКА.
® - * 28° J
---«О—Д,-
-Ч2> -«.Ь
С
О
—СНПн®-
0.5
Рис. 3. Переходные процессы в боковом движении и корни соответствующей линеаризованной системы уравнений (расчетные оценки)
Из этого решения, в частности, следует, что углы атаки, где амплитуды по скоростям крена и рыскания достигают максимальных значений, лежат в диапазоне углов атаки а - 35° - 40°. На этих а самолет обладает значительной путевой неустойчивостью тУ - 0,003 (в < 10°) и слабой
поперечной устойчивостью тX - -0,001 при малых углах скольжения (в < 5°). Комплексная
производная + mb sin a, характеризующая демпфирование крена при a - 40o ^ 44°, положительна, т.е. имеет место антидемпфирование крена.
Оценка влияния аэродинамических коэффициентов на характер движения самолета
С этой целью были построены траектории корней по каждому из основных коэффициентов бокового движения (рис. 4, 5).
Рис. 4. Траектории корней по коэффициентам тX , тУ
Рис. 5. Траектории корней по вращательным производным
Из рис. 4, 5 видно, что изолированное изменение каждого из параметров бокового движения в разумных пределах не обеспечивает наличие всех корней бокового движения в левой полуплоскости; наиболее заметный положительный эффект наблюдается при увеличении параметра ш X.
Совместное увеличение производных ш X и ш У обеспечивает устойчивость движения, однако потребные изменения этих коэффициентов могут оказаться достаточно большими и трудно реализуемыми на практике.
Удовлетворительный переходный процесс, вообще говоря, можно получить при различных сочетаниях аэродинамических производных. Однако обычно на существующей компоновке средствами аэродинамики обеспечить необходимые изменения статических производных устойчивости довольно трудно, а вращательных производных - практически невозможно. Использование же автоматики (имеется в виду линейная постановка) эквивалентно изменению соответствующих производных устойчивости и вращательных производных только в определенной взаимосвязи, определяемой значениями производных управляемости, и требует наличия на больших а достаточной эффективности аэродинамических органов управления.
Из сказанного следует, что коэффициенты статической путевой и поперечной устойчивости и демпфирование крена могут оказывать существенное влияние на характер бокового колебательного движения.
Использование автоматизации бокового канала управления для подавления боковых колебаний
Как показали материалы ЛИ самолета, подключение штатной СУУ для подавления автоколебаний на больших углах атаки не дает желаемого эффекта.
Одна из причин этого может быть связана с тем, что эффективность органов поперечно-путевого управления - элеронов и руля направления - с ростом углов атаки значительно уменьшается.
На больших а наиболее эффективным органом поперечного управления (имеется в виду создаваемый им момент крена) является дифференциальный стабилизатор. Эффективность стабилизатора по крену на больших а значительно выше эффективности элеронов, так, например, для типового маневренного самолета 4-го поколения на а - 40о она приблизительно в 3,5 раза
превышает эффективность элеронов, которая составляет шХэ - -0,00035 1/град; при этом дифференциальный стабилизатор имеет подкручивающий момент рыскания (шу > 0) вместо тормозящего у элеронов.
В серийном варианте рассматриваемого самолета наиболее просто реализовывалось подключение дифференциального стабилизатора по закону Дфст = К-5э. Пример использования дифференциального стабилизатора для демпфирования боковых колебаний показан на рис. 6.
Из анализа переходных процессов на рис. 6 видно, что максимальные углы отклонения руля направления для демпфирования колебаний в большинстве случаев не превышают значений Д8н » ±8°. Если учесть при этом, что руль направления используется на больших а также для
ншах
поперечного управления, то целесообразно иметь полный ход руля направления от автоматики.
Штатная схема бокового канала управления (сплошные линии) и предлагаемые изменения (пунктир) в ее структуре показаны на рис. 7.
