Національний аерокосмічний університет

iм. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

УДК 629.7.018.74

БЕТIН Олександр Володимирович

ТЕХНОЛОГIЯ СТВОРЕННЯ КРУПНОМАСШТАБНИХ ВIЛЬНОЛIТАЮЧИХ

МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ВИПЕРЕДЖАЮЧИХ ДОСЛIДЖЕНЬ КРИТИЧНИХ РЕЖИМIВ

ПОЛЬОТУ ЛIТАКIВ

Спеціальність 05.07.04

"Технологія виробництва літальних апаратів"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науково-дослідному інституті проблем фізичного моделювання режимів польоту літаків при Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук

РИЖЕНКО Олександр Іванович,

Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", професор

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

БАБУШКІН Анатолій Іванович,

Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", завідуючий кафедрою;

доктор технічних наук

ТIТОВ Вячеслав Андрійович,

НДЦ "Авіаційні матеріали" УкрНДІАТ, заступник директора;

доктор технічних наук

ЛУПКІН Борис Володимирович,

Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут", професор

Провідна установа: | АНТК ім. О.К. Антонова, Державний комітет промислової політики України, м. Київ

Захист відбудеться “ 14 " грудня 2001 р. о " 14 " го-дині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" за адресою: 61070, м. Харкiв-70, вул. Чкалова 17, Національний аерокосмічний університет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".

Автореферат розісланий " 13 " листопада 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.Л. Корнілов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Результати льотних досліджень критичних режи-мів польоту літаків за допомогою крупномасштабних вільнолітаючих динамічно подібних моделей (ВДПМ) здебільшого визначають долю нового літа-ка (або його модифікацій), напрямок та темпи проведення подальших вип-робувань натурного літального апарату (ЛА) та робіт по впровадженню його у серійне виробництво.

Крупномасштабна ВДПМ представляє собою автономний безпілотний науково-дослідний ЛА багаторазового застосування, здатний здійснювати дистанційно-пілотований або автоматичний політ по заданій програмі та забезпечуючий можливість реєстрації інформації, що одержується у польоті. Крупномасштабна ВДПМ геометрично подібна натурному ЛА, що досліджується, та має такі ж органи управління. Її маса, моменти інерції, коефіцієнти автопілота та інші параметри забезпечують досить точну відповідність льотних характеристик ВДПМ та натурного ЛА, а при необхідності - адекватне відтворення при моделюванні дій льотчика, включаючи можливі помилки пілотування. Крупномасштабні ВДПМ, як прави-ло, мають масу до 1500 кг, розмах крила та довжину фюзеляжу до 7 м.

Процес створення ВДПМ має цілий комплекс особливостей, що від-різняють його від аналогічного процесу для ЛА інших призначень. Голов-на з них - необхідність задоволення прийнятих (враховуючи задачі моде-лювання) умов подоби на всіх стадіях проектування та виробництва ВДПМ, а також проведення на них льотних досліджень. Навіть незначні відхи-лення від цих умов можуть викликати сумніви у достовірності резуль-татів, що одержуються, розв'язування яких вимагає додаткових трудо-містких досліджень. Окрім того, негативне рішення питання про експлуа-тацію ВДПМ з параметрами, що не піддаються доводці, на заключних стадіях виробництва, може виключити можливість отримання випереджаючих даних про літак за програмою досліджень на ВДПМ.

З цих позицій доцільність ретельного вивчення та науково обґрунтованого рішення комплексу проблем, пов'язаних зі створенням крупно-масштабних ВДПМ, сумнівів не викликає, а тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця робота виконана у Науково-дослідному інституті проблем фізичного моделювання режимів польоту літаків (НДІ ПФМ) при Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" у межах державних програм Міністерства освіти та науки України, Мініс-терства машинобудування, військово-промислового комплексу та конверсії України, а також госпдоговірних тем.

Мета дисертаційної роботи - скорочення строків та витрат на ство-рення літаків за рахунок підвищення точності, інформативності та ефек-тивності результатів випереджаючих льотних досліджень на крупномас-штабних ВДПМ, що забезпечується розробкою, удосконаленням та впровад-женням теоретичних та методичних основ технології їх створення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Виконати комплексні дослідження різних підходів до проектуван-ня та виробництва особливого класу ЛА - крупномасштабних ВДПМ та вия-вити на цій основі визначаючі фактори, що надають вплив на якість крупномасштабних ВДПМ літаків.

