ОБЩИЕ ДАННЫЕ САМОЛЕТОВ
Приложение А
A. I. ОБЩИЕ ДАННЫЕ САМОЛЕТОВ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ
ДЛЯ РАСЧЕТОВ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИМЕРАХ, И КОЭФФИЦИЕНТЫ
УРАВНЕНИИ ПРОДОЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
, Для расчетов использовались данные пяти самолетов различных типов. Ниже приводятся эти данные и результаты расчетов коэффициентов уравнений продольного движения. і Самолет Ml — тяжелый транспортный самолет с прямым крылом. Режим полета: */g = 8000 м, 14=650 км/час, Л1=0,585, р<>=0,05354 кГ ■ сек2 • мг4.
Самолет М2 — истребитель со стреловидным крылом. Режим полета: t/g=10000 м 1/е=860 км/час, М=0,832, ре=0,04206 кГх X сек2 • м~*.
Самолет М3 — тяжелый бомбардировщик со стреловидным крылом. Режим полета: #g=1000 м, 14=700 км/час, Л1=0,578, ре=0,1134 кГ • сек2 • м~*.
Самолет М 4 — средний пассажирский самолет с прямым крылом. Режим полета: t/g=1000 м, 14=288 км/час, М=0,24, ре=0,1134 кГ • сек2 • м~4.
Самолет М 5 — тяжелый пассажирский самолет со стреловидным крылом. Режим полета: i/g = 2900 м, 14=700 км/час, М=0,6, Ре=0,09272 кГ • см2 • м~4.
Коэффициенты уравнений продольного движения сведены в табл. А.1.
Таблица A. I
Коэффициент |
Самолет М 1 |
Самолет >1 2 |
Самолет М 3 |
Самолет № 4 |
Самолет №•5 |
аЬ |
0,171 |
0,171 |
0,171 |
0,171 |
0,171 |
а. X |
0,00724 |
0,035 |
— |
— |
— |
Коэффициент |
Самолет № 1 |
Самолет № 2 |
Самолет >3 3 |
Самолет Мк 4 |
Самолет М 5 |
а. |
0,0268 |
0,0197 |
|||
У |
|||||
аУ |
— |
— . |
— |
— |
— |
«8 |
— |
— |
— |
— |
— |
0 |
0,056 |
0 |
0 |
0 |
|
ь. |
0,13 |
0,056 |
_ |
_ |
___ |
X |
|||||
Ь. |
0,731 |
1,13 |
1,39 |
1,61 |
1,15 |
У |
|||||
ЬУ |
—■ |
—1 |
•— |
— |
—- |
h |
— |
— |
— |
— |
— |
*3 |
— |
— |
— |
0,323 |
— |
сь |
0,676 |
1,28 |
1» 14 |
1,65 |
0,94 |
с. |
0,00567 |
— |
_ |
_ |
|
X |
|||||
с. |
0,637 |
7,51 |
1,94 |
3,23 |
0,97 |
У |
|||||
с.. |
0,104 |
0,0556 |
0,13 |
0,427 |
0,12 |
У с8 |
2,41 |
13,2 |
4,72 |
5,4 |
3,18 |
*3 |
0,538 |
Примечание. В табл. А.1 даны значения коэффициентов, при которых углы в уравнениях движения измеряются не радианами, а градусами; в этом случае коэффициент при первом члене второго уравнения (2.10) или первого уравнения (2.11) должен быть записан в форме V*/57,3. |
Сведения о передаточных числах автопилота приведены в табл. А.2.
Таблица А.2
|
В формуле (3.1): &i—ax “Ь^у V* а2=а-хЬ-у —а-уЬ-х + сь(ах —b-y)—Vе{ахс-у аг=Ч{Нсу-с-х)—съ{ахЬ-у +ау b-x)+V е{а-хс-у +а;с-), а*=Ч(Ьхс> ~bycxl |
b*=bxCj-c-x, j bi=b-xc-y-b-cx. j В формуле (3.2): сй~ах> ci=aibi+aibi +aiK+cy^)> = + +ayh) + Ve(axCy +ayci)- В формуле (3.3): J di=bic*+cxVe — j В формуле (3.4): eo=bi» ei *=ЬЛЧ+СЇУ*1 e*=V t{b’xC’y—b’ycx). В формуле (3.7): fo~cy byCy’ ) fi=aiCi-a-ci-c~(aJcb-y+a>bi). j В формуле (3.8): go=<*-y, gi=&yi4+cfVJ, ■ ёя=аь(с-у — byCy). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В формуле (3.9):
^о~Ьу»
hl=axby +aybi + ЬуЧ + Су Ve<
h2=<?і(«і+ a — (a — с — + a — cx).
В формуле (3.10):
*o ~byt
h—axb’y ^~aybx ~^~Ь’у (Cb^rCy’VX
h=(H+cy Ve) К *y +1®y )•
В формуле (3.13):
a~b’y H~cy Ve~bc»)> I
^2 = Ьу ci ~b Cy Уе> j
b0 = biCy~Cx> J
b=bxCy-byCx>
В формуле (3.14):
rfo=rfo=^. j
d =*4^bx4+c-xV t. j
l) формуле (3.15):
ео=ео=Ьх*
6y^r=C — b’x (c£ — f-Су lfg),
e2T*e2=Ve(bxc-y-byc-x).
В формуле (3.17):
Л-/»=^-*р<у-
В формуле (3.18):
A0"=A) = *y-
В формуле (3.19):
>о = k = by* ri = Ьу b Cy Ve)
В формуле (3.22):
y’o=Vy-ci* Л=с — b-x — с-хЬу, Л=-^с( + ьу + сз+суVe+г&>
k2=a^b — — j — и у b-x -|- ifl’x л^с^У/ е-^-с^/ ei
кз~аЛсх +^icy)+(ai^y ‘~aybx)(cbJrС8г»)+
+ сьН («і + *y)++ «у «і).
