ОРГАН УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ФОКУСОМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель касается аэродинамических органов управления летательных аппаратов.
Наиболее близкими по функциональному назначению прототипами являются классические стабилизаторы и дестабилизаторы (энциклопедия «Авиация», стр.207, 532). Эти аэродинамические поверхности предназначены для обеспечения рациональной степени продольной статической устойчивости, характеризуемой расстоянием между положением аэродинамического фокуса летательного аппарата (ЛА) и положением центра масс ЛА.
Существенным признаком прототипа совпадающим с существенным признаком предлагаемого решения является обеспечение рационального с точки зрения устойчивости и управляемости ЛА положения аэродинамического фокуса ЛА относительно центра масс ЛА.
К недостаткам прототипов следует отнести отсутствие возможности управлять положением аэродинамического фокуса в зависимости от текущего положения центра масс и текущих условий полета.
Технической задачей на решение которой направлена предполагаемая полезная модель обеспечение в каждый момент полета желательного соотношение между положением центра масс и положением аэродинамического фокуса.
Указанный технический результат достигается за счет использования эффектов статической аэроупругости, для чего аэродинамическая поверхность выполнена поворотной и снабжена валом, соединенным с рулевой машиной посредством рычажного механизма. При этом рычажный механизм, передающий шарнирный момент с вала на рулевую машину, содержит одно или несколько звеньев, представляющих собой механические либо пневматические пружины. Управление положением фокуса осуществляется перемещением штока рулевой машины, что приводит к изменению силы натяжения или сжатия пружины. На фиг.1 приведена одна из возможных схем заявленного органа управления.
На этом рисунке:
1 - Аэродинамическая поверхность
2 - Вал
3 - Опорные подшипники вала
4 - Ось поворота аэродинамической поверхности
5 - Рычаг вала
6 - Шток рулевой машины
7 - Рулевая машина
8 - Пружина
9 - Аэродинамический шарнирный момент
Рычажный механизм, передающий шарнирный момент на шток рулевой машины, включает рычаг вала 5 и пружину 8.
Возможность управления положением аэродинамического фокуса в процессе полета с помощью предлагаемого органа стабилизации демонстрируется приведенным ниже примером, который иллюстрируется рисунками фиг.2 и фиг 3.
Ш
0
На фиг.2 показано исходное состояние одного из возможных вариантов рассматриваемого органа стабилизации. Предполагаем, что в этом состоянии аэродинамический шарнирный момент отсутствует, а механизм передачи усилия находится в мертвом положении, т.е. шарниры О, А и В лежат на одной прямой (хотя на рисунке линия ОАВ совпадает с осью летательного аппарата, это не обязательно). Считаем, что тяга АВ выполнена в виде пружины, коэффициент жесткости которой обозначим через k. Очевидно, что при отсутствии аэродинамического шарнирного момента любому положительному перемещению штока рулевой машинки x (т.е. любому смещению влево конца В пружины) будет соответствовать один и тот же угол отклонения рулевой поверхности δ (угол начальной установки).
Ш
Рассмотрим теперь ситуацию, соответствующую отклонению руля под действием аэродинамического шарнирного момента М на угол δ от исходного положения (фиг.3).
Уравнение равновесия составим в вариационном виде:
Здесь П - потенциальная энергия пружины, .
В свою очередь ΔL - приращение длины пружины, имеющей длину L в недеформированном состоянии (т.е. в недеформированном состоянии АВ=L).
Таким образом,
Воспользовавшись теоремой Пифагора, запишем соотношение
,
из которого получим:
После несложных операций уравнение равновесия приобретет вид:
Полученное уравнение является нелинейным относительно угла δ. Однако для имеющих практический смысл геометрических размеров и малых углов δ (δ<0.3 рад.) оно может быть линеаризовано почти без потери точности. Нетрудно получить следующее линеаризованное уравнение:
Примем, что для шарнирного момента от аэродинамических сил справедлива следующая линеаризованная зависимость:
Здесь ρ, V - соответственно плотность воздуха и скорость полета,
S - площадь поворотной поверхности,
- производная коэффициента шарнирного момента аэродинамической поверхности по углу отклонения δ.