2. Розробити концептуальну модель створення крупномасштабних ВДПМ літаків, що базується на ідеях системного підходу та структурно-мето-дичну базу реалізації даного підходу у технології створення крупномас-штабних ВДПМ для випереджаючих досліджень критичних режимів польоту літаків.

3. Дослідити проблему формування допусків на параметри ЛА різних призначень та розробити теоретичні основи, що установлюють вимоги до якості крупномасштабних ВДПМ літаків.

4. Розробити теоретичний та методичний інструментарій технології створення ВДПМ літаків потрібної якості та обгрунтувати застосування для ВДПМ існуючих технологічних методів, що використовуються при ство-ренні ЛА інших призначень.

5. Розробити теоретичні основи для визначення умов проведення на-земних та льотних випробувань при здійсненні контролю якості ВДПМ та запропонувати методики цього здійснення.

6. Провести апробацію розробленого теоретичного та методичного інструментарія та установити межі його застосовності.

7. Експериментально обгрунтувати раціональність використання запропонованого варіанту технології створення крупномасштабних ВДПМ та дати науково обгрунтувані рекомендації для його застосування на під-приємствах авіаційної промисловості.

Об'єктом дослідження є технологія створення особливого класу ЛА - крупномасштабних ВДПМ літаків, що уявляють собою предмет дослідження.

Методи дослідження. В основу досліджень та розробки рішень був прийнятий системний підхід, орієнтований на аналіз об'єктів, що дос-ліджуються, як систем. Технологія створення крупномасштабних ВДПМ розглядалась як велика та складна система, що складається з численнос-ті компонентів, які формуються виходячи з їх функціональних характе-ристик та взаємовідносин у процесі функціонування системи у цілому. Це дозволило представити технологію, що розглядається, у вигляді, зручно-му для аналітичного дослідження. Згідно з поставленої метою дисер-таційної роботи та задачами, вирішуваними для досягнення мети, виділені ті компоненти із загальної системи, які суттєвим чином впливають на її оптимізацію.

В процесі виконання роботи використовувались: теорія подоби, ме-тоди аеродинаміки, проектування літаків, опір матеріалів, технологія виготовлення літаків, метрологічні методи, теорія помилок, методи чисельного моделювання, методи досліджень якості об'єктів, методи льотних випробувань літаків.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. Вперше здійснений системний підхід до рішення проблем техноло-гії створення крупномасштабних ВДПМ та розроблений теоретичний та методичний інструментарій, що його реалізує.

2. Визначені параметри якості крупномасштабних ВДПМ; встановлені вимоги до параметрів якості ВДПМ та умовам проведення наземних та льотних випробувань при здійсненні їх контролю.

3. Розроблені теоретичні основи формування якості ВДПМ методами проектування, при цьому для всіх етапів створення крупномасштабних ВДПМ доведена необхідність та обгрунтувана можливість застосування комплексного методу визначення їх проектних основних параметрів, льотних характеристик та науково-дослідних можливостей.

4. Розроблені вимоги до конструкційних матеріалів крупномасштаб-них ВДПМ, задоволення яких забезпечує потрібні значення параметрів якості ВДПМ, визначає зміст технологічної підготовки виробництва, ме-тоди та способи їх виготовлення.

5. Встановлені технологічні обмеження геометричних параметрів крупномасштабних ВДПМ та досліджені проблеми забезпечення потрібних значень параметрів точності та якості виготовлення ВДПМ можливими ви-робничими методами; теоретично обгрунтувано застосування еталоно-шаблоного методу забезпечення взаємозамінюваності та ув'язки техноло-гічної оснастки, методів вакуумного формовання обшивки з композиційних матеріалів холодного отверждення та складання у пристосуванні при ба-зуванні на поверхні обшивки для виготовлення крупномасштабних ВДПМ, а також досліджені перспективи їх застосування.

6. Теоретично обгрунтувано застосування існуючих експерименталь-них методів для визначення геометричних та масово-інерційних парамет-рів виготовлених ВДПМ; одержані залежності, використання яких дозволяє дати узагальнену оцінку достовірності результатів експериментального визначення параметрів крупномасштабних ВДПМ, що контролюються; доведе-на необхідність та обгрунтувана можливість поділення процедур доводки положення центру мас (ЦМ) та масово-інерційних параметрів ВДПМ; роз-роблