Комаров Ю.Ю. Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4. Кинематическая схема стыковочного устройства “штырь—конус”

Роликовинтовые передачи (РВП)

Нашли применение в промышленности и роликовинтовые механизмы

(РВП). Эти передачи аналогичны ШВП, но в качестве промежуточных тел

качения применяют резьбовые ролики. Роликовинтовые передачи имеют

высокий КПД и обладают большей, чем ШВП, несущей способностью и

жесткостью.

Заключение

Вследствие своих высоких технических характеристик, простой и на-

дежной конструкции, удобства в эксплуатации и технологичности винто-

вые передачи нашли широкое применение в авиационной и космической

технике, где предъявляются высокие требования (малая масса, малые га-

бариты, прочность и надежность, технологичность и др.).

Эффективно применение передачи винт—гайка скольжения при само-

тормозящемся движении, например в манипуляторе перестыковки косми-

ческого аппарата на орбитальной станции, а шарико– и роликовинтовых

передач, где требуется обратимость в движении, например в стыковочных

устройствах.

Большие перспективы у винтовых передач в следующих направлениях.

1. Разработка групп специальных силовых элементов малой массы и га-

баритов, обеспечивающих стыковку и соединение с малыми затратами

энергии для космических аппаратов и орбитальных станций, в основе

которых нужно использовать ШВП и РВП.

2. Разработка стыковочных и подвижных устройств, состоящих из сило-

вых элементов, в сочетании с электромеханическими и электрически-

ми цепями (мехатроника) — особенно перспективна.

3. Использование в поворотных узлах, подъемных устройствах, а также

при открытии люков, крышек и других элементов вместо поворотных

элементов передачи винт—гайка в сочетании с рычагами.

4. Использование в манипуляторах на планетоходах (буровые установки,

устройства определения плотности грунта).

Библиографический список

1. Беляев В. Г., Бушенин Д. В., Козырев В. В., Ряховский О. А. Современные винтовые

механизмы // Приводная техника. №7. 1998.

2. Детали механизмов авиационной и космической техники: Уч. пособие / Под ред.

Климова Ю. М., Самойлова Е. А. – М.: Изд-во МАИ, 1994.

3. Детали механизмов и узлов летательных аппаратов: Уч. пособие / Под ред. Самой-

лова Е. А. – М.: Изд-во МАИ, 2005.

4. Детали машин основы конструирования / Под ред. Рощина Г. И., Самойлова Е. А. –

М.: Дрофа, 2006.

И. А. Вишневская, Н. Н. Маркин, М. В. Петручик, Е. В. Шорина

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

АНАЛИТИЧЕСКОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО

РЕГУЛЯТОРА ВЫСОТЫ ПОЛЕТА ДИРИЖАБЛЯ

Решение задач патрулирования и аэрофотосъемки с использованием ди-

рижабля требует стабилизации угла тангажа и высоты полета в продоль-

ном движении. Для управления угловым и траекторным движением ис-

пользуются руль высоты, отклонение вектора тяги, изменение объема и

перераспределение объема между баллонетами. Характеристики органов

управления представлены в табл. 1.

Линеаризованные уравнения продольного движения имеют вид [1, 2]:

Таблица

Характеристики органов управления

Характеристика Руль высо-

ты

Отклоне-

ние векто-

ра тяги

Изменение

объема

баллонетов

Перерас-

пределение

объема

между бал-

лонетами

Диапазон изменения м м

Максимальный создавае-

мый момент, дН

30 000 4 800 - 575

Максимальная подъемная

сила, дН

2 250 800 300 -

Максимальное изменение

угла тангажа, град

20 20 - 3

Максимальное изменение

высоты, м

2600 2100 400 -

Формулы для расчета производных сил и моментов представлены в

работе [1].

