Комаров Ю.Ю. Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2. Матрица компоновочных признаков самолета

Матрица представляет собой N-мерный вектор размерности-M во мно-

жестве вариантов компоновочных схем и является “шаблоном,” который

позволяет структурировать схемные решения компоновки самолета по от-

дельным типам.

На основании проведенного анализа ряда компоновок самолетов ана-

логичного класса 4-го и 5-поколений, (F-16С, F-35А, Jas-39, Су-27, F-5Е,

F-15С, F/A-18E, F-22A, Су-47, EF-2000, Rafale M) можно заключить, что

основными формообразующими компоновочными признаками являются

взаимозависимые КП: В, С, D, E, F и G. Основные взаимные зависимо-

сти показаны стрелками на рис. 3. Термин “формообразующий” в данной

работе означает оказывающий влияние на ККС фюзеляжа и форму его

поперечных сечений.

Рис. 3. Взаимная зависимость формообразующих компоновочных признаков

Эти взаимозависимые КП представляют собой шестимерный вектор

(КП В, КП С, КП D, КП E, КП F, КПG)=Х

R. Необходимые для иссле-

дования компоненты этого вектора можно представить в виде совокупно-

сти пяти двумерных векторов (проекций вектора Х на соответствующие

плоскости) размерности m

n, а именно: (КП В, КП С); (КП В, КП E);

(КПG, КП E); (КП D, КПG), и (КП F, КПG). Эти двумерные векторы явля-

ются матрицами вариантов сочетаний соответствующих КП. Для состав-

ления матриц проведен анализ компоновочных решений существующих

самолетов аналогов, а также взаимосвязь компоновочных признаков. Так,

в соответствующих сочетаниях КП: “+” - означает существование реше-

ние; “–” - решения не существует. В табл. 1 приведен пример матрицы

сочетания КПВиКПСсоответственно.

Таблица

Матрица сочетания КПВиКПС

КП B 1 2a 2b

КП C

1 + + +

2 - + +

“Вводными” для МВУ являются: аэродинамическая схема (КП А); про-

ектные параметры (ПП); геометрические характеристики (ГХ); количество

двигателей и т.д. Эти параметры определяются на этапах, предшествую-

щих этапу применения МВУ [4].

Дальнейшее решение задачи синтеза ККС представляет собой комбина-

торный подбор сочетаний компонентов (КП), удовлетворяющих гранич-

ным условиям. Для этого осуществляется решение уравнений, в кото-

рые входят варьируемые и неварьируемые элементы “размерных цепей”

и объемно-площадные параметры. Решение осуществляется с помощью

программно-аппаратного комплекса. При этом граничные условия пред-

ставляются системой неравенств, записанных в элементах компоновки

входящих в “размерные цепи”. Под граничными условиями понимаются

компоновочные ограничения, обусловленные требованиями аэродинами-

ки, эксплуатации и нормативными документами заказчика. Варьируемые

элементы - это значения составляющих размерные цепочки координат ха-

рактерных точек компонуемых агрегатов. Определение этих координат -

одна из задач МВУ, так как синтез ККС в данной работе подразумевает под

собой формирование геометрического (не графического) облика, т. е. опре-

деление характерных геометрических параметров. Неварьируемые элемен-

ты - это еще одна группа "входных"параметров, которые представляются

в виде значений, входящих в уравнения размерных цепочек и объемно-

площадных параметров как постоянные величины. На рис. 4 представлен

пример вводимых характеристик неварьируемых компоновочных элемен-

тов.

На основании множества предъявляемых к компоновке самолета и его

отдельным агрегатам требований, которые в совокупности представля-

ют компоновочные ограничения, составлена матрица категорий элементов

компоновки в зависимости от требований (ограничений) (табл. 2).

