ПРИНЦИПИ ДОСТОВІРНОГО ВИБОРУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ВІЛЬНОЛІТАЮЧИХ ДИНАМІЧНО ПОДІБНИХ МОДЕЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ ПРИ ПРОЄКТУВАННІ - Scientific conference
Main page
UA PL EN

Congratulation from Internet Conference!

Hello

Рік заснування видання - 2011

ПРИНЦИПИ ДОСТОВІРНОГО ВИБОРУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ВІЛЬНОЛІТАЮЧИХ ДИНАМІЧНО ПОДІБНИХ МОДЕЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ ПРИ ПРОЄКТУВАННІ

11.12.2025 12:01

[3. Technical sciences]

Author: Бетін Олександр Володимирович, доктор технічних наук, професор, Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, м. Харків; Гуменний Андрій Михайлович, кандидат технічних наук, доцент, Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, м. Харків; Бетін Денис Олександрович, кандидат технічних наук, Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, м. Харків; Колоскова Ганна Миколаївна, кандидат технічних наук, доцент, Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, м. Харків


ORCID: 0000-0001-8613-2925 Бетін О.В.

ORCID: 0000-0003-1020-6304 Гуменний А.М.

ORCID: 0000-0002-1895-5943 Бетін Д.О.

ORCID: 0000-0001-7118-0115 Колоскова Г.М.

Найефективнішим способом розв’язання проблем створення сучасних літаків є застосування вільнолітаючих динамічно подібних моделей (ВДПМ) – багаторазових безпілотних апаратів для дистанційно-пілотованих або автоматичних польотів. У різних країнах розробляли теорію, методику, технологію виготовлення та випробувань ВДПМ. Прикладами успішних програм є дослідження динаміки польоту літаків у США (F-4, F-15, F-18, F-5, F-14, X-29, YF-16, HiMAT, X-31) та сучасні проєкти AirSTAR, Х-48 NASA і PTERA (рис. 1).

У СРСР та Україні метод ВДПМ активно розвивали фахівці Харківського авіаційного інституту, створивши теоретичні основи та методичний апарат дослідження критичних режимів польоту на основі широких експериментальних даних [1].

Попри фундаментальність методу, при визначенні параметрів ВДПМ довго враховували не всі необхідні обмеження: аеродинамічні умови подібності, вплив шорсткості поверхні, технічні обмеження геометрії та моментів інерції (МІ), а також ряд положень математики й теорії похибок. Це зумовлювало ризик помилок на ранніх етапах проєктування й ускладнювало гарантування точності моделювання польотів натурних літаків. Тому виникла задача обґрунтування достовірності проєктних рішень.




Рисунок 1 – ВДПМ літаків в програмах Airstar (а), Х-48 NАСА (б) і PTERA (в)

Проєктування ВДПМ здійснюють поетапно, використовуючи метод послідовних уточнень – від концепції до деталізації [2]. Концептуальному проєктуванню передує формування вимог: аналіз цілей розробки, характеристик модельованого літака, даних попередніх досліджень, особливостей взаємодії з іншими елементами дослідницького комплексу та умов адекватного відтворення потрібних режимів польоту. Це дозволяє визначити загальні характеристики майбутньої моделі, льотно-технічні вимоги (ЛТВ) та сформувати ТЗ.

ЛТВ для ВДПМ охоплюють вимоги до льотно-технічних і експлуатаційних характеристик, необхідних для забезпечення подібності з натурним літаком: склад бортового обладнання, спосіб виходу на досліджувані режими, параметри носія, системи посадки і гальмування. Також до ЛТВ для ВДПМ входять вимоги до габаритів (наприклад, до характерного лінійного розміру  ) і стартової маси   ВДПМ у вигляді




де – мінімальний і максимальний характерні розміри ВДПМ за ЛТВ;– максимальна стартова маса ВДПМ за ЛТВ.

Попереднє (облікове) проєктування ВДПМ включає визначення її основних параметрів, конструктивно-силової схеми, складу обладнання й двигунів, вибір систем гальмування, посадки та способу виведення на потрібний режим польоту. На цьому етапі формують закони роботи систем автоматичного керування для коректного відтворення динаміки натурного літака. Важливим завданням є прогнозування льотних характеристик ВДПМ. Результатом етапу є креслення загальних видів, вибір раціональної системи запуску та дані про проєктні льотно-технічні й економічні характеристики, на основі яких ухвалюють рішення щодо продовження розробки.

Заключний етап – робоче проєктування, спрямоване на реалізацію заданих параметрів. Тут виконують розрахунки МІ (у третьому наближенні) за ваговими відомостями і таблицями, здійснюють потрібне членування конструкції та систем залежно від необхідної точності. На цьому етапі оформлюють повний комплект технічної документації для виготовлення, монтажу й експлуатації всіх агрегатів і ВДПМ у цілому [3].