К—=ЧІРхсу ~byc±)+b — cbiyVe+cJb{axby + a• bx),
*5=К ^ + a* **) — «Л <Vy В формуле (3.23):
/o=ai>
ll = axby ~~aybx ~~а’х(.Ч^~Су^е~~
/2 = «6(^Cy—Ci) + («Jr^ +ayftir) (4 + CA) +
+ <W» + V. («І <?> + Ay ^ ),
h = 4(bkCy-byC-x)+ СЛ («і by + ay bX )•
В формуле (3.24):
щ=ьх,
ml—bx(Cb^~ Cfa “Ь C—V
Щ = ЬХСЛ +Ve(biCy — byCx)-
В формуле (3.25):
n0=c-y-byc-y.,
ni=aici +ayci~cy(aiby +aybi)>
n2— by Cfiy,
*3 = сМа’хЬу +aybi)- В формуле (3.26):
Яо~ау>
Я—ау (С»+Су^+<У&)»
-by су) + ау cih> Яз = аьЬу *Vv
sn=-"b-с—с-. 0 ху х» S, = £• &• —£• 6* . 1 у jr дг у * В формуле (3.29): Uq = # , щ=ахЬу —ayb-x —а-х (c^Cy-V е—сьц), Щ=(ах Ьу +aybi) (с* + с6%)с~ — ~ci)+ve(aicy +л-, С’х)+а’хсьіь, «з=^(йіс — +<*•&;). В формуле (3.30): vi=bi (4—cyVe+^M ®2=V«** + Ve(bxcy —cxby). В формуле (3.31): • Щ=cy —bxc у • +a-yci ~Cy<aiby +a-ybJc)- В формуле (3.32): •^0^=®у * (Cf + CjV^ + Cj/j), ■*2 = а* (С’у — h Су) + % СЬ V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В формуле (3.33):
Уо—b’y >
У=ахьу +<>-yh +by {Ч+с-‘У’+с^
y2=(<*iby +а — **)+^cth,
У a=в* (*i «*-*;«*)+* А (аі + ау Ь* )•
В формуле (3.34):
*o=V
*і—*; (**+<^в+<?,/*),
*ї=Ь. усьіь,
*з=byCjq
?2=(<*+*« *’»)+ <> V/, + c5 /в,
?3~Ci(by
<P4=V*V
Приложение В
В.1. РАСЧЕТ ИНЕРЦИОННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И ПЕРВОЙ ФОРМЫ
ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИИ КРЫЛА
В соответствии с общей формулой (3.91) получаем следующие выражения для инерционных коэффициентов в уравнениях (3.101):
Мц = т —масса самолета;
Afi2=Af2i=0—вследствие ортогональности первой и второй обобщенных координат;
Ц 2 т
М13=МВ1=2 f т’ (<z1)%{zl)dzl—2’^i тк(г1к)?(г1к)4 •
0 А=1
где > г,— координата данного сечения крыла в осях, свя
занных с осью жесткости (рис. В.1 и В.2); /,=//cos х— размах крыла по оси жесткости;
X—угол стреловидности по оси жесткости; т’ (г,)—.масса крыла на единицу длины по оси жест* кости;
£ (2,)— первая нормальная форма изгибных колебаний крьґла, отнесенная к вертикальному перемещению его конца;
mK(ziK)—масса нагрузки на крыле, сосредоточенной в точке с координатой ziK (двигатели, шасси); M<n~Iz—момент инерции самолета относительно оси z;
^23=^32= — 2 j (*о. ж-{-*1ц. тsinх+-*т. тCOSyOU^i)m'{zl)dzl — о
m
-2 2 (^о. ж+гг1к8Іпх + ^ікС08х)/ик(гік)5(г1к),
ft=l
где ЛГ0.ж— расстояние между центром тяжести и точкой
пересечения оси жесткости крыла с корневой хордой (положительное, если центр тяжести лежит впереди упругой оси);
zi„.t— координаты центра тяжести секций крыла в системе осей X z-,
jc1k, zlK— координаты сосредоточенных нагрузок,
Z./2 т
Мзз=2 J ТГЇ (Zj) $2 (z,) rfz, — f 2 2 тк (zlK) ? (ziK).
О ft=l
Рис. В.1. Геометрические соотношения Рис. В.2. Геометрические соотно — для стреловидного крыла шения для прямого крыла |
Для вычисления нормальных форм и частот упругих колебаний крыла или других частей самолета существует значительное число приближенных методов. В основу большинства из этих методов положено уравнение (3.87), которое для этих целей записывается в форме
й дТ ■ Ш 0
At dqt dqi
Подробное описание указанных методов можно найти, например, в монографии [39].
Для расчета первой нормальной формы только изгибных деформаций крыла, а также для расчета инерционных коэффициентов по приведенным выше формулам необходимо иметь следующие данные:
а) некоторые характеристики самолета;
б) геометрию крыла и положение его оси жесткости;
в) жесткость крыла на изгиб по размаху;
г) распределение массы по размаху;
д) положение центра тяжести каждой из секций крыла, на которые оно разбивается для расчета;
е) массы сосредоточенных нагрузок крыла и координаты точек их приложения.
Часть данных по самолетам № 1 и № 3 приведена в «Приложении А». Дополнительные данные по п. «а» и данные по остальным пунктам приводятся ниже.
а) Характеристики самолета.
Стреловидность крыла по оси жесткости:
самолет № 1 х=^°>
самолет № 3 х=39°.
Расстояние между центром тяжести и точкой пересечения оси жесткости крыла с корневой хордой:
самолет № 1 хо. ж=0,8 м,
самолет № 3 х0.ж=—4,45 м.
б) Геометрия крыла самолетов № 1 и № 3 показана на рис. В.1 и В.2.
Данные по пп. «в», «г» и «д» приведены в табл. В.1.
Таблица В.1
|
е) Данные о сосредоточенных нагрузках на крыло сведены в табл. В.2.
