Моментно-инерционная компоновка на летно-технических характеристик при конструировании среднемагистральных самолетов

Н.М. Куприков, О.С. Долгов

Московский Авиационный Институт

(государственный технический университет),

Студенты, e-mail: [email protected]

Аннотация

В работе предложен новый подход к анализу моментно-инерционного облика самолетов, на основе решения обратной задачи и выявлены границы применения существующих методов определения моментов инерции перспективных самолетов, предложено новое направление разработки новых методов определения моментов инерции самолетов.

Ключевые слова: проектирование самолетов, моментно-инерционная компоновка, обемно-весовая компоновка.

Features detection of moment-inertia shape future aircraft in the early stages of design

O.S. Dolgov, N.M. Kuprikov

Moscow Aviation Institute (GTI),

Students, e-mail: [email protected]

Abstract

In report is widely descripted a new approach to the analysis of inertia-moments of aircraft design, based on solving the inverse problem and identified the boundaries of the existing methods for determining the inertia-moments of perspective aircraft, a new direction to develop new methods for determining the inertia-moments of the aircraft is suggested.

Key words:Aircraft design, inertia-moments inner layout, volume-weight layout

 

Непрерывный рост требований, со стороны эксплуатирующих организаций, к характеристикам современной авиационной техники привел к необходимости поиска новых проектно-конструкторских решений направленных на разработку перспективного семейства среднемагистральных самолетов. Определенные исследования были проведены для самолетов большой и сверхбольшой пассажировместимости.

Многообразие схем и вариантов моментно-инерционных компоновочных решений не позволяет исследовать всю область реализуемых компоновок самолета традиционными, не автоматизированными методами. В известных, до настоящего времени, работах, вопросы автоматизированной компоновки самолетов рассматриваются на уровне концепций построения компоновочных схем, или в них описываются конечные результаты применения отдельных компоновочных программ. Стоит отметить, что большинство систем автоматизации статичны и ориентированны на решение узкого класса задач с помощью использования строго ограниченного набора средств современных интегрированных CAD/CAM/CAE систем.

Цель работы: Провести анализ существующих решений,сделать вывод о том, являются ли методики и алгоритмы автоматизированной компоновки самолетов достаточно адекватными для моментно-инерционной компоновки, так как они, определяя меру инертности самолета при вращательных движениях, становятся определяющими для перспективных среднемагистральных самолетов.

При увеличении линейных размеров самолета взлетная масса растет пропорционально кубу линейного размера, моменты инерции – пропорционально пятой степени.

Это и обусловило необходимость проведения научных исследований и создания прикладного программного комплекса, обеспечивающего проведение эффективного анализа влияния параметров моментно-инерционной компоновки на летно-технические характеристики самолета, в составе системы формирования облика самолета.

Проведенный анализ показал, что изменение моментно-инерционного облика оказывает непосредственное влияние в первую очередь на систему управления самолетом.

Согласование возможностей системы управления с параметрами моментно-инерционной компоновки самолета, возможно, несколькими методами: а) увеличение эффективности системы управления; б) уменьшение моментов инерции самолета.

Основной путь для увеличения располагаемых моментов предполагает рост площади (объема) поверхностей управления. Однако это приводит к потерям полезной площади крыла и оперения, которую у среднемагистральных самолетов и желательно использовать для механизации и улучшения взлетно-посадочных характеристик.

Другой путь увеличения располагаемых моментов связан с увеличением плеча приложения силы. Следует заметить, что выбор плеч рулевых поверхностей ограничивается геометрическими размерами свойственными данному типоразмеру летательных аппаратов, на которые непосредственное влияние оказывают инфраструктурные ограничения. Поэтому значительно повлиять на величину располагаемых управляющих моментов через параметры плеча точки приложения силы, без концептуального изменения облика самолета, не удается, что в свою очередь не позволяет создавать перспективные решения и компоновки отвечающим современным конструкторским запросам. Дополнительным фактором, ограничивающим увеличение плеча, является недостаточная, в большинстве случаев, жесткость конструкции, в частности это приводит к потере эффективности или к обратной реакции.

Еще одним способом повышения располагаемых моментов является повышение эффективности системы управления за счет применения энергетических методов основанных на использовании избыточной мощности силовой установки, которую необходимо зарезервировать.

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод о том, что для преодоления моментно-инерционных ограничений, связанных с разнообразием типоразмера самолетов, наиболее перспективным направлением является снижение моментов инерции.

Снижение моментов инерции, также возможно несколькими методами. Моменты инерции самолета во многом зависят от схемных решений в облике самолета. На основе принятых схемных решений в зависимости от заданной массы целевой нагрузки, оборудования и снаряжения проводится формирование компоновочной схемы самолёта, заключающейся в осуществлении взаимной пространственной увязки основных компонуемых элементов самолёта и определением моментов инерции самолета. Проведенные исследования показали, что моменты инерции самолетов, рассматриваемого класса, во многом, до 50%, зависит от параметров компоновки топлива, коммерческой нагрузки и двигателей. Сформированная компоновочная схема позволяет записать уравнение моментно-инерционного баланса в относительном виде (уравнение существования самолета):

(1)

При проведении исследований в качестве целевой функции рассматривался безразмерный критерий:

(2)

Который равен отношению величин располагаемых и потребных моментов, и определяет степень управляемости самолета относительно всех осей. Выбор объясняется тем, что данный критерий наглядно отражает объемно-весовую эффективность и возможность создания самолета с использованием выбранной стратегии формирования облика системы управления:

(3)

На основе разработанных методик и моделей была создана подсистема анализа влияния моментно-инерционной компоновки на области реализации альтернативных стратегий формирования облика системы управления.

 

Программный комплекс (рис. 3.) создавался в среде MatLab 6.5, объединяющей инструменты математического моделирования, которые предоставляют богатые возможности имитации динамических систем и современный технический язык программирования.

 

Программный комплекс позволяет выполнять анализ различных вариантов моментно-инерционных компоновок самолета, визуально отображая изменение значения любого параметра на экране монитора.

С использованием разработанного программного комплекса, и результатов физического моделирования были проведены научные исследования с целью анализа влияния параметров моментно-инерционной компоновки на летно-технические характеристики самолета.

Использование разработанных характеристических матриц описывающих состав, параметры и эффективность функционирования альтернативных вариантов системы управления на основных режимах работы в совокупности с данными об изменении моментно-инерционного облика самолета в течение полета полученными в процессе проведения исследований позволило сформировать параметрический ряд областей существования самолета по критерию управляемости в зависимости от параметров моментно-инерционной компоновки и степени уменьшения эффективности работы системы управления по режимам работы.

На рисунке (рис. 4.) приведены области реализуемых значений критерия в зависимости от режима работы системы управления, выработки топлива по дальности полета, и параметров компоновки двигателей.

Таким образом, запас топлива может быть ограничен с одной стороны ростом относительной массы конструкции, а с другой моментно-инерционной компоновкой.

Это позволяет сформировать (рис. 5.) зависимость дальности полета от параметров моментно-инерционной компоновки самолета.

Использование полученных результатов позволяет сократить время, снизить стоимость и повысить качество проектно-конструкторских работ на этапе согласования моментно-инерционной компоновки самолета с возможностями системы управления. Что благоприятно отразится на улучшении летно-технических и эксплуатационно-экономических характеристиках самолета.

Программный комплекс прошел апробацию и внедрен на ряде предприятий и научно-исследовательских организаций авиационной тематики.

References

1. Roskam, J.; Airplane Desing, 1-8Bahnd, 1980-1990, Kanzas.