Рис. 4. Матрица неварьируемых компоновочных элементов

Таблица

Матрица категорий элементов компоновки

Требования Варьируемые Неварьируемые

Аэродинамические

нос

зах

сх

мид

сеч

(х)

Эксплуатационные h

вз

пош

,КПF h

тележки

эксплпрохода

Конструктивно-компоновочные x

дв

,Х

кр

дв

,Х

ГрО

коош

кас

дв

ГрО

мрлс

коош

ГрО

рлс

Требования нормативных доку-

ментов заказчика

каб

,В

каб

зазор

обзора

Требования технического зада-

ния

жбу

,Н

жбу

эпр

ГрО

асп

Синтез ККС начинается с “ввода” начальной комбинации КП Е, которая,

на основании матриц сочетания М(Е/В) М(В/С), определяет варианты КП

В и КП С соответственно (рис. 5). Начальной выбор КП Е осуществляется

проектировщиком либо программно-аппаратным комплексом в случайном

порядке, затем производится перебор (заложенных в алгоритм) вариантов

КП Е.

Рис. 5. Схема принятия решений

(последовательность определения КП)

Затем на основании матриц сочетания М(Е/G), M(G/F) и M(G/D) опре-

деляются КП G, КПFиКПDсоответственно. Выявление КПВиКПС

позволяет определить минимальную длину воздушного канала в первом

приближении, что при выбранном КП А позволяет сформировать предва-

рительный “аэродинамический” и “полный” графики площадей попереч-

ных сечений самолета [4]. Далее синтез КСС осуществляется по описан-

ному ниже алгоритму.

Формируется “компоновочное поле” на графике площадей, “вычита-

ются” площади под конструкцию и коммуникации в соответствии с

предложенной в работе [1] методикой.

Согласно выбранному КП А и, как следствие, положению миделевого

сечения самолета по его длине (рис. 6) определяется положение крыла

по длине самолета в первом приближении.

Определяется положение двигателя в соответствии с КП С и длиной

самолета.

Определяется положение грузового отсека по длине самолета.

Определяется положение воздухозаборников по длине самолета.

Определяются параметры головной части фюзеляжа и ПГО (для КП

А2).

Определяются параметры хвостовой части фюзеляжа и ГО (для КП

А1).

Далее проверяется реализуемость граничных условий. При их невыпол-

нении осуществляется варьирование решений, определяющих ККС, начи-

Рис. 6. Центровка плановой проекции самолета

ная с наименее “важных” по порядку (табл. 3). После выполнения гранич-

ных условий осуществляется аэродинамическая, весовая и динамическая

центровка плановой проекции (см. рис. 6), с учетом определения вкладов

агрегатов самолета в соответствующие центровки. После чего выполняет-

ся:

- определение положений колес опор шасси в выпущенном положении;

- формирование сечения в районе воздухозаборника с учетом миними-

зации вероятности попадания посторонних предметов в воздухозаборник;

- определение окончательного положения убранных колес основных

опор шасси по длине самолета;

- формирование характерных сечения по длине самолета;

- определение КП О, КП К;

- определение площади вертикального оперения;

- определение объема топливных баков.

После завершения синтеза ККС осуществляется оценка ее геометриче-

ских параметров (объемных и площадных характеристик) (рис. 7).

Таблица

Категории элементов компоновки

Порядок важности

параметра

Совокупность решений,

определяющих ККС

Параметр (решение), при-

нятый при формировании

ККС

“0” Проектные параметры S

ПЛАН

ОМ

1 Геометрические характе-

ристики

МИД

2 Геометрические парамет-

ры агрегатов

БК

КОНС

БК

3 Компоновочные признаки КП: А; В; С; D; Е; F; G

4 Компоновочные перемен-

ные

Варьируемые элементы

Рис. 7. Определение геометрических параметров синтезированной ККС

Библиографический список

1. Мальчевский В. В. Автоматизация процесса компоновки самолета. – М.: Изд-во

МАИ, 1987.

2. Конуркин В. А., Даненко А. И., Комплексы авиационного вооружения: состав и

общая характеристика. – М.: Изд-во МАИ, 2001.

3. Бибиков С. Ю., Ерофеев В. С. Методика взаимной увязки комплекса авиационного

вооружения и конструктивно-компоновочной схемы тактического боевого самолета

на примере истребителя // Исследования и перспективные разработки в авиационной

промышленности: Сборник авторефератов. – М.: ОАО “ОКБ Сухого”, 2006.