Параметр |
Внутренний двигатель |
Шасси |
Внешний двигатель |
|||
М 1 |
М 3 |
№ 1 |
М 3 |
М 1 |
>1 3 |
|
тк а кГХ |
265 |
345 |
93,5 |
Для самолета |
221 |
149 |
Хсек9’М““1 **1к ® ^ |
—3,49 |
—2,60 |
—1,94 |
№ 3 нагрузка от шасси объединена с нагрузкой |
—2,86 |
-0,59 |
*1к *м |
4,5 |
5,14 |
4,5 |
от внутреннего |
9,1 |
13,8 |
двигателя |
Таблица В.2 |
По этим данным была подсчитана первая форма изгибных колебаний крыла для обоих самолетов. Результаты расчета приведены в табл. В. З.
Значения инерционных коэффициентов и собственной частоты первой гармоники изгибных колебаний со і даны в табл. В.4.
В.2. ФОРМУЛЫ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ УРАВНЕНИЙ (3.102) И ИХ ЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ САМОЛЕТОВ
В табл. В.5 приводятся формулы и значения коэффициентов тех членов уравнений (3.102), которые обусловлены изгибом крыла. Значения остальных коэффициентов даны в табл. АЛ «Приложения А».
В табл. В.5 приняты следующие сокращенные обозначения:
1/2
Л = ^ b{z)(zl)dz, о
/3—
где Zi=zcosx;
xK — расстояние между центром давления крыла и центром тяжести самолета: для самолета № 1 хк=0,16 м, для самолета № 3 хк=0,08 м.
2 г, |
0,0 |
0,1 |
0.2 |
0,3 |
0,4 |
/ |
0,6 |
0,7 |
0.8 |
0.9 |
1,0 |
|
1х |
0,5 |
|||||||||||
і Ш |
№ 1 |
0 |
0,018 |
0,053 |
0,105 |
0,177 |
0,274 |
0,380 |
0,520 |
0,650 |
0,830 |
1,00 |
№ 2 |
0 |
0,020 |
0,062 |
0,112 |
0,183 |
0,275 |
0,378 |
0,514 |
0,656 |
0,837 |
1,00 |
Таблица ВА
|
Коэффи циент |
Расчетная формула |
Значение для самолета |
Размерность |
|
№ 1 |
№ 3 |
|||
ь.. к |
Мп/т |
0,Д29 |
0,0912 |
— |
ь. к |
?еуеСуІіІ»1 |
0,20 |
0,395 |
сек—1 |
PevjCy sin у/2/от |
0 |
7,77 |
сек-1 |
|
С.. к |
Л*2з//з |
-0,013 |
-0,48 |
М-1 |
с. к |
PeVXvf4z |
0 |
0,285 |
М-1»€ЄК-Ї |
РeV]Cy йпу. Хк№г |
0 |
5,5 |
М-^’СеК-Ъ |
|
еъ |
Мз2ІМ33 |
—0,0046 |
—0,104 |
м |
ч |
VeMulMu |
7,5 |
6,8 |
Я’сект1 |
е.. у |
Мзі/Мзз |
2,39 |
2,0 |
• — |
е- у |
PeVeC°y /і/Мзз |
3,7 |
8,6 |
сек—1 |
е. к |
PeV^/з/Мзз |
2,03 |
4,85 |
сект1 |
— peVjCy sin ХІ4ІМ33 |
0 |
76,3 |
сек—1 |
Приложение С
С.1. ДАННЫЕ САМОЛЕТОВ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ
КОЭФФИЦИЕНТОВ БОКОВОГО ДВИЖЕНИЯ, И КОЭФФИЦИЕНТЫ
УРАВНЕНИИ БОКОВОГО ДВИЖЕНИЯ
В примерах гл. 4 использовались данные о характеристиках бокового движения для самолетов № 1, № 2 и № 5.
При исследовании бокового движения самолета № 1 был выбран следующий режим полета: yg=400 м, Ve=360 км/час, ре= =0,120 кГ • мг4 • сек2, Суе=0,62.
Режим полета для самолетов № 2 и № 5 сохранен тем же, что и при анализе продольного движения («Приложение А»). Сведения о передаточных числах автопилота приведены в табл. С.1.
Таблица С.1
|
Коэффициенты уравнений бокового движения даны в табл. С.2.
Самолет |
Самолет |
||||||
Коэффи циент |
М 1 |
J* 2 |
М 5 |
^Коэффи-; цчент |
№ 1 |
№ 2 |
М 5 |
0,11 |
0,116 |
0,137 |
‘э |
3,9 |
22,4 |
15,1 |
|
*7 |
0,098 |
0,0394 |
0,0506 |
п? |
1,16 |
17,3 |
3,78 |
0,775 |
31,8 |
3,4 |
п. 7 |
-0,04 |
0,048 |
0,0053 |
|
1. 7 |
1,9 |
2,5 |
4,23 |
лф |
0,32 |
0,385 |
0,33 |
V |
0,51 |
1,41 |
1,0 |
пн |
0,785 |
5,74 |
1,72 |
Таблица С.2 |
С.2. ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРЫ БОКОВОГО ДВИЖЕНИЯ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОРЫВОВ ВЕТРА
В формуле (4.1):
<h = +
а2=l-k?+п — + + я„, (С 1}
в,—Vt‘S’Vs+ty1?’
h=k^ — Мф), (С 2)
*Зв*р (Ц Яф — *ф ) +/ф Яр — /?Я — . )
В формуле (4.3):
^1 — ^ф Яр.
В формуле (4.4):
rfo== Яр,
В формуле (4.6):
ео=*т —Я{,
«і“ V**
/і—)
/2=V* +лз — 1
В формуле (4.8):
го=Лф,
В формуле (4.10):
«і=«і+^9+/фл„,
а2=а2“Ь^-| Uf лн +1 4(^р+лф;+*/»)+
4”/ф Лн (^р + tj ) +/фЛн.