Під час проєктування ВДПМ основними параметрами зазвичай є характерний лінійний розмір lм, стартова маса mм, а також і відцентрові моменти інерції lхм, lyм, lzм. Визначення цих параметрів потребує компромісу між умовами подібності та технічної здійсненності. Умови подібності задають необхідні співвідношення параметрів для коректного відтворення досліджуваних явищ, тоді як технічна здійсненність визначає реально можливі значення. Найбільшу увагу приділяють мінімальним технічно досяжним параметрам (рис. 2).

Основні параметри ВДПМ утворюють вектор, який у системі автоматизованого проєктування визначають комплексним методом на основі теорії подібності, розрахунку параметрів та прогнозування льотних і дослідних можливостей. Вектор Qni, що відповідає умовам подібності, називають вектором потрібних параметрів; сукупність таких векторів утворює групу  Qn=(Qn1, Qn2,..., Qni,..., Qnm). 




Рисунок 2 – Структурна схема процесу визначення вектора основних

параметрів і прогнозування льотних характеристик ВДПМ

Вектори, які одночасно задовольняють подібності й технічній здійсненності, формують групу QT, а ті, що відповідають ЛТВ, – групу QЛТВ. Із них обирають вектори, що максимально враховують усі вимоги,– групу раціональних параметрів Qрац. Вона є основою для вибору робочого вектора  Qроб, який реалізують у робочому проєктуванні та виготовленні ВДПМ [4].

Під час проєктування ВДПМ прагнуть узгодити потрібні та можливі значення її основних параметрів і виконати ЛТВ, після чого застосовують метод прогнозування льотних характеристик та дослідних можливостей. Він включає: розрахунок висотно-швидкісних обмежень, побудову та аналіз області режимів польоту моделі (ОРПМ); відображення цієї області в область можливого моделювання режимів літака (ОММРЛ); порівняння її з заданими режимами з ОРПЛ та формування висновків щодо придатності ВДПМ як дослідницького інструменту (рис. 3).




Рисунок 3 – Схема визначення можливостей ВДПМ як науково-дослідного інструменту: 1 – границі ОРПЛ, що визначаються аеродинамічними обмеженнями та умовами міцності; 2 – границі зони автомодельності на ОРПЛ за критерієм Re; 3 – границі зони автомодельності на ОРПЛ за критерієм  M

Процедуру відображення ОРПМ в ОММРЛ здійснюють з використанням значення масштабів лінійних розмірів kl  и і щільностей повітря kp  та даних Стандартної атмосфери (СА) за формулами




де – щільність повітря і прискорення вільного падіння на висоті  Hм польоту ВДПМ, – щільність повітря і прискорення вільного падіння на висоті   польоту натурного ЛА.

Після послідовного аналізу всіх векторів групи QЛТВ відбирають ті, що задовольняють усім вимогам, – вони утворюють групу раціональних параметрів Qрац. Будь-яка ВДПМ, побудована за цими векторами, відповідає своєму призначенню. Остаточний вибір робочого вектора Qроб здійснюють шляхом оптимізації за масою  , що є і параметром, і цільовою функцією. За цим алгоритмом визначають робочий вектор параметрів, необхідний склад комплектувальних виробів, прогнозовані льотні характеристики та ОММРЛ [5].

Точність розрахунків МІ та льотних характеристик тривалий час занижувалася через ігнорування похибок формул і параметрів. Через це критичні режими польоту нерідко потрапляли поблизу нечітких меж ОММРЛ, що не гарантувало точного моделювання натурних режимів. Цю проблему усунули створенням удосконаленого методу прогнозування характеристик ВДПМ з урахуванням похибок визначення МІ [6].

Комплексний метод – не єдиний інструмент проєктування ВДПМ. Разом з іншими прямими методами він дозволяє визначати не лише геометричні параметри, МІ, ОРПМ і ОММРЛ, а й жорсткісні, міцнісні, технологічні та експлуатаційні характеристики. Теоретична база цих методів часто спирається на статистику вже створених і випробуваних ВДПМ, що через неточність вихідних даних і недосконалість методик нерідко призводило до розбіжностей між потрібними та розрахунковими параметрами. Це ставило під сумнів можливість застосування таких моделей у льотних дослідженнях і точність отриманої інформації, а також збільшувало ризик помилок на ранніх етапах проєктування, а також виникнення проблеми в обґрунтуванні достовірності (або правильності) проєктувальних рішень тих чи інших задач і проблем, що становлять теоретичну й методичну базу створення ВДПМ літальних апаратів [7].

Тому загальний підхід до проєктування ВДПМ потребує вдосконалення шляхом введення додаткових перевірочних елементів, які підвищують достовірність результатів. Для цього пропонується застосовувати спеціальні перевірочні методи та критерії, що дозволяють оцінювати правильність прямих проєктувальних розрахунків.

Вдосконалений підхід до проєктування ВДПМ та результати досліджень дозволили формалізувати теоретичні основи перевірки якості моделей і запропонувати систему принципів достовірного вибору основних параметрів:

1. Система критеріїв і масштабів подібності є основою для всіх етапів проєктування, виробництва, наземних і льотних випробувань ВДПМ та їх досліджень.

