Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

К. т. н. Середа В. А.

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина

ОБ ЭКСТЕНСИВНЫХ МЕТОДАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
НАЗЕМНЫХ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ

Максимальное совершенство беспилотных авиационных комплексов (БАК) (высокая мобильность и низкое время развертывания) достижимо за счет использования внешней энергетики для запуска беспилотных летательных аппаратов (БЛА), т. е. наземных пусковых устройств (НПУ, катапульт). Независимо от физического принципа создания тягового усилия полезная функция НПУ сводится к преданию начальной скорости БЛА определенной массы на заданном участке разгона при ограничении по стартовой перегрузки .

Проектирование любых объектов техники, в конечном итоге, связано с получением оптимальных характеристик, коими в контексте рассматриваемой задачи является сокращение длины направляющей НПУ при выполнении полезной функции. Широкое применение интенсивных методов проектирования, которые сводятся к наращиваю энергетики привода (например, увеличение давления), ограничено предельными значениями стартовой перегрузки БЛА. В связи с этим предлагается использование экстенсивных методов, основанных на улучшении рабочего процесса.

Количественным выражением качества объекта проектирования (целевой функцией), является совершение максимальной работы по разгону БЛА на участке направляющей . Полноту совершенной работы будет определять в первую очередь закон распределения тягового усилия катапульты, который в подавляющем большинстве случаев регрессивен ввиду ограниченного запаса рабочего тела. Таким образом, в задаче оптимального проектирования НПУ искомая функция известна и имеет весьма тривиальный вид – линейный закон распределения тягового усилия.

В качестве управляющих параметров, оказывающих максимальное влияние на целевую функцию, не могут выступать общие характеристики НПУ (угол пуска, температура газа и т. д.), т. к. их влияние на закон тяги ничтожен (до 3 %). Заметное влияние на закон распределения тягового усилия оказывает глубокая модернизация рабочего процесса катапульты, которая невозможна без внесения радикальных конструктивных изменений в облик устройства [1-6]. Поэтому управляющими параметрами, должны выступать частные параметры трансмиссии или привода НПУ (спецификация в табл.):

.

Наилучшими динамическими характеристиками обладает катапульта, у которой значение управляющего параметра обеспечивает максимальное значение целевой функции в области допустимых решений . При этом множество допустимых решений задается ограничениями типа неравенств по предельно допустимой стартовой перегрузке и минимальной скорости ввода в полет БЛА .

.

Ключевую роль в составе проектного инструментария указанного класса должна принадлежать физико-математической модели рабочего процесса НПУ, отображающей взаимосвязь расширительной машины с остальными движущимися частями. Быстропеременная специфика рабочих процессов в приводе обусловливают принципиальную необходимость отображения в соответствующих моделях волновых эффектов. Таким образом, взаимосвязь между управляющими параметрами описывается с помощью нестационарной комплексной (газодинамической и механической) пространственно-неоднородной модели [4, 5] (рис. 1).

Таблица – Функции передаточного отношения (трансмиссии) и органов газораспределения (привода) различных НПУ

Кривая профиля копира [1]	y	Начальный угол наклона троса [2]	α	Координата окна подвода газа [3]	x
Диаметр окна сброса давления [4]	d	Расстояние между поршнями [5]	l	Площади секций телескопа [6]	S

Рис. 1. Структура комплексной физико-математической модели НПУ

Наилучшее значение параметра ищется путем решения прямой задачи проектирования НПУ с последующей оценкой полноты совершенной работы по разгону БЛА. Диапазон изменения управляющего параметра трансмиссии или привода задается исходя из условий работоспособности образца, согласно которым значения не подлежат изменению по техническим требованиям. Шаг, с которым изменяется управляющий параметр, назначается исходя из располагаемых вычислительных мощностей и допустимых временных затрат.

В целом указанный подход классифицируется как одномерный дискретный метод условной параметрической оптимизации. Расчетный инструментарий реализован в виде авторского программного продукта на языке Visual Fortran, позволяющего синхронно отображать характеристики трансмиссии и привода (рис. 2). Процесс в цилиндре певмопривода представлен в виде цветовых карт физических полей (давления, температуры, скорости и др.), а состояние подвижных частей – графиками изменения параметров в зависимости от положения БЛА на направляющей.

Рис. 2. Фазовый срез расчетной области модели НПУ
в конце рабочего цикла

Результатом применения предлагаемого метода оптимизации стало достижение постоянного либо близкого к постоянному закону тягового усилия с полнотой совершения работы 96-98%, и как следствие сокращение длины направляющей от 6 % до 33 % по сравнению со штатной конфигурацией при гарантии достижения заданной скорости схода БЛА с направляющей. В конечном итоге, указанное повышение компактности позволяет размещать НПУ в разложенном состоянии на легком шасси (в кузове автомобиля, палубе катера и пр.) и тем самым повысить мобильность всего БАК.

Культивируемый метод не ограничивается НПУ с расширительно машиной холодного цикла, но может быть распространен на обширный класс пиротехнических систем ввода в полет (минометный страт, стартовые ускорители, реактивные тележки) в широком диапазоне взлетных масс БЛА от 25 до 250 кг и выше.

Литература:

1. Brain T. McGeer. Methods and apparatuses for launching unmanned aircraft, including releasably gripping aircraft during launch and breaking subsequent grip motion [Text] / Brain T. McGeer, Andreas H. von Flotow, Cory Roeseler // United States Patent. Patent Number: US 7,165,745 B2. Date of Patent: Jan. 23, 2007.

2. Патент Украины на полезную модель № 65105. Способ компенсации падения тягового усилия привода катапульты [Текст] / Середа В. А.; заявитель та патентовладелец Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т». – U 2011 07117; заявл. 06.06.2011; опубл. 25.11.2011. Бюл. № 22. – 3 с.: илл.

3. Приоритет № 2012139750 на патент России на изобретение от 17.09.2012. Способ обеспечения постоянного тягового усилия привода катапульты и многоразовая система подачи рабочего тела [Текст] / авторы: А.В. Амброжевич, В.А. Середа, К.В. Мигалин; заявитель и патентовладелец: Мигалин К.В.; заявл. 10.06.2012.

4. Середа В. А. Настройка пневмопривода наземной катапульты на постоянный закон тягового усилия [Текст] / В. А. Середа // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С. П. Королева (Национальный исследовательский университет). – 2013. – № 2 (40). – С. 40-45.

5. Середа В. А. Пневматический привод наземной катапульты со свободным поршнем [Текст] / В. А. Середа // Вестник МАИ. – 2014. – № 3, т. 21. – С. 36-43.

6. Патент Украины на полезную модель № 65105. Способ регулирования тягового усилия привода катапульты [Текст] / Амброжевич А. В., Середа В. А.; заявитель та патентовладелец Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т». – U 2011 05796; заявл. 10.05.2011; опубл. 25.11.2011. Бюл. № 22. – 3 с.: илл.