«»—®з4~^ 4/ф лн^р + *т’ 4^рлф + *{ ^э/фЛи +
+*-/э (^р+яф)+*■/»/ф лн+^ 4лр+гф4л^ +
+/фЛ и (^р + ^ )+/ф лнЗД _/тля*ф>
«4 = 04 + ^ 4/фЛн^р + */э/ф пнк& +
+ ija (£рЛф + /фЛн + лв) + г’ф4 (^рл-| +/тля) +
+ /ф«Н^^ + /ф лн^р /ТЛЯ (^р ^рУф )»
«5=гф^э (£j«p 4" Vt71") 4” /ф«н (&j/p+v»*?);
&о“4)~^р»
6i = 6l4- ^p (*f 4 + /ф лн)»
*2=62 + /9 (/фЛ„Лр — Ap/fy + Лр) + /^p +
+ /ф Лн^р^ +/фЛнЛр,
4,= *f фЛн^р + £|4 (/ф ли*р + ^рлф + лр) 4*
+ /флн£/р + ^ф4^рлф ~"/,лн(^ф +^р)4-/фля^ ’
В формуле (4.12):
с0==с0=;р.
^1 = ^1 + У^Ф Лн+
^2==^ф^»Лр4′ УфЛн^р*
d[—dl + Ijip ^2=^в^р f
В формуле (4.15):
е’0=е0=*т-л-,
^2=
В формуле (4.16):
/^2=Х2“Ь f Ч н^р”Ь fоР’Л — В формуле (4.17):
С. З. К ВЫВОДУ ФОРМУЛЫ (4.27)
На рис. С.1 показан квадрат, внутри которого должно быть проведено интегрирование выражения (4.25). Первый интеграл берется по переменной zj, но так, чтобы независимая переменная r=Z2—z осталась постоянной. В этом случае функцию /?. (V. T, л) при вычислении интеграла (4.28) также нужно считать константой. Пределы интегрирования выражения (4.28) поясняются рис. С.1.
Если нижний предел есть Zi=—1, то при Т) = const верхний предел должен быть 1—і). Для таких пределов интегрирование при положительных значениях т| включает только верхнюю часть отадрата, лежащую над диагональю Zi=z2. Интегрирование при отрицательных значениях г), т. е. в нижней части квадрата, лежащей под диагональю, даст тот же результат. Поэтому при переходе от (4.25) к. (4.27) постоянный множитель в знаменателе уменьшается в два раза.
нис. с.1 поясняет также переход к пределам 0 и 2 в формуле (4.27) вместо пределов —1 и +1 в (4.25). В последней формуле интегрирование должно проводиться по 2г, а в (4.27)—по т|. При 2i=const переменная т) в пределах квадрата изменяется от О до 2 при изменении г2 от —1 до +1.
С.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ е (г) ДЛЯ СЛУЧАЯ
РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ПО РАЗМАХ*
КРЫЛА
В этом случае Ьг=Ьл и из (4.24) получаем
(С Л 5)
Для определения е(г) необходимо найти вращательную производную т’рс. . При вращении крыла с угловой скоростью ю* элемент крыла dz, отстоящий от плоскости симметрии на расстоянии 2, получает приращение угла атаки za>xIVe. Это приращение угла атаки создает подъемную силу
dY=Cy^-ba-^-dz (С. 16)
У е 2
и момент относительно ОСИ X
dMx— —dYz— — Cyzbadz. (CM)
Из (С. 17) получаем выражение для момента всего крыла:
(С.18)
* О
т * — X |
2V* «, S —- ЩХ=—- — / х 6 |
На основании (С.18) определяется безразмерная вращательная производная:
Подставляя значение т“* из (С.19) в (С. 15), окончательно получаем
е(2)=6г. (С.20)
С.5. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ФОРМИРУЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ПАРАМЕТРОВ
ДВИЖЕНИЯ. ОБУСЛОВЛЕННОГО ГРАДИЕНТОМ
НОРМАЛЬНОГО ВЕТРА ПО РАЗМАХУ
а) для самолета № 1:
1 + 0,25/>;+0,01/>2 ’
0,48 — И0,0554/1 1 + 0,38р + 0,025р2 ’
0,3 + 0,0872р 1 + 0,08р + 0,0975/>2 ’
0,173 + 0,12р 1 + 1,24/> + 0,237/>2 ’
*=0,0625, 1=598,4 *, Г, и, (rt=.,8,08 , ,
*=0,03125, i= 1194,8 48 «V, (,)=<■.! 1,4-^ •
б) для самолета № 2:
А=0,25, £=38,4 м, Wx, x,(p)=«w4,82—————- 0.3 + °,009/?———— ,
£=0,125, £ = 76,8 м, Wx, Xx (p)=am6,8 °’173 + 0,0123/> ,
’ ’ ‘w 1 + 0,128р + 0,00251/12 ’
£ = 0,0625, £=153,6 ж, Wx/x, (/>)«= a,9,64 °’095±^00361^- ,
’ ‘ ’ уу, 1 + 0,099/1 + 0,00153/)2 ’
£=0,03125, £ = 307,2 м, Wx, Xl (/>)=aw13,6- °’°53 + 2:0103Р
’1 ‘ ‘ w 1 + 0,325/1 4 0,00797/i2
£ = 0,015625, £ = 614,4м, Wxlx, (/?)=0^,19,28 °-0282+О’033^ , .
Х1Х, КУ’ w 1 + 1,48р + 0,064/12
С.6. ВЫВОД ФОРМУЛЫ (4.33)
Формула (4.33) получается из (4.31) после подстановки выражений (4.28) и (4.32) для равномерного распределения подъемной силы по размаху. В этом случае согласно (С.20) е(г) = 6г и из (4.28) следует, чт. о
Г(Ч)=6(4 —б-ri-f і]3). (С.2і)
Перейдем к анализу выражения (4.32). Применив подстановки VeT=|, fa/Ve=X, bx/2=% и использовав формулы (4.29) и
(1.13) , из (4.32) получим
м J ———
Р(К х)=°1 1—^ У¥+Ц е~Т **l’dl (С.22)
Для приведения интеграла (С.22) к табличному вводим новую подстановку |=х sh t; тогда
di = xchtdt, W-f-х2=хс^^-
С учетом этих соотношений из (С.22) получим
ОО 1
9 г sh /— — у х eh / г v 1
Р(К х)~°«« ^ е £ 1—~ ch /] ch tdt.
Обозначим iX%/A =sh a, x/^L=ch а,
где Л = -^-V 14-v2=-^-Kl+v2, £=///..
