Способ определения координат центра масс самолета
METHOD OF DETERMINING THE COORDINATE OF THE AIRCRAFT'S CENTER OF MASS

Изобретение относится к области аэрокосмической техники и может быть использовано для определения координат центра масс самолета в полете.
Положение центра масс самолета является важным фактором, влияющим на летно-технические характеристики самолета. Взаимное расположение центра масс и фокуса самолета определяет статическую устойчивость самолета. Изменение положения центра масс (центровки) самолета приводит к изменению его характеристик устойчивости и управляемости, что оказывает влияние на летно-технические характеристики самолета, включая потребление топлива.
Значения координат центра масс самолета учитываются при определении характеристики устойчивости и управляемости, построении и пересчете балансировочных зависимостей, идентификации значений коэффициентов и производных коэффициентов аэродинамического момента тангажа самолета.
пп
ПЗ
Из условий сохранения управляемости и устойчивости устанавливаются допустимые пределы изменений центровок: предельно передняя х, предельно задняя х,
ПП
ДОП
ПЗ
x≤х≤х
Значения предельных центровок для каждого типа самолетов приводятся в технических описаниях самолетов и в инструкциях по их эксплуатации и оказывают влияние на управляемость и устойчивость самолета в полете.
Т
На современном самолете масса топлива может составлять до 50% взлетной массы самолета. В процессе полета самолета происходит выработка топлива, находящегося в топливных баках, которые расположены в разных частях самолета (фюзеляже, крыле, вертикальном и горизонтальном оперении), кроме того, самолет может быть оборудован подвесными топливными баками, в результате чего изменяется масса самолета и положение его центра масс. Ввиду сложной геометрии топливных баков, при изменении значений угла ϑ наклона свободной поверхности топлива в баках относительно строительной горизонтали фюзеляжа (СГФ) самолета координаты центра тяжести самолета изменяются даже в случае постоянных значений остатков топлива в баках.
Известен расчетный способ, заключающийся в определении координат центра масс самолета на основании чертежей [В.С. Ведров, М.А.Тайц, «Летные испытания самолетов», Москва, 1951, с. 34…38]. С этой целью используют формулы механики (Ю.И. Снешко «Исследования в полете устойчивости и управляемости самолета», Москва, Машиностроение, 1971, с. 156-158):
где Xt, Yt - координаты центра масс самолета относительно произвольно выбранной системы осей, м;
i
G - масса отдельных частей, агрегатов и оборудования самолета, кг;
G - суммарная масса самолета, кг;
i
i
x, y - координаты центров масс частей и агрегатов, м.
Недостаток данного способа заключается в том, что он применим только на первоначальном этапе создания и сборки самолета для проверки компоновки его основных частей. Необходимо иметь чертежи самолета и ведомость веса частей и агрегатов, а также знать положение их центров масс на самолете.
Известен способ определения координат центра масс самолета посредством его взвешивания [М.Г. Котик, Л.В. Павлов, И.М. Пашковский, Н.Г. Щитаев, «Летные испытания самолетов», Машиностроение, Москва, 1968, с. 16…19]. Центровка после взвешивания определяется по формуле двухопорной балки.
Недостаток данного способа заключается в том, что он не учитывает фактически реализуемый в полете порядок выработки топлива из баков, который может отличаться от заданного порядка выработки. Кроме того, при неполных баках положения центров масс топлива в баках зависят от угла наклона свободной поверхности топлива в баках.
Наиболее близким аналогом является способ определения координат центра масс самолета с использованием центровочных зависимостей для заданного программного порядка выработки топлива в баках [«Справочник авиационного инженера», Москва, Транспорт, 1973 г., стр. 67-71]. Центровочные зависимости - это зависимости координат центра масс самолета от суммарного остатка топлива, представляемые в графической или табличной форме. Такие зависимости получают расчетным путем и проверяют экспериментально в процессе так называемых «проливок», когда самолет устанавливают на весы и регистрируют показания весов в процессе слива топлива в соответствии с программным порядком выработки топлива в баках.