Наслідок: ВДПМ повинна мати зовнішню форму, положення центру мас і МІ, міцнісні та пружно-геометричні характеристики і закони системи автоматичного керування, подібні до натурного ЛА, щоб її поведінка у польоті відповідала реальному літаку.

2. Основними параметрами ВДПМ є характерний лінійний розмір lм, стартова маса mм, осьові  lхм, lyм, lzм та відцентрові  lхyм, lxzм, lyzм  моменти інерції, що формують вектор основних параметрів.

Наслідок: вони визначають габарити, можливості компонування, вибір носія, динаміку моделі та тип системи запуску, забезпечуючи адекватне моделювання режимів польоту натурного ЛА.

3. При створенні ВДПМ і проведенні льотних досліджень необхідно узгоджувати адекватне моделювання процесів із технічною здійсненністю.

Наслідок: умови подібності та ЛТВ формують складну систему обмежень на параметри та експериментальні умови, вирішення якої є однією з найскладніших теоретичних задач.

4. Під час проєктування робочий вектор основних параметрів ВДПМ визначають удосконаленим методом прогнозування льотних характеристик з урахуванням похибок МІ.

Наслідок: метод дає робочий вектор, склад комплектуючих, льотні характеристики, ОРПМ та ОММРЛ, що відображають науково-дослідні можливості ВДПМ. Проте висотно-швидкісні обмеження враховують тільки масу та геометрію, а не МІ.

5. Прямі методи початкового проєктування ВДПМ дають значення МІ лише з певною достовірністю.

Наслідок: застосування теорії похибок для оцінки граничних, середньоквадратичних і ймовірних похибок МІ дозволяє здебільшого обґрунтовано вибирати МІ. Формули можна використовувати й для інших ЛА з наявними статистичними даними, але при відсутності експериментальних даних для нового типу ЛА точність МІ залишається сумнівною.

6. Для оцінки достовірності МІ ВДПМ використовують основи механіки твердих тіл, математичний аналіз і теорію похибок.

Наслідок: уперше формалізовано умову співвідношення точності робіт зі створення ЛА, включно з ВДПМ. Мірою точності є граничні абсолютні похибки МІ. Встановлено, що сенс робіт забезпечується підвищенням точності від етапу до етапу. Розроблені співвідношення для оцінки достовірності МІ ЛА можна застосувати й до ВДПМ.

7. Повний висновок про льотні характеристики ВДПМ дають після оцінки подібності реальної та еталонної моделі, враховуючи вплив систем автоматичного керування у двох підходах: а) ВДПМ під дією систем автоматичного керування, подібного до натурного ЛА, або моделює пілота; б) при відмові систем автоматичного керування та виході ЛА на некеровані режими.

Наслідок: відмінності в поведінці реальної та еталонної ВДПМ вважають незначними, якщо геометричні, кінематичні та динамічні величини відрізняються не більше ±5% протягом спостереження.

Література

1. Chambers J. R. Modeling Flight: The Role of Dynamically Scaled Free-Flight Models in Support of NASA’s Aerospace Programs. Washington: NASA, 2010. 575 p.

2. Pusztai D., Lowenberg М.H., Neild S.A. Flight Testing of a Dynamically Scaled Transport Aircraft Model for High-Alpha Wind Tunnel Data Validation. AIAA SCITECH 2024 Forum: Meeting Paper, Orlando, 8–12 January 2024 / American Institute of Aeronautics and Astronautics Orlando, 2024. P. 1497.

3. Sadovnychiy S., Betin A., Ryshenko A. Flight control system damage simulation using freely flying models. The Aeronautical Journal. 2005. 1091 (109). P. 45-50. 

4. Fahlstrom P., Gleason T., Sadraey M. Introduction to UAV Systems. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc, 2022. 434 p.

5. Nguyen N.T., Webb B. Analytical Flight Dynamic Model Development for eVTOL Aircraft. AIAA SCITECH 2025 Forum: Meeting Paper, Orlando, 6–10 January 2025 / American Institute of Aeronautics and Astronautics Orlando, 2025. P. 0657.

6. Betin O.V., Kyriienko P.G., Betin D.O. and Betina O.Y. Numerical Modelling in the Problem of Determining the Functional Capabilities of Free Flying Aircraft Models. Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2024. Lecture Notes in Networks and Systems, Springer. 2024. Vol 1473. P. 413-422.

7. Olejnik A., Kachel S., Rogólski R., Milczarczyk J. Conception of developing the dynamically similar downscaled medium-range passenger airplane model for in-flight testing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2021. 235(1). P. 104-116.



Creative Commons Attribution Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
допомога Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter

Another articles in this section

Сonferences

Conference 2025

Conference 2024

Conference 2023

Conference 2022

Conference 2021



Міжнародна інтернет-конференція з економіки, інформаційних систем і технологій, психології та педагогіки

Наукова спільнота - інтернет конференції

:: LEX-LINE :: Юридична лінія

Інформаційне суспільство: технологічні, економічні та технічні аспекти становлення