С учетом этих обозначений из (С.23) следует
оо ОО
Р(К x)=4z J ‘"<<+«) сь/л-оі^. ^ g-д ch (<+«)at. (С.24)
—оо woo
Наконец, последняя подстановка /+1а=« приводит (С.24) к виду:
00
Р( x)=°lx J e-Acb*ch(u—a)du —
~Я™~їГ ^ Є“ЛсІ,“с1і2(а — a)du=al>(/1 — /2), (C.25)
/t=X ^ e“’Ache(ch«ch«—bh asha)tf«=xch« J e~A ch “ch и du,=
WOO woo
oo
—2x ch a ^ erA ch “ ch и du—Ki (A), (C.26)
где /Сі(Л) —модифицированная функция Бесселя второго рода первого порядка;
00 во
/2=— [ -а сь«11 і ch 2(а — а)1 du=-£- ^ e-Aeh“du— 4L і 2L J
— оо О
+ — jf ch 2а J erA ch “ ch 2udu=^- 1К0 (Л) + ch 2aK2 (Л)], (C.27)
где Ко(Л) и Кг (Л)—модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и второго порядков. Применяя для Кг (Л) рекурентные формулы, получим
(С. 28)
Подстановка в (С. 25) значений /t и /2 из (С.26) и (С.27) дает
4 ^“^{-^K,[fvT+5]+2^Kl[fV7+5].
(С. 29)
Подставляя значения Г(ц) из (С.21) и P(v, т)) из (С.29) в
(4.31) , получаем
•40“)= (‘з^) ~ J(4 — б71 ~f~ 713)
* 8яУ? X
Приложение D
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТИ,
МЕТОДИКЕ ИЗМЕРЕНИЯ СЛУЧАЙНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ
ВЕТРА И ОБРАБОТКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Данные экспериментов показывают, что в большинстве случаев распределение мгновенных значений скорости ветра или любых параметров движения самолета при полете в турбулентной атмосфере с достаточной для практики точностью подчи
няется нормальному закону (закон Гаусса). Плотность распределения вероятности в этом случае определяется выражением
/С*)——— l—e 2” , (0.1)
а У 2п
называемая нормированная ности /(*)= |
графики плотности распределения вероятности для трех различных значений а в предположении, что т=0. Если т отлично от нуля, то соответствующий график смещается по оси абсцисс на величину т. Графики на рис. D.1 показывают, что чем больше о, тем болбе вероятны значительные отклонения случайной величины от ее математического ожидания.
Чтобы привести выражение для плотности распределения вероятности случайных величин с различными о и т к единой форме и затем использовать для расчета таблицы, применяется так плотность распределения вероят-
Уъ.
где /= -———— аргумент табличной функции.
О
Вероятность того, что значение случайной величины будет находиться в интервале Х — х2, определяется интегралом от плот — ности распределения вероятности, т. е. функцией распределения вероятности.
При нормированном распределении эта вероятность для интервала t-f-/2 определяется выражением
Ф(/‘, *2)=JL^ 2 dt.
где
Выражение (D.3) носит название функции Лапласа или интеграла вероятности.
В табл. D.1 приведены значения интеграла вероятности (D.3) в функции /2 (в предположении, что /і = 0).
Таблица D.1
j р
Значения интеграла вероятности Ф (<,) = —— е 2 dt
ZJt,)
О
и |
* <*.> |
12 |
ф (<-•) |
и |
Ф (/,.) |
0,00 |
0,0000 |
0,70 |
0,2580 |
1,50 |
0,4332 |
0,05 |
0,0199 |
0.75 |
0,2734 |
1,55 |
0,4394 |
0,10 |
0,0398 |
0,80 |
0,2881 |
1,60 |
0,4452 |
0,15 |
0,0596 |
0,85 |
0,3023 |
1,65 |
0,4505 |
0,20 |
0.0793 |
0,90 |
0,3159 |
1,70 |
0,4554 |
0,25 |
0,0987 |
0,95 |
0.3289 |
1,75 |
0,4599 |
0,30 |
0,1179 |
1,00 |
0,3413 |
1,80 |
0,4641 |
0,35 |
0,1368 |
1.05 |
0.3531 |
1,85 |
0,4678 |
0,40 |
0,1554 |
1,10 |
0,3643 |
1,90 |
0.4713 |
0,45 |
0,1736 |
1,15 |
0,3740 |
1,95 |
0.4744 |
> 0,50 |
0,1915 |
1,20 |
0,3849 |
2,00 |
0,4772 |
0,55 |
0,2088 |
1,25 |
0.3944 |
2,50 |
0,4938 |
0,60 |
0,2257 |
1,30 |
0,4032 |
3,00 |
0,49865 |
0,65 |
0,2422 |
1,35 |
0,4115 |
4,00 |
0,499968 |
0,67 |
0,2481 |
1,40 |
0,4192 |
4,50 |
0,499997 , |
0,68 |
0,2517 |
1,45 |
0,4265 |
5,00 |
0,49999997 |
С помощью табл. D.1 можно найти вероятность того, что значения случайной величины, математическое ожидание т которой равно нулю, окажутся в некотором интервале ±х2. Табл. D.1 составлена для интервала 0 —t2, поэтому нужно воспользоваться соотношением
| f{t)dt=2
т. е. при подсчете искомой вероятности необходимо удваивать значения Ф(*2), полученные по табл. D. I.
Величина [1—2Ф(*2)] дает вероятность выхода случайной величины за пределы интервала ±х2. Результаты расчетов сведены в табл. D.2, где интервалы выражены в долях а.
Таблица D.2
|
Данные, приведенные в табл. D.2, показывают, что около 32% всех значений случайной величины будут превосходить ± о, около 4,5% значений будёт превышать ±2а и лишь около 0,3% значений случайной величины выйдут за пределы ±Зо. Следовательно, можно считать, что практически все значения случайной величины попадают в интервал ±Зо. В этом и заключается так называемое «правило трех сигм». Из «правила трех сигм» вытекает способ приблизительной оценки среднеквадратичного значения случайной величины: это значение принимается равным одной трети от наибольшего из известных значений. Разумеется, такая оценка является довольно грубой.
