2.10. Структурные схемы летательного аппарата

Обычно применяемые методы исследования характеристик систем стабилизации и управления требуют составления структурной схемы системы. Рассмотрим в этой связи некоторые приемы, используемые при изображении ЛА в виде структурной схемы.

В самых простых случаях, когда требуется контролировать (или регулировать) только один параметр движения при отсутствии внешних возмущений, ЛА изображают в виде одного динамического звена с одним входом и одним выходом. Этот вариант структурного представления ЛА показан на рис. 2.10.

Поскольку чаще приходится рассматривать не одну координату ЛА, а несколько, его изображают как динамическое звено с несколькими выходами. Возможность построения соответствующей схемы ЛА заключается в использовании передаточных функций связи между переменными , характеризующими положение ЛА. Одна из структурных схем такого рода приведена на рис. 2.11. В этой схеме в качестве выходов могут рассматриваться сигналы

При исследовании воздействий на ЛА различных возмущений необходимо иметь представление о ЛА, как о звене с несколькими входными сигналами. Наиболее часто при этом используют прием, с помощью которого различные возмущения приводятся к одному входному воздействию. На рис. 2.12 изображена структурная схема продольного движения ЛА, в которой учитывается воздействие на ЛА внешнего возмущающего момента и

внешней возмущающей силы . Необходимые для построения передаточные функции и находятся из следующих соотношений:

Приведенные возмущения и называют возмущениями, эквивалентными отклонению руля высоты, поскольку они имеют размерность угла. На этапе предварительного анализа систем стабилизации и управления эквивалентные возмущения, широко используют вместо исходных. Структурная схема ЛА при этом упрощается (рис.2.13).

Если эквивалентное возмущение рассматривается вместо возмущающего момента, то оно связано с ним соотношением

При воздействии на ЛА возмущающей силы

Когда на ЛА действуют и возмущающая сила и момент,

Рассмотренные схемы, конечно, не исчерпывают всего многообразия структурного представления ЛА. В каждом отдельном случае структурная схема составляется исходя из конкретных условий задачи анализа или синтеза с учетом изложенных выше приемов.

2.11 Динамические характеристики летательного аппарата при полете в возмущенной атмосфере

Возмущения, обусловленные воздействием на летательный аппарат турбулентной атмосферы, относятся к специфическим, поэтому поведение его при этих возмущениях требует специального рассмотрения.

Под влиянием внезапных порывов ветра и его случайной составляющей летательный аппарат приобретает дополнительный угол атаки , как это показано на рис. 2.14, где – полная составляющая порывов ветра; и – ее составляющие на оси скоростной системы координат; – путевая скорость летательного аппарата; – его воздушная скорость; – путевой угол атаки.

Для решения вопроса о влиянии ветра на движение летательного аппарата необходимо введение дополнительной координатной системы, связанной с вектором воздушной скорости. Наличие этой координатной системы приводит к изменению уравнений движения летательного аппарата, что подчеркивает особый характер воздействия турбулентной атмосферы. Наибольшее влияние на летательный аппарат оказывает

Вертикальная составляющая порывов ветра, влиянием горизонтальной составляющей поэтому обычно пренебрегают. Исследования, кроме того, показывают, что при действии внезапных порывов ветра длиннопериодическое движение развиваться не успевает.

Учитывая это, ограничимся рассмотрением наиболее важного для практики случая влияния вертикальной составляющей порывов ветра на параметры короткопериодического движения летательного аппарата. С этой целью обратимся к уравнениям (2.18). При отсутствии внешних возмущений они могут быть переписаны в виде

(2.36)

(в уравнениях сохранен для общности результатов член, обусловленный скосом потока).

Исследование влияния вертикальных порывов можно произвести двумя способами.

При использовании первого способа в уравнениях (2.36) вместо угла атака вводится путевой угол атаки . Так как , они приобретают вид

(2.37)

Из рис. 2.14 дополнительно получаем

откуда

Используя это соотношения и символическую форму записи, уравнения (2.37) преобразуем в систему

Главный определитель этой системы

Присоединенные определители при

Используя правило Крамера, находим

Так как

Таким образом,

(2.38)

Из рис. 2.14 следует, что

Обычно , поэтому

Сделав замену в выражениях (2.38), получим передаточные функции летательного аппарата по вертикальному порыву ветра

(2.39)

где

Представляет интерес рассмотрение физической картины установившейся реакции летательного аппарата на внезапный порыв ветра. Положив в передаточных функциях (2.39) p=0 найдем

Отсюда можно сделать вывод, что при входе в зону восходящего потока летательный аппарат уменьшает угол тангажа (опускает нос) и начинает набирать высоту (“вспухать”). Путевой угол атаки уменьшается на величину , то есть благодаря моменту статической устойчивости у летательного аппарата сохраняется заданный угол атаки (рис.2.15). Когда летательный аппарат попадает в нисходящий поток воздуха, происходят обратные явления.

Второй подход к учету влияния порывов ветра заключается в том, что переход к путевому углу атаки не осуществляется, а ветер учитывается в кинематических отношениях.

Рис. 2.15

Тогда система (2.36) остается без изменений, а кинематической уравнение принимает вид

т.к.

В результате

(2.40)

или

Главный определитель этой системы имеет тот же вид, а присоединенные изменяются

Значит,

(2.41)

(2.42)

Из второго уравнения системы (2.40) следует

С учетом (2.42)

(2.43)

Используя соотношение , найдем так же

(2.44)

Положив в выражениях (2.41)-(2.44) , получим для установившегося движения

(2.45)

Анализируя выражения (2.41) - (2.45) и (2.39) можно сделать следующие выводы.

Оба рассмотренных способа учета влияния порывов ветра приводят к одинаковым результатам при исследовании установившейся реакции летательного аппарата и его движения тангажа.

Кинематический подход к решению вопроса о влиянии вертикальных порывов ветра не позволяет получить достоверный результат при изучении характера изменения углов и .

Если возникает необходимость в исследовании реакции летательного аппарата на горизонтальные порывы ветра, то соответствующие передаточные функции можно получить из полной системы уравнений (2.13), в которой вариации скорости заменены на выражения ( ).