Особенности характеристик устойчивости и управляемости

В общем случае возмущенное или управляемое движение самолета является пространственным, так как одновременно происходит изменение параметров, определяющих как продольное движение (угла атаки, угла тангажа, угловой скорости тангажа), так и бо­ковое движение (угловых скоростей крена и рыскания, угла сколь­жения). В тех случаях, когда амплитуды изменения параметров движения самолета малы, уравнения продольного и бокового движения могут приближенно исследоваться раздельно, что во многих случаях и делается [13]. Однако, при достаточно больших изменениях параметров движения, разделение уравнений на урав­нения продольного и бокового движения начинает приводить к недопустимо большим ошибкам и необходимо рассмотрение полной системы уравнений пространственного движения.

К задачам динамики полета, в которых существенным яв­ляется рассмотрение полных уравнений движения, можно, в ча­стности, отнести исследования динамики маневренных самолетов при выполнении ряда маневров с использованием вращения относительно продольной оси, широко используемых в летной практике.

Например, таких маневров, как:

— вход и выход из виража и боевой разворот,

— перевороты через крыло в горизонтальном полете,

— перевороты через крыло при входе в пикирование,

— быстрые и медленные бочки,

— вираж с переменой направления разворота (восьмерка) и т. д. (рис. В.1).

Для исследования перечисленных задач необходимо анализи­ровать управляемые движения самолета при одновременном действии летчика органами продольного, поперечного, а в ряде случаев и путевого управления. В этой связи изучение простран­ственного движения самолета фактически приводит к необходи­мости анализа наиболее общих случаев его движения, устойчи­вости и управляемости. Физический смысл особенностей, возни­кающих при пространственном движении самолета, заключается во влиянии на динамику самолета инерционных моментов, воз­никающих при вращении относительно осей, не совпадающих

Рис. В.1. Примеры пространственных маневров с использованием вращения относительно продольной оси самолета

с главными осями инерции. Влияние таких моментов на динамику самолета весьма существенно для целого ряда движений. Прежде всего это движение, сопровождающееся быстрыми вращениями самолета относительно продольной оси, что характерно для маневров с быстрыми переворотами самолета по крену. Такие

движения как сваливание и штопор самолета также во многом определяются действием на него инерционных моментов. Однако особенности режимов сваливания и штопора заключаются в опре­деляющем влиянии сложных нелинейных зависимостей аэродина­мических сил и моментов от параметров движения. Настоящая книга ограничивается задачами движения с малыми и умерен­ными значениями углов атаки и скольжения, когда зависимости сил и моментов от параметров движения являются линейными, и поэтому задачи сваливания и штопора в ней не рассматриваются.

Влияние инерционных моментов на динамику летательных аппаратов существенно, что надо учитывать при анализе различ­ных задач, зависящих от типа и назначения летательного аппа­рата. В настоящей книге рассматривается круг проблем, харак­терных для динамики прежде всего маневренных самолетов. Целый ряд весьма интересных и сложных задач возникает при анализе пространственного движения спускаемых летательных аппаратов, близких к осесимметричным. При исследовании дина­мики спускаемых летательных аппаратов наибольший интерес вызывает вопрос развития движения вращающегося летательного аппарата при прохождении резонансного значения угловой ско­рости крена и возможность стабилизации в окрестности резо­нанса. Результаты таких исследований содержатся в работах В. А. Ярошевского [42—45], А. А. Шилова [37—40], М. Г. Го­мана [15, 16], в работах, опубликованных за рубежом [53], и др. Обобщение полученных результатов и подробная библиография содержатся в книге В. А. Ярошевского [45].

В последние годы были получены новые результаты и раз­работан ряд новых методов анализа пространственного движения, которые излагаются в настоящей книге.