При полете самолета в неспокойном воздухе как возмущающее воздействие (скорость ветра), так и значения параметров, описывающих движение самолета, являются случайными функциями времени. Случайной называется функция, реализация которой в результате опыта имеет случайный характер, т. е. не может быть предсказана заранее.
Рассмотрим только один класс случайных функций, который имеет наибольшее значение в большинстве задач динамики полета в неспокойном воздухе,— стационарные случайные функции. Случайная функция называется стационарной, если все ее вероятностные характеристики (определяемые ниже) не зависят от времени. Математический аппарат стационарных функций сравнительно прост, и расчеты с использованием этого аппарата выполняются довольно быстро.
Дополнительным ограничением, накладываемым на рассматриваемые ниже стационарные случайные функции, является допущение о том, что эти функции обладают эргодическим свойством. Случайная функция обладает эргодическим свойством в том случае, если вероятностные характеристики, полученные осреднением по времени одной реализации (на достаточно большом интервале наблюдения), близки к характеристикам, полученным осреднением по множеству реализаций (при фиксированном времени).
Основные вероятностные характеристики стационарной случайной функции x(t), обладающей эргодическим свойством, определяются следующими выражениями.
Математическое ожидание или среднее значение
т
x(t)= lim ——- x(t)dt. (DA)
при Т-+0О ZJ J
— г
Дисперсия или средний квадрат функции г
•*о(0=°*=Нт ~ [ *o(f)dt, ‘ (D.5)
Т-+ во J
—г
где л:0(^)=л:(/)—л:(/) —центрированная случайная функция.
Далее будут рассматриваться только центрированные случайные функции, поэтому для удобства индекс в обозначении этих функций будет опущен.
Корреляционная функция, характеризующая степень связи между значениями случайной функции в моменты t и t+т, равна:
г
/?, (т)=[42](/).*(/-И)=Нт —г x(t)x(t+v)dt. (D.6)
Т-+00 2 Т J —7*
Из сопоставления формул (D.5) и (D.6) вытекает, что
tf,(0)=£. (D.7)
Прямое преобразование Фурье корреляционной функции дает спектральную плотность случайной функции’"
ОО 00
Sx (ев)=— f Rx (-с) е~^штйх=— [ Rx (х) cos шх rfx. (D.8)
Я J Л J
— 00 О
Спектральная плотность характеризует распределение по частотам мощности случайной функции x(i). Так как мощность не может быть отрицательной, то и спектральная плотность является положительной функцией во всем диапазоне частот от 0 до ±оо. Если известна спектральная плотность случайной функции, то, применяя к ней обратное преобразование Фурье, получим корреляционную функцию
ОО ОО
Rx (-с)=-І — J 5 (ш) elatdw = ^ 5 (о>) cos шт d<о. (D.9)
— оо О
В формулах (D.8) и (D.9) замена нижнего предела интеграла
на нуль (вместо — оо) возможна благодаря тому, что корреляционная функция и спектральная плотность являются функциями четными. Сравнение формул (D.9) и (D.7) приводит к следующему соотношению:
Ox— f (ш)
Аналитические выражения для корреляционных функций и спектральных плотностей случайных стационарных процессов могут быть самыми разнообразными. В качестве примера рас
смотрим характеристики случайного процесса, называемого «белым шумом» или «абсолютно случайным процессом». Спектральная плотность такого процесса постоянна во всем диапазоне частот, т. е.
Sa(a) = Sa (0) = Const.
Формула (D.11) поясняет происхождение термина «белый шум». Действительно, приближенным аналогом такого случайного процесса является «белый свет», в видимом спектре которого содержатся колебания разных частот с одинаковой амплитудой.
Корреляционная функция «белого шума» может быть получена по его спектральной плотности путем применения формулы (D.9), что дает
(£>.12
Формула (D.12) поясняет происхождение второго названия рассматриваемого процесса — «абсолютно случайный процесс». Корреляционная функция типа 6-функции указывает на отсутствие корреляционной связи. между любыми сколь-угодно близкими друг к другу значениями случайной функции.
Необходимо подчеркнуть, что случайный процесс типа «белого шума» является математической идеализацией, так как физически такой процесс точно реализовать нельзя. Дисперсия этого процесса, как это следует из формулы (D.10), будет бесконечно большой. Следовательно, и мощность, необходимая для создания такого процесса, также бесконечна. Несмотря на это, в тех задачах, где спектр случайного воздействия значительно превосходит полосу пропускания частот исследуемой системы, с успехом можно заменить реальный спектр «белым шумом».
Перейдем к рассмотрению методики измерения на самолете случайных составляющих скорости ветра. Как само это измерение, так и обработка полученных результатов являются достаточно сложными и трудоемкими задачами.
Основными параметрами, подлежащими измерению при определении вертикальной и поперечной случайных составляющих ветра, являются углы атаки и скольжения соответственно. Для определения продольной составляющей используется измерение пульсации полного давления на входе приемника воздушного давления. Однако на результаты этих измерений существенное влияние оказывают угловые и линейные перемещения самолета.
Учитывая кинематические соотношения, получаем следующие формулы для определения каждой из составляющих истинной скорости ветра при измерении их на самолете: для продольной составляющей
для вертикальной составляющей
для поперечной составляющей
®.(0=V^-h)+s(n2 + y)dt+ly^-lx-^-. (ОЛ5)
В этих формулах, кроме уже известных обозначений, дополнительно введены следующие:
«ф. Рф — углы атаки и скольжения, измеряемые с помощью флюгера; эти углы считаются положительными, если флюгер отклоняется по часовой стрелке относительно осей г и у соответственно; пх, пу, пг — составляющие перегрузки по связанным осям, измеряемые с помощью акселерометров, которые считаются установленными в центре тяжести самолета;
Длу — отклонение нормальной перегрузки от значения,
N равного единице;
1Х, — расстояние от места установки флюгера до центра
тяжести самолета, отсчитываемые вдоль продольной и нормальной осей;
V — воздушная скорость самолета, измеряемая прием — _ ником воздушного давления;
V — среднее значение воздушной скорости.