В качестве недостатков ближайшего аналога можно указать следующее:
- определяется зависимость координат центра тяжести самолета от суммарного остатка топлива, соответствующая заданному программному порядку выработки топлива в баках, которая может отличаться от фактически реализуемого распределения топлива по бакам;
- не учитывается зависимость положения центра тяжести от наклона поверхности топлива в баках, связанного с изменением вектора суммарной перегрузки, действующей на самолет в полете.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности вычисления координат центра масс самолета в любой момент времени полета.
Указанный технический результат достигается тем, что с помощью датчиков, установленных на самолете, измеряют в полете продольную и нормальную перегрузку самолета и датчиков, установленных в топливной системе, измеряют значения остатков топлива в каждом топливном баке самолета и, используя тарировочную зависимость координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла наклона свободной поверхности топлива в баках относительно СГФ, вычисляют значение координат центра масс самолета в любой момент времени полета.
Способ определения координат центра масс самолета заключается в следующем.
Для вычисления центра масс самолета учитывают дополнительное изменение координат центра масс, возникающее вследствие действия факторов, влияющих на положение центра масс самолета, для чего выполняют следующие измерения и вычисления, являющиеся исходными данными:
- в процессе выполнения заданных режимов полета измеряют:
х
у
- продольную n и нормальную n перегрузку,
k
- остатки топлива GtB в каждом топливном баке самолета;
Т
х
у
- по значению отношения продольной и нормальной перегрузок вычисляют угол наклона свободной поверхности топлива в топливных баках самолета ϑ=arctan{n/n) относительно СГФ;
- по вычисленным углам наклона свободной поверхности топлива и измеренным значениям остатков топлива в топливных баках, используя тарировочную зависимость координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла наклона свободной поверхности топлива в баках, а также при известных значениях массы самолета и координат центра масс самолета при нулевом остатке топлива (масса самолета без топлива), вычисляют значения координат Xt(t) и Yt(t) центра масс самолета в любой момент времени полета
где k - номер топливного бака, k изменяется от 1 до kВ;
kВ - количество баков;
k
XtB(t) - значения координаты X центра масс бака номер k, k изменяется от 1 до kВ;
k
YtB(t) - значения координаты Y центра масс бака номер k, k изменяется от 1 до kВ;
k
GtB(t) - значения остатков топлива в баках в момент времени t [кг];
Gt=0
Gt=0
XtB, YtB - значения координат центра масс самолета при нулевом остатке топлива [м];
сам_gt=0
GtB - масса самолета при нулевом остатке топлива [кг] (масса пустого самолета).
T
Т
Тарировочные зависимости координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла ϑ наклона свободной поверхности топлива в баках относительно СГФ (при горизонтальном полете с постоянной скоростью без крена или при стоянке на земле без крена угол наклона ϑ соответствуют углу тангажа самолета), полученные расчетным путем или иным способом, определяются с использованием kВ зависимостей:
k
k
T
XtB=ƒ _ XtBk __ tarir{GtB, ϑ)
k
k
T
YtB=ƒ _ YtBk _ tarir{GtB, ϑ),
где k - номер топливного бака, k изменяется от 1 до kВ;
kВ - количество баков;
T
ϑ - угол наклона свободной поверхности топлива в баках относительно (СГФ), градусы;
k
GtB - значения остатков топлива в баке номер k [кг];
k
k
XtB, YtB - значения координаты центра масс бака номер k [м].
z
Угол наклона свободной поверхности топлива в баках при небольших значениях поперечной перегрузки n и при постоянных (медленно меняющихся) значениях отношения продольной и нормальной перегрузок, вычисляется по формуле:
T
x
у
ϑ=arctan(n/n).
T
T
Тарировочные зависимости координат центра масс топлива в баке от значений остатков топлива в баках и значений угла ϑ реализуются в виде функций и программируются, для вычисления массивов значений координат центров масс всех kВ баков на основе массива значений остатков топлива в баках и значения угла ϑ.
Точность вычисления значений координат центра масс самолета повышена за счет учета факторов, влияющих на положение центра масс самолета, для этого выполняются:
х
у
k
- измерение продольной n и нормальной n перегрузок и остатка топлива GtB в каждом топливном баке самолета в процессе выполнения режимов полета;
T
х
у
- вычисление угла наклона свободной поверхности топлива в топливных баках самолета ϑ=arctan(n/n) относительно СГФ по значению отношения продольной и нормальной перегрузок.