Рис. 6. Демпфирование боковых колебаний с использованием дифференциального стабилизатора
£1>„(иб)
Рис. 7. Схема бокового канала управления и предлагаемые изменения в ее структуре (пунктир) для увеличения степени затухания боковых колебаний
Результаты летных исследований
С учетом данных моделирования была составлена и реализована в специальных ЛИ программа по оценке рекомендуемых мероприятий (выполнено около 50 полетов). Полученные в итоге ее выполнения результаты в целом подтвердили выводы, полученные при моделировании.
С уточненными в ЛИ передаточными коэффициентами в канале элеронов и подключением дифференциального стабилизатора (максимальный ход от автоматики составлял Афавт = ±2°) к демпфированию колебаний по сигналу юх максимальные амплитуды колебаний по угловой скорости на углах атаки а - 36° были уменьшены в 2,5 ■ 3,0 раза, а именно с Аюх = 35°/с ■ 40°/с до А«х = 10°/с ■ 12°/с.
Таким образом, из результатов расчетного анализа и оценки в ЛИ динамики самолета при выходе его на большие углы атаки следует, что главными причинами возникновения боковых колебаний являются неустойчивость бокового движения при малых углах скольжения, обусловленная высокой степенью путевой неустойчивости, низким запасом поперечной устойчивости, резким снижением поперечного демпфирования, а также взаимодействие продольного и бокового движений.
Использование автоматизации бокового канала управления с введением сигналов угла скольжения и подключения дифференциального стабилизатора для демпфирования позволяет
значительно улучшить характеристики бокового колебательного движения: затянув начало колебаний на большие углы атаки и значительно снизив их амплитуды.
В заключение следует еще раз отметить, что полученные в данной работе результаты справедливы в рамках принятой математической модели аэродинамики без учета ряда сложных физических явлений, сопровождающих обтекание самолета на больших углах атаки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубов Ю.Б., Суханов В.Л., Тарасов А.З. Освоение больших углов атаки // Полет. - 1998. - С. 58 - 68.
2. Лебедь Н.К., Дубов Ю.Б., Черниговский В.И., Пятахин В.И. Улучшение маневренных характеристик самолета с крылом изменяемой геометрии // Техника воздушного флота. - 1988. - № 4, 5.
3. Воронцов С.И., Дубов Ю.Б., Загайнов Г.И., Клепов Ю.Т., Новиков А.В. Туманов М.В., Целунов М.М.
Улучшение устойчивости и управляемости маневренного самолета на больших углах атаки средствами автоматизации бокового канала управления // Техника воздушного флота. - 1984. - № 3.
4. Gera J., Willson R.J., Enevoldso E.K. Flight Test Experience with High-Control System Techniques on the F-14 Airplane. AJAA-81-2505.
5. Grafton B., Gilbert W.P., Croom M.A. and Murri D.G. Yigh-angle-of-attack characteristics of a forward swept wing fighter configuration. AIAA Paper № 82-1322.
6. Дубов Ю.Б., Новиков А.В. Устойчивость бокового движения самолета на больших углах атаки при нелинейных зависимостях поперечного и путевого моментов от угла скольжения // Труды ЦАГИ. - 1982. - Вып. 2167.
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF PROVISIONS OF A IMPROVEMENT OF DAMP OF INVOLUNTARY LATERAL OSCILLATIONS OF THE AIRPLANE
Dubov Yu.B.
The reasons of occurrence of involuntary lateral oscillations of a maneuverable airplane are established at its exit large-angle attacks. Agency of some aerodynamic coefficients on character of driving of an airplane is sized up. Use of automation of a side control channel for suppression of lateral oscillations is observed.
Key words: involuntary lateral oscillations of airplane, large-angle attacks, automation for suppression of oscillations.
Сведения об авторе
Дубов Юрий Борисович, 1940 г.р., окончил МФТИ (1967), кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, автор более 50 научных работ, область научных интересов — динамика системы управления маневренных самолетов, большие углы атаки, моделирование на пилотажных стендах.