Формулы (D.13)— (D.15) справедливы для небольших отклонений параметров от исходного режима прямолинейного горизонтального полета с постоянной скоростью.
Углы атаки и скольжения замеряются либо флюгером, либо специальным приемником разности динамических давлений, обусловленной несовпадением продольной оси этого приемника с направлением потока набегающего на самолет воздуха. Флюгер или приемник разности динамических давлений потока устанавливаются на штанге перед носком фюзеляжа. Длина штанги должна составлять не менее 1,5 диаметра фюзеляжа, что обеспечивает малое искажение невозмущенного потока на ее конце [48}. Кроме того, штанга должна иметь значительную жесткость. Собственная угловая частота штанги должна быть больше частоты /с*, т. е. наибольшей частоты изучаемого процесса, которая еще представляет интерес.
Реализации случайных составляющих скорости ветра, получаемые на основании данных измерений и расчетов по формулам (D.13) — (D.15), подлежат дальнейшей обработке с целью получения корреляционных функций или спектральных плотностей этих случайных процессов.
Частота f с определяется формулой (D.22), приводимой ниже.
При определении корреляционных функций и спектральных плотностей для случайных стационарных процессов на основании экспериментальных данных возникает целый ряд методических погрешностей. Эти погрешности обусловлены двумя причинами:
1) ограниченной длиной реализации;
2) заменой непрерывной функции п дискретными значениями.
Возникает необходимость оценки указанных погрешностей и выбора такой методики обработки данных эксперимента, при которой погрешности были бы невелики. Метод решения поставленной задачи разработан Тюкеем [46]. Теоретическое обоснование метода можно найти в работе [35].
При обработке реализации случайной функции получаем п значений хи расположенных на равных интервалах Д/. По формуле
г, г=0, 1, 2т (Ш6)
определяются т ординат корреляционной функции. Значение т находится по формуле
(0.17)
где Ттах — время, за которое корреляционная функция уменьшается до значения |/?т| г^0,05/?г(0) (рис. D.2). Затем определяются предварительные значения ординат кривой спектральной плотности по формуле
где
Наконец, определяются уточненные (осредненные) значения ординат кривой спектральной плотности (46]:
<S0(«>)=O,5Z0+O,5Zlf
Sr(u>)=0,25Z, r_i+0,5Zr-f0,25Z,,+J, r=l, 2,…, m — 1, ^«(«)-0,5Ія_і+0,Иж.
248
Из этих выражений следует, что полоса осреднения для каждой ординаты равна 2Д<о, где
Дш=т/тД/. (D.20)
В результате расчета получаем /и+1 значений спектральной лотности (рис. D.3), расположенных на интервале Дю. Послед — ее выражение показывает, что чем больше т, тем выше разрешающая способное ь по частоте в проведенном расчете (интервал At определяется характером реализации и изменяться не может). Но с уменьшением Д© уменьшается и полоса усреднения, что приводит к снижению статистической достоверности полученного значения.
Тюкей установил, что статистическая достоверность, определяемая доверительной вероятностью с помощью отношения рассчитанных указанным выше способом значений ординат спектральной плотности 5Г(«>) к истинным значениям этих ординат S(<o), подчиняется закону %2-распределения. Параметром в этом законе является число степеней свободы
£=1,6 njm. (£>.21)
График отношения Sr(<o)/S(«>) в функции аргумента k с доверительными вероятностями 0,9 (пунктир) и 0,95 (сплошная линия) приведен на рис. D.4.
Этот график показывает, что для получения отношения 5r(©)/S©, мало отличающегося от единицы, необходимо иметь значительный аргумент k, что возможно за счет уменьшения т (при данном п) или за счет увеличения п (при данном т).
Для иллюстрации основных положений изложенного метода приведем в качестве примера графики спектральной плотности, рассчитанные по этому методу (рис. D.5). Эти графики относятся к спектральной плотности перегрузки, замеренной на самолете в условиях очень интенсивной турбулентности. Среднеквадратичное значение перегрузки апу=0,49. Так как длина реализации была небольшой, то удалось получить небольшое число дискретных значений перегрузки (п=200). На рис. D.5 представлены графики, соответствующие числам т= 10 и т=20. При т= 10 кривая получается более плавной, но из-за малой разрешающей способности по частоте отдельные особенности функции спектральной плотности исчезли. При т=20 разрешение по частоте вы-
ше, появился существенный пик на частоте со«1, но сглаживание и достоверность графика существенно ухудшается.
Из приведенного описания метода Тюкея вытекает следующий порядок обработки экспериментальных данных для получения значений спектральной плотности с требуемой статистической достоверностью.
1.
По характеру реализации определяется высшая существенная частота fc таким образом, чтобы на участке спектра, относя-
щемся к более высоким частотам, содержалась пренебрежимо малая часть мощности исследуемого процесса. Свяжем эту частоту с пространственными характеристиками турбулентности:
шс VeStc 2я"~ 2я ’
где Ve — скорость полета самолета;
йс — высшая существенная пространственная частота, которую при исследовании поля скорости ветра рекомендуется брать й«0,1 VeM~l [48].
Полагая, что на периоде, соответствующем частоте /с, должно содержаться не менее двух оценок случайной функции, из (D.22) находится интервал времени А/, с которым нужно получать дискретные значения этой функции:
Д/=—L- = ——5_. (0.23)
2/с VeQe 0,Ve
2. Исходя из ожидаемого (на основании вида реализации) времени тт, за которое корреляционная функция достигает полосы 0,05/?,(0), определяется т по формуле (D.17).
3. По требуемым достоверности оценок спектральной плотности и доверительной вероятности на основании графиков на рис. D.4 определяется аргумент 6.
4. С помощью формулы (D.21) определяется число точек я, которые необходимо получить по реализации:
я = 0,6256т.
После этого можно определить общее потребное время, на котором должна быть определена реализация:
tp=nAt.