Задача исследования динамики пространственного движения самолета в общем случае его управления является чрезвычайно сложной и может быть исследована достаточно полно только расчетным путем на ЦВМ. Однако и такой анализ наталкивается на существенные трудности. Эти трудности обусловлены суще­ственно нелинейными характеристиками исследуемых уравнений, что приводит к неоднозначной связи параметров движения само­лета с отклонениями органов управления. Математически эта неоднозначность выражается в существовании многих состояний равновесия самолета *— особых точек, реализация движения в окрестности которых зависит от предыстории движения. В этой связи весьма существенно получение представления о возможных видах движения самолета, чтобы на основе этих знаний можно было правильно организовать численные исследования на ЦВМ. В настоящей работе эта задача решается путем выделения некото­рых модельных задач, соответствующих частным случаям соогно — шений параметров самолета — критических скоростей крена для

движения тангажа (соа) и рыскания (сор). При этом рассматри­вается три основных случая: когда критические скорости равны, когда они существенно различаются и когда одна из них значи­тельно*, больше другой. Часть результатов исследований этих вопросов была ранее опубликована [11, 28, 30], однако основные результаты публикуются впервые. Результаты, полученные в этих разделах книги (гл. 4—6), используются при анализе задачи в точной постановке и позволяют лучше понять основные законо­мерности.

Большое внимание уделяется в книге анализу динамики само­лета при попадании в режим инерционного вращения [11]. Этот режим, наряду с режимами сваливания и штопора, является основным критическим режимом, характерным для современных маневренных самолетов, однако в литературе он рассмотрен в недостаточной степени.

В настоящее время существенное значение в улучшении пило­тажных характеристик самолетов играет широкое использование систем улучшения устойчивости и управляемости (СУУ). Основ­ные направления развития автоматизации управления современ­ных маневренных самолетов изложены в книгах [8, 13, 26, 24] и др. Оснащение самолета СУУ, особенно с исполнительными приводами большого хода, существенно отражается на свойствах его пространственного движения. Этот вопрос освещался ранее в работе [11 ].

Анализ динамики конкретного самолета во всем его эксплуата­ционном диапазоне режимов полета для различных его конфигу­раций требует выполнения большого объема сложных расчетов, которые возможны только с использованием ЦВМ. Некоторые методы применения ЦВМ для таких расчетов излагаются в гл. 10.

Особенности характеристик устойчивости и управляемости сверх­звуковых маневренных самолетов, проявляющиеся при быстрых движениях по крену (вращение относительно продольной оси), и особенно режимы неустойчивости, выявленные на практике, сделали необходимым выполнение комплексных исследований динамики пространственного движения. Эти исследования пока­зали, что основной причиной особенностей динамики таких дви­жений является существенное влияние инерционных моментов, роль которых возросла для компоновок сверхзвуковых манев­ренных самолетов, имеющих тонкие крылья сравнительно неболь­шого удлинения и вытянутый фюзеляж, в котором сосредото­чены основные Грузы, вследствие чего моменты инерции 1у и 1г достигают весьма больших величин.

По-видимому, впервые исследование влияния инерционных моментов на динамику вращающегося по крену самолета было выполнено еще в 1948 г. Филлипсом [491. Однако практический интерес к проблеме появился только в шестидесятых годах с на­коплением опыта эксплуатации сверхзвуковых маневренных сахмо — летов [12, 50, 51, 52, 54, 56, 57]. Цикл исследований по динамике пространственного движения, выполненных авторами, был об­общен в монографии «Динамика пространственного движения самолетам и работе [12]. Проблемы пространственного движения маневренных сахмолетов не потеряли своей актуальности и в на­стоящее время. Напротив, круг проблем, решаемых с использова­нием методов, разработанных для задач пространственного дви­жения самолетов, существенно возрос. За последние годы были выполнены новые исследования, позволившие расширить наши знания о свойствах динамики самолета, уточнить полученные ранее результаты. Начаты исследования и получены первые су­щественные результаты по особенностям динамики сахмолетов с высоким уровнем автоматизации управления. За последние годы накоплен определенный опыт по анализу динамики конкретных самолетов с учетом всех характерных особенностей их аэродина­мических и инерционных параметров в широком диапазоне усло­вий полета и для различных конфигураций самолетов. Такой анализ практически возможен только при разработке комплексных

методик расчета на ЦВМ с эффективной обработкой получаемых результатов и выводом на терминальные устройства ЦВМ необхо­димой для исследователя информации. Все это послужило дтя авторов стимулом вновь обратиться к задачам пространствен­ного движения самолета.