4. Бибиков С. Ю. Метод интеграции авиационного вооружения в компоновку истре-

бителя // Статьи и материалы третьей научно-практической конференции молодых

ученых и специалистов “Исследования и перспективные разработки в авиационной

промышленности”. – М.: ОАО “ОКБ Сухого”, 2005.

В. В. Кондратюк, Е. А. Самойлов

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ПЕРЕДАЧ

НА ЛА

В современной технике число задач, в которых находит применение

привод с поступательным (линейным) движением выходного звена испол-

нительного механизма, все более возрастает. Примерами таких механизмов

могут служить приводы горизонтального и вертикального перемещения,

применяемые в авиационной и космической технике, в промышленных

роботах [1 – 4].

Существует три основных типа винтовых передач: винтовая передача

скольжения, шариковая винтовая передача и планетарная винтовая (роли-

ковая винтовая) передача (рис. 1).

Рис. 1. Типы винтовых передач: а – винтовая передача скольжения; б – шариковинтовая

передача (ШВП); в – планетарная винтовая передача

Передачи винт — гайки нашли широкое применение во всевозможных

механизмах (стыковочных узлах и др.). Круг применения этих механизмов

— от обычных домкратов до стыковочных механизмов на космических

аппаратах.

К современным приводам ЛА применяется очень много требований, вот

некоторые из них: минимальная масса и габариты; высокая надежность;

высокое быстродействие и точность отработки заданного закона движе-

ния; минимальные и стабильные по величине энергопотери; в том числе

на трение в сопряжениях кинематических парах; высокий КПД; высокая

плавность движения, особенно на малых скоростях и др.

Независимо от вида установки все приводы должны иметь простую и

технологичную конструкцию, малую массу и габариты, высокую надеж-

ность и удобство в эксплуатации.

В общем случае в линейном приводе могут быть использованы различ-

ные исполнительные механизмы но, благодаря целому ряду достоинств

(универсальность и простота питания и обслуживания, невысокая стои-

мость изготовления и т. д.), все большее внимание привлекает электроме-

ханический привод. В авиационной технике и других отраслях проявляет-

ся стремление заменить существующий гидропривод на электромеханиче-

ский привод.

Исполнительный механизм электромеханического привода состоит из

электродвигателя и передаточного механизма, связывающего приложен-

ный момент вала двигателя с нагрузкой, редуцирующего величину скоро-

сти и момента и преобразовывающего вращательное движение в поступа-

тельное. Передаточный механизм существенно влияет на динамические,

точностные, энергетические и массогабаритные характеристики привода.

Анализ этих характеристик и опыт проектирования показывают, что

наиболее перспективным видом механических передач для целого ряда

линейных приводов являются винтовые механизмы. Приводы с такими пе-

редаточными механизмами отличаются простотой и высокой надежностью,

большим передаточным числом, они компактны и хорошо компонуются в

различных установках.

По величине нагрузки и предъявляемым к ним требованиям все винто-

вые механизмы обычно делят на кинематические, используемые в мало-

нагруженных приводах приборов и систем управления, и силовые, рабо-

тающие при значительных нагрузках. Это деление до недавнего времени

определяло и требования к таким характеристикам, как точность и плав-

ность перемещения, энергопотери (особенно важно на ЛА) и т.д. Проекти-

рование современных автоматизированных силовых приводов потребовало

создания винтовых механизмов, отвечающих всем требованиям. Все эти

задачи особенно актуальны для ЛА.

Передача винт — гайка скольжения

Простейшим винтовым механизмом поступательного перемещения яв-

ляется передача винт — гайка скольжения.

Достоинствами этих передач, по сравнению с другими винтовыми ме-

ханизмами, являются простота конструкции; изготовления и эксплуатации;

высокая прочность при ударных нагрузках; возможность самоторможения

и высокая кинематическая точность. В то же время они имеют значитель-

ные потери на трение (в самотормозящей передаче КПД

), высокую

изнашиваемость. Эти передачи успешно используются в установках, не

требующих высокой точности перемещения и позиционирования и не об-

ладающих высокими энергопотерями. Все основные недостатки таких пе-

редач определяются характером сопряжения винтовых поверхностей винта

и гайки и их относительного движения, так как в процессе работы проис-

ходит скольжение рабочих поверхностей друг по другу при незначитель-

ном количестве смазки между ними. Требование высокого КПД механиз-

ма обязывает для уменьшения коэффициента трения образовывать анти-

фрикционную пару сталь — бронза. К материалам винта и гайки ставятся

требование обеспечения высокой износостойкости рабочей поверхности

витков резьбы и высокой усталостной прочности для получения мини-

мальной массы детали, хорошей прирабатываемости, коррозионной стой-

кости. Обычно ходовой винт изготавливают из стали, а гайку — из бронзы.

Преимущества этого типа передачи позволили применить его в манипу-

ляторе перестыковки космического аппарата на орбитальной станции, где

требуется обеспечение самоторможения.

При формировании космических станций из нескольких КА возникает

необходимость их перестыковки с одного приемного устройства на дру-

гое. Вначале штырь Ш попадает в гнездо, затем происходит стягивание

с помощью защелок З, которые приводятся в движение от самотормозя-

щейся передачи винт — гайка скольжения. Вращение гайки происходит

от электродвигателя ЭД через цилиндрическую зубчатую передачу. Защел-

ки сближаются при перемещении их винтом за счет взаимодействия их

с неподвижными штифтами Шт. Стягивание происходит с силой 5000 Н,

что обеспечивает жесткое соединение штыря манипулятора перестыковки

с гнездом и надежную фиксацию благодаря самоторможению в передачи

винт — гайка (рис. 2).

Рис. 2. Гнездо манипулятора перестыковки

Передача винт — гайка качения

Другим широко известным приемом повышения технических характе-

ристик передач винт — гайка является введение между витками винта и

гайки промежуточных элементов — тел качения (шариков или роликов).

При этом не только трение скольжения между витками заменяется на тре-

ние качения, но и возрастает нагрузочная способность, долговечность пе-

редачи и КПД.

Шариковинтовая передача (ШВП)

Наибольшее применение в промышленности нашли шариковые винто-

вые механизмы (ШВП). Шариковинтовая передача состоит из винта, гайки

и комплекта шариков. Шарики циркулируют по каналу, соединяющему

первый и последний витки резьбы гайки. Шариковинтовые передачи име-

ют малые потери мощности на трение качения, позволяющие получать

КПД механизма до 0,9. Передачи обеспечивают высокую точность и рав-

номерность движения. Причем характерен малый износ рабочих винтовых

поверхностей ходового винта и гайки, что поддерживает стабильность гео-

метрических параметров в процессе эксплуатации. Возможность работы

ШВП с твердосмазочным покрытием (ТСП) позволяет надежно применять

ее в широком диапазоне температуривкосмическом вакууме.

В ШВП различного назначения применяются криволинейные профили

винта и гайки (рис. 3, а), прямолинейные (рис. 3, б) и комбинированные

(рис. 3, в) профили. Наиболее распространен полукруглый профиль кана-

вок с радиусом

, на 3...5% большим радиуса шарика

(рис. 3, а, где В

– винт, Г – гайка,

- угол контакта).

Рис. 3. Профили винта и гайки ШВП

Конструкция гайки ШВП существенно отличается от конструкции гаек

передачи винт — гайка с трением скольжения. Это связано с тем, что

конструкция гайки ШВП должна обеспечивать непрерывную замкнутую

циркуляцию шариков в процессе работы. Для этого она включает в себя

устройство возврата шариков.

Этот тип передачи нашел свое воплощение в стыковочном устройстве

штырь — конус. На космическом аппарате “Союз” использовали ШВП

дважды: одна передача использовалась при демпфировании удара от сты-

ковки космических аппаратов, а вторая — для стягивания КА. На рис. 4:

и — малый и большой винты ШВП; РВ — рычаги выравнивания; ЭД —

электродвигатель со стопорной муфтой; М — фрикционная муфта; ЭМТ —

электромагнитный тормоз;К—копир; КК — блок концевых контактов; П

— пружина;

, , , , , , , — цилиндрические зубчатые колеса.

Передача ШВП используется также в андрогинном периферийном агре-

гате стыковки КА, где в соответствии с требованиями ШВП должна быть

не самотормозящая. ШВП используется и в стыковочных устройствах на

международной космической станции (МКС).