Полученные уравнения запишем в матричной форме:

Динамические коэффициенты вычисляются по формулам [1]:

Измеряемыми параметрами являются: скорость набора высоты, угло-

вая скорость и угол тангажа, высота полета. Измеряемый вектор фазовых

координат связан с фазовыми координатами матричным соотношением:

Оптимизируемый функционал представляет собой квадратичную фор-

му:

Рассматриваемая задача представляет собой задачу аналитического кон-

струирования оптимального регулятора для линейной стационарной систе-

мы по квадратическому критерию. Задача решается методом динамическо-

го программирования Беллмана. Оптимальным решением является выбор

регулятора с отрицательной обратной связью по измеряемым координатам:

Оптимальные коэффициенты усиления определяются по формуле:

Матрица представляет собой результат решения нелинейного алгеб-

раического матричного уравнения Риккати:

Опишем замкнутую систему с оптимальным регулятором высоты ли-

нейным матричным уравнением:

где матрица динамических коэффициентов замкнутой системы определя-

ется по формуле

Определяем значения корней характеристического уравнения для режи-

мов зависания, патрулирования на скорости 45 км/ч и крейсерского полета

со скоростью 90 км/ч. Результаты расчетов корней для режима патрулиро-

вания представлены в табл. 2.

Таблица

Результаты расчетов корней для режима патрулирования

Система

Номер корня характеристического уравнения

1 2 3 4

Разомкнутая -0.005 -0.08+j 0.34 -0.08-j 0.34 -0.57

Замкнутая - 0.10 - 0.53 + j 0.38 - 0.53 - j 0.38 - 1.87

Анализ результатов показывает, что оптимальная система управления

существенно увеличивает запас устойчивости по величине вещественной

части минимального по модулю корня.

Результаты моделирования движения по углу тангажа для дирижабля с

автоматикой на крейсерском режиме представлены на рис. 1.

Рис. 1. Переходные процессы по углу тангажа

Определяем реакцию дирижабля по высоте полета на отклонение управ-

ляющих воздействий. Результаты представлены на рис. 2.

При попадании в зону турбулентности возникает болтанка дирижабля,

которая включает колебательные движения по углу тангажа и высоте.

Для спектральной плотности вертикального порыва ветра

исполь-

зуем соотношение

Рис. 2. Переходные процессы по высоте полета

где — частота, 1/с; — среднее квадратическое отклонение пульсации

скорости ветра, м/с;

— масштаб турбулентности, м; — скорость полета,

м/с.

Среднеквадратические значения угла тангажа и высоты при полете в

турбулентной атмосфере вычисляются по формулам:

где — передаточные функции по углу тангажа и высоте

на порыв ветра.

Влияние среднеквадратических значений ветра и масштаба турбулент-

ности на среднеквадратические значения угла тангажа и высоты представ-

лено на рис.3и4.

Анализ полученных результатов показывает, что турбулентность приво-

дит к большой амплитуде колебаний по углу тангажа и высоте.

Динамические характеристики управляемости включают время сраба-

тывания, время регулирования и относительную величину перерегулиро-

Рис. 3. Зависимость среднего квадратического значения угла тангажа от масштаба

турбулентности и среднего квадратического значения вертикальных порывов ветра

Рис. 4. Зависимость среднего квадратического значения высоты от масштаба

турбулентности и среднего квадратического значения вертикальных порывов ветра

вания. Эти характеристики определяются по графикам переходных про-

цессов. Для режима зависания переходный процесс по углу тангажа носит

колебательный характер. Переходные процессы по углу тангажа для режи-

ма полета при патрулировании и в крейсерском полете являются аперио-

дическими. На всех режимах полета переходные процессы высоте пред-

ставляют собой апериодические процессы.

Результаты расчетов времени срабатывания, времени регулирования и

относительной величины перерегулирования для дирижабля с оптималь-

ным регулятором представлены в табл. 3.

Таблица

Результаты расчетов

Режим поле-

та (высота и

скорость)

Канал Время

срабаты-

вания, с

Время пере-

ходного про-

цесса

Относитель-

ная величина

перерегули-

рования

м, Тангажа 4 20 10

Высоты

км, Тангажа

км/ч Высоты

км, Тангажа

км/ч Высоты

Сравнение характеристик переходных процессов для режимов полета

зависание (

=200 м), патрулирование ( =1500 м) и крейсерского полета

(

=2000 м) показывает, что оптимальный регулятор обеспечивает стабиль-

ность времени срабатывания, времени переходного процесса и относитель-

ного перерегулирования во всем диапазоне скоростей от 0 до 90 км/ч.

Библиографический список

1. Вишневская И. А., Маркин Н. Н., Петручик М. В. Устойчивость продольного уг-

лового движения дирижабля // Создание перспективной авиационной техники. – М.:

Изд-во МАИ, 2005.

2. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Основы теории и элемента

систем автоматического регулирования. Учебное пособие для вузов. – М.: Машино-

строение, 1985.