Если я получается слишком большим, то формула (D.21) позволяет подобрать значения кит так, чтобы за счет снижения разрешающей способности и достоверности результатов получить приемлемое число я (исходя из возможностей цифровой машины, используемой для расчетов).
После того, как по приведенной методике получены все необходимые данные относительно At, тип, можно приступать к расчетам на основании (D.16), (D.18) и (D.19). Если в результате расчета окажется, что при априорном определении %т допущена существенная ошибка, следует взять новое значение тт, полученное на основании (D.16), и определить новые значения т, я и /р.
Для ориентировки укажем рекомендуемые в [48] значения т и п, которые приводят к хорошим результатам:
m=40-j-60 и я =15004-4000.
В заключение заметим, что описанный метод полезно применять не только для обработки, но и для подготовки и планирования экспериментов по регистрации реализаций случайных процессов с целью предварительной оценки продолжительности реализации, обеспечивающей требуемую достоверность результатов.
[1] Эти задачи в данной книге не рассматриваются.
В динамике полета координаты центра тяжести самолета принято измерять в земной системе координат xg, yg, zg причем ось xg этой системы совпадает с направлением полета, а ось yg — вертикальна.
[2] Стратификацией атмосферы называется распределение температуры в атмосфере по высоте, от которого зависит интенсивность процессов конвекции.
[3] форма дискретного порыва считается фиксированной;
2) под действием порыва самолет может только перемещаться по вертикали, не меняя угла тангажа;
3) динамические свойства всех самолетов одинаковы.
На рис. 1.9 показана стандартная форма дискретного порыва, используемая для расчета нагрузок. Линейный участок нарастания скорости (длины h) называется «градиентным участком». В качестве независимой переменной принимается расстояние х, проходимое самолетом за время t с постоянной скоростью V.
[4] См. «Приложение D».
[5] См. «Приложение D».
[6] См. «Приложение D».
[7] Выражения (1.18) и (1.19) для спектральных плотностей и соответствующие им выражения (1.12) и (1.13) для корреляционных функций используются Национальной ассоциацией по авиации и космонавтике США [1].
[8] Случаи, когда учитываются размеры самолета, будут рассмотрены при решении конкретных задач в гл. 3.
[9] При увеличении скорости полета того же самолета это пороговое значение скорости ветра становится меньше, а при увеличении масштаба турбулентности, удельной нагрузки на крыло и высоты полета — больше.
[10] Если в невозмущенном режиме полет самолета негоризонтален, то определение проекций скорости ветра следует производить в системе координат (связанной с землей), ось х которой направлена параллельно траектории невозмущенного полета.
[11] В данном случае совпадающего с земными осями.
______ ные оси х и у
[12] Ниже, в гл. 3, будет приведена методика учета нежесткости конструкции самолета.
[13] На рис. 2.3 изображен случай, когда b. Vgx и V gy равны нулю.
[14] Исключение составляет § 3.5.
[15] См. «Приложение D».
[16] Выражения для коэффициентов этой и остальных передаточных функций, характеризующих продольное движение, приведены в «Приложении А».
Рис. 3.1. Амплитудные характеристики для угла тангажа (а), вертикальной (б) н горизонтальной (в) перегрузок при действии вертикальной и горизонтальной составляющих ветра (самолет № 1). Характеристики, относящиеся к горизонтальному ветру, отмечены штрихом:
/ — самолет с зажатым рулем; 2 — самолет с автопилотом [закон (2.13)];
[18] — самолет с автопилотом [закон (2.14)]
[19] Выражения для коэффициентов передаточных функций (3.13) — (3.19 > приведены в «Приложении А».
[20] Выражения для коэффициентов передаточных функций (3.22)—(3.27) приведены в «Приложении А>.
[21] Значения передаточных чисел автопилота приведены в «Приложении А®
[22] Выражения для коэффициентов передаточных функций (3.28) —(3.33) приведены в «Приложении А».
[23] В этом параграфе предполагается, что автопилот имеет закон управления (2.14), т. е. высотный корректор выключен; использование автопилота с другим законом управлення будет оговорено.
[24] В работе [15] в качестве наиболее вероятного рекомендуется масштаб £=300 м.
[25] См. например, работы [51, 52].
[26] Термином «большой» для краткости обозначается самолет, у которого учитываются эти два фактора (размах и длина).
[27] См. «Приложение А».
[28] Функция ф (0 уже упоминалась в данной главе —см. формулу (3.53) и далее.
[29] В процессе эксперимента определялось среднеквадратичное значение горизонтальной составляющей скорости ветра. На основании гипотезы об изотропности турбулентности предполагалось, что среднеквадратичные значения вертикальной составляющей ветра имеют ту же величину.
[30] Значения коэффициентов а/ и ^ передаточной функции (4.1), выраженные через коэффициенты уравнений (2.28), приведены в «Приложении С». Там же приведены выражения для коэффициентов всех рассматриваемых ниже ■ередаточных функций.
[31] Напомним, что через р обозначен угол скольжения относительно воздуха.
[32] При условии, что скорость ветра направлена вверх.
[33] Вывод этой формулы приведен в «Приложении С».
[34] Если рассчитываемые угловые величины (у, ф. Р) должны измеряться в градусах, то коэффициент VА следует умножить еще на 57,3.
[35] Если не учитывать нестационарность обтекания крыла.
[36] Данные самолета № 4 и режима его полета приведены в «Приложении А».
[37] Передаточное. число і А имеет размерность градусы (или радианы) угла отклонения руля на единицу вертикальной перегрузки.
[38] Передаточное число kn имеет размерность — градусы (или радианы) угла отклонения закрылков иа единицу вертикальной перегрузки.
[39] Число превышений принимается равным числу пересечений с положительным наклоном реализацией Any (t) заданного значения приращения перегрузки £.
[40] Все расчеты проведены для жесткого самолета.
[41] Для современных реактивных самолетов с большой тяговооруженностью предположение о постоянстве ускорения очень близко к действительности.
[42] Необходимо указать, что в формулах преобразования Фурье часто используются и другие коэффициенты перед интегралами; это обстоятельство следует учитывать при расчетах.