Материал, помещенный в настоящей книге, предполагает знакомство читателя с основами теории движения самолета в ли­нейной постановке, когда полное движение самолета можно раз­делить на продольное и боковое движения, которые исследуются независимо. Теория таких движений изтагается в многочислен­ных книгах как зарубежных, так и отечественных авторов 121, 22, 23, 36, 41J. Предлагаемая книга является определенным дополнением к работе [131, в которой излагаются элементы теории продольного и бокового движений, требования к характеристикам устойчивости и управтяемости и некоторые современные напра­вления автоматизации ручного управтения самолетов.

В данной книге частично использованы материалы моно­графии [11].

Главы 10 и 11 написаны на основании материалов работ, раз­витых канд. техн. наук М. Г. Гоманом и В. Л. Сухановым и любезно представленных авторам.

При выполнении расчетов и анализа отдельных вопросов, вошедших в книгу, большая помощь авторам была оказана М. М. Медведевым, В. Л. Сухановым, М. Г. Гоманом, С. Н. Суп — руненко, Ю. А. Виноградовым и другими, которым авторы вы­ражают свою признательность. Авторы благодарны д-ру техн. наук В. А. Ярошевскому и д-ру техн. наук В. К. Святодуху за обсуждение работы и весьма потезные замечания по ее содержа­нию, которые несомненно позволили ее улучшить.

Авторы признательны Заслуженному деятелю науки и техники

РСФСР, д-ру техн. наук |М. А Тайцу|, рецензировавшему руко­пись и высказавшему ценные замечания по ее содержанию, кото­рые с благодарностью были приняты.

Следует отметить с большой благодарностью помощь В. И. Кобзева при подготовке книги к печати.

Авторы

10 мая 1980 г., когда рукопись этой кни­ги в основном была готова, после тяжелой болезни в возрасте 47 лет скончался Рэм Ва­сильевич Студнев — доктор технических наук, крупный ученый в области динамики полета у один из ведущих ученых ЦАГИ.

Вся творческая жизнь Р. В. Студнева была связана с ЦАГИгде он начал научную деятельность [в 1956 году после окончания Московского физико-технического института (МФТИ). ** V

Рэм Васильевич принадлежал к ученым ЦАГИ новой формации у воспитанным и выращенным совместными усилиями МФТИ и ЦАГИ. Отличное образование, полученное в МФТИ у выдающийся талант Рэма Ва­сильевича и творческая работа в стенах ЦАГИ способствовали его успеху в получении новых результатов в динамике полета.

Его работы — крупный вклад в теорию пространственного движения летательных аппаратов у в теорию систем управления и в разработку эксперименталь­ных методов исследования динамики на стендах.

Р. В. Студнев многие годы читал лекции в МФТИ у руководил аспирантами, осуществлял руководство крупными научными подразделениями в ЦАГИ.

Мое близкое знакомство и сотрудничество с Р. В. Студневым началось с 1956 г. у когда он проходил дипломную практику и выполнял дипломную работу в ЦАГИ. Затем нами были выполнены совместные работы по динамике простран­ственного движения у опубликован ряд статей.

В последующие годы я по многим вопросам научной работы в ЦАГИ сопри­касался с Рэмом Васильевичем, с удовольствием наблюдал его успехи и научный рост. В написании и подготовке к печати выпущенных нами монографий ему принадлежит огромный труд и немалые заслуги по существу ряда изложенных в них проблем.

Внезапная кончина Р. В. Студнева в расцвете творческих сил — большая потеря для всех нас у для нашей науки.

Всем, кто близко знал Р. В. Студнева, работал с ним многие годы, тяжело сознавать, что его уже нет с нами.

Академик Г. С. Бюшгенс