3. Горбатенко С. А., Руднев В. Б. Устойчивость аппаратов, движущихся в плотных

средах. – М.: Изд-во МАИ, 1987.

4. Седов Л. И. Механика сплошной среды, т. 2. – М.: Наука, 1973.

В. П. Лянзберг, А. А. Сираж

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

АКРИЛОВЫЕ ИЛЛЮМИНАТОРЫ СО СВЕТОПРОЗРАЧНЫМ

ЭЛЕМЕНТОМ В ФОРМЕ ОБОЛОЧКИ ИЗ ОРГАНИЧЕСКОГО

СТЕКЛА

В работе рассмотрены вопросы повышения несущей способности и

надежности иллюминаторов для многосредных летательных аппаратов.

Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить герметичность в гелио-

кислородной среде в широком интервале рабочих давлений, что позволяет

использовать ее в барокамерах космической медицины и исследователь-

ских аппаратах.

Обзор литературы. Обратим внимание на следующие основные выво-

ды, необходимые для разработки конструкции данного типа иллюминато-

ров. Наиболее полные результаты исследований приведены, по-видимому,

в[1—5].

Большая разница значений модуля упругости материалов обоймы и све-

топрозрачного элемента приводит к относительному перемещению по по-

верхности контакта обойма — пластик. Расчеты методом конечного элемен-

та акриловых полусфер показали, что деформация на экваторе сильнее, чем

в любой другой точке, а максимальная концентрация напряжений в свето-

прзрачном элементе возникает при его жестком защемлении и он приобре-

тает форму эллипсоида. В случае свободного защемления стеклоэлемент

остается близким к полусфере.

Поэтому необходимо обеспечить отсутствие всякого стеснения дефор-

маций корпуса внутрь. Для снижения трения рекомендовано возобновлять

смазку поверхностей сталь — стекло.

Концентрация напряжений, обусловленная влиянием стальных вставок,

исчезает на участке 15˚ вблизи поверхности контакта.

Градиент изменения нормальных усилий по толщине стенки акрилово-

го корпуса обусловлен касательной силой трения. Возникающие от этого

деформации в стекле в совокупности с имеющимися пуассоновыми дефор-

мациями вследствие сжатия корпуса будут создавать высокие деформации

растяжения в акриловой пластмассе. Для снижения трения через каждые

10 циклов рекомендовано возобновлять смазку контактной поверхности

сталь — стеклоэлемент.

Использование торцевых уплотнений в виде резиновых колец снижает

рабочее давление и ресурс, так как акриловая пластмасса вдавливается в

канавку, вызывая сильное растрескивание после снятия давления.

Отмечено также отрицательное влияние морской воды в месте контакта

обойма – стеклоэлемент на несущую способность.

Стеклоэлементы выполнялись в виде полусфер и сегментов. В послед-

нем случае контактная поверхность была конической, что способствова-

ло осевому смещению стеклоэлемента. Отмечено существенное снижение

прочности таких элементов при длительном и циклическом видах нагру-

жения.

Полученные результаты дают основание предположить, что увеличить

несущую способность стеклоэлемента и ресурс может конструкция, в кото-

рой его торец имеет возможность ограниченно проскальзывать по поверх-

ности обоймы в радиальном направлении, напряженное состояние вблизи

торца близко к всестороннему сжатию, а стеклоэпемента в целом — к без-

моментному.

Такие условия работы может обеспечить предлагаемая конструкция ил-

люминаторов (рис. 1).

Рис. 1. Схема соединения

Описание предлагаемой конструкции

Стеклоэлемент 1 установлен в обойме 2 в кольцевой канавке с кониче-

ской наружной боковой поверхностью, причем он центрируется и герме-

тизируется в диапазоне рабочих давлений шайбой 3, имеющей в сечении

форму трапеции выполненной из материала с модулем упругости не мень-

ше модуля упругости материала стеклоэлемента. Герметизация при малых

давлениях обеспечивается либо уплотнительными кольцами 4, поджимае-

мыми к шайбе 3 крышкой 5 и винтами 6, либо нанесением слоя упругого

уплотнителя между боковыми поверхностями шайбы и канавкой корпуса

с одной стороны и боковой поверхностью стеклоколпака с другой.

При подъеме гидростатического давления шайба 3 проскальзывает в

коническую полость, образованную внешней конической поверхностью