Ш0
Выше для простоты мы положили, что шарнирный момент M, соответствующий нулевой подъемной силе поверхности, равен нулю (это соответствует симметричному профилю). Мы предположили также, что производные коэффициента шарнирного момента по α и δ равны друг другу.
Подставив (5) в (4) и разрешив полученное уравнение относительно угла δ, получим:
Здесь  - скоростной напор.
Запишем теперь линеаризованное выражение для подъемной силы, действующей на рулевую поверхность:
Это выражение также является приближенным, поскольку принято, что производные коэффициента подъемной силы  и  одинаковы.
Подставив (6) в (7), придем к окончательному выражению для подъемной силы рулевой поверхности:
Это выражение перепишем следующим образом
Здесь
Э
Величину S назовем эквивалентной площадью рассматриваемой аэродинамической поверхности.
Э
Э
Ш
Ш
Ш
Из формул (9) и (10) следует, что рассматриваемая нами поворотная поверхность создает такую же подъемную силу, как и жестко закрепленная (неповоротная) поверхность с площадью S=S(x). Как видим, величина эквивалентной площади зависят от ряда конструктивных параметров (L, OA, , k), условий полета (q, ), а также от перемещения штока рулевой машинки x. Последнее обстоятельство позволяет путем изменения x управлять величиной эквивалентной площади в процессе полета, а, следовательно, и положением аэродинамического фокуса летательного аппарата.
Обратим внимание на то, что в отличие от обычной площади эквивалентная площадь может принимать и отрицательные значения. Это означает, что при определенных условиях положительные углы атаки летательного аппарата вызывают на рассматриваемой нами поверхности отрицательную подъемную силу.
Отличительными признаками предлагаемого органа управления является то, что он выполнен в виде поворотной аэродинамической поверхности, соединенной с помощью рычажного механизма с рулевой машиной, причем одно или несколько звеньев рычажного механизма являются механическими либо пневматическими пружинами.
Цели, которые могут быть достигнуты при использовании предлагаемого органа стабилизации.
1). Оптимизация условий управления полетом.
ш
Зная в каждый момент полета положение центра масс летательного аппарата, число Маха и скоростной напор, с помощью управления величиной х можно добиться оптимального (с точки зрения решения задач управления) рассогласования между положением центра тяжести летательного аппарата и положением его аэродинамического фокуса.
2). Минимизация мощности приводов, используемых для управления полетом.
Система управления любого летательного аппарата выполняет две функции.
Первая функция - балансировка моментов всех сил относительно центра масс. Балансировка нарушается вследствие изменения положения центра масс (расход топлива) и от скорости полета (число Маха), т.е. она зависит от сравнительно медленно меняющихся параметров.
Вторая функция - оперативное управление, т.е. управление для реализации заданных алгоритмов движения (траекторий) и парирование непредвиденных возмущений. Это управление должно обладать достаточным быстродействием.
Традиционная система управления, исполнительными органами которой являются, например, поворотные стабилизаторы, выполняет обе эти функции одними и теми же органами управления (в данном случае поворотными стабилизаторами). При этом шарнирный момент стабилизаторов, преодолеваемый рулевой машинкой, должен соответствовать требованиям балансировки, а скорость поворота стабилизаторов - требованиям оперативного управления. Поскольку мощность есть произведение шарнирного момента на угловую скорость, произведение этих величин и определяет потребную мощность приводов.
При использовании рассматриваемых здесь органов управления функция балансировки может быть выполнена именно этими поверхностями, причем потребная скорость перемещения штока соответствующего привода определяется скоростями изменения центровки, скоростного напора и числа Маха. Поскольку в ряде важных случаев эти скорости невелики, то и потребная мощность соответствующих приводов может быть небольшой. В связи с тем, что функция балансировки с рулевых поверхностей, используемых для оперативного управления, теперь снята, их площади и соответствующие шарнирные моменты могут быть существенно уменьшены. Таким образом, общая потребная мощность приводов всех рулей окажется меньшей, чем при традиционном управлении.
3). Новые возможности в компоновках летательных аппаратов.
ш
При значениях х, соответствующих отрицательным значениям эквивалентной площади, рассматриваемый орган управления, будучи установленным впереди центра масс летательного аппарата, выполняет роль стабилизатора, а при размещении позади центра масс - роль дестабилизатора. Это парадоксальное свойство может оказаться полезным в ряде случаев.