УДК 629.7.085.24

Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

К. т. н. Середа В.А.

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

Улучшение динамических характеристик пневматической катапульты путем подбора давления сопротивления

Конечной целью любой инженерной практики является получении оптимальных характеристик объекта проектирования. Зачастую оптимизация сложного объекта техники подразумевает глубокую модернизацию, которая влечет за собой коренные изменения в конструкции. Наиболее рациональным направлением оптимизации наземных пусковых устройств (НПУ, катапульт) является улучшение динамических характеристик ввода в полет беспилотного летательного аппарата (БЛА).

Под оптимальными динамическими характеристиками НПУ понимается достижение заданной скорости БЛА в условиях ограничения стартовой перегрузки на минимальном участке направляющей . Такие параметры реализуемы только в условиях разгона с постоянной перегрузкой, которая с точностью до константы соответствует тяговому усилию.

Большинству НПУ с линейными пневмодвигателями присущ регрессивный закон давления расширения , вызванный падением давления в баллоне [1]. В случае высокого дросселирования запоршневого пространства, давление в нем успевает выравниваться до значения атмосферного . Таким образом, суммарное полезное давление и тяговое усилие на поршне также приобретают невыгодный регрессивный характер (рис. 1).

Управление тяговым усилием предлагается осуществлять с помощью противодавления в запоршневом пространстве. Путем подбора площади сечения клапана быстрого сброса давления удается подобрать закон истечения, который является эквидистантой к давлению расширения . В результате чего суммарное давление приобретает постоянную величину (рис. 2).

Давление в запоршневом пространстве создается золотниковым механическим (или электрическим) распределителем для приведения подвижных элементов трансмиссии в исходное положение после очередного рабочего цикла. В связи с увеличением давления сопротивления, давление в баллоне необходимо увеличивать на соответствующую величину с целью получения идентичных штатной конфигурации значений перегрузки.

Рис. 1. Баланс давлений в классическом пневмоприводе	Рис. 2. Баланс давлений в пневмоприводе с сопротивляющейся воздушной полостью

Подбор закона истечения проводился на основании нестационарной пространственно-неоднородной модели НПУ, комплексный характер которой обеспечивается замыканием уравнениями динамики механической трансмиссии. Выявление оптимальной конфигурации НПУ осуществлялось методом нормирования тягового усилия [2], который сводится к определению отклонения очередной циклограммы от постоянного закона тяги.

В качестве примера объекта исследования было выбрано НПУ с направляющей длиной для ввода в полет БЛА с минимальной скоростью массой и предельно допустимой перегрузкой . Результаты каждого расчета получены в виде фазовых срезов, воспроизводящих переменные во времени состояния физических полей и интегральные характеристики устройства (рис. 3). Расчеты проводились на базе авторского программного комплекса, разработанного в среде программирования Compaq Visual Fortran и пакета генерирования ортогональных сеток Mesh 3D для среды проектирования Solid Works.

Рис. 3. Фазовый срез расчетной области пневматической катапульты

Поиск наилучшего значения диаметра клапана проводился в несколько итераций с шагом 0,04 дюйма (начиная с 0,23 дюймов) и последующим нормированием полученного тягового усилия, а также оценки средней перегрузки и начальной скорости БЛА (рис. 4 а, б). В результате удалось получить постоянный закон тягового усилия и сократить участок разгона на 11 %, т. е. до 2,66 м при гарантии достижения минимальной скорости ввода в полет БЛА. Качественно идентичные (эквидистантные) законы расширения и сопротивления удается получить при диаметре клапана сброса давления 0,23 дюйма (поз. 4) при начальном давлении в рабочей полости и запоршневом пространстве 8,8 и 3,0 атм соответственно.

В целом, можно констатировать сложности в достижении эквидистантных законов расширения и сопротивления путем однопараметрического регулирования величины проходного сечения клапана сброса давления. Кроме этого, необходимо регулирование баланса начального уровня давлений в рабочей и запоршневой полостях цилиндра.

Главным недостатком предлагаемого способа улучшения динамических характеристик НПУ является невозможность принудительной натяжки троса перед стартом за счет создания незначительного усилия на штоке и постановке БЛА на замок. Предварительная подтяжка троса необходима для предотвращения разрыва кинематической связи между шкивами и тросом (при его натяжении) в момент страгивания БЛА.

а	б
Рис. 4. Изменение динамических характеристик НПУ вдоль направляющей: а – стартовая перегрузка; б – скорость разгона БЛА
Номер итерации: 0 – при отсутствии сопротивления поршню; 1-4 – при различном значении диаметра клапана сброса давления

Литература:

1. Середа В.А. Классификация законов распределения тягового усилия наземных пусковых устройств беспилотных летательных аппаратов / В.А. Середа // Авиационно-космическая техника и технология. – 2010. – № 4 (71). – С. 63-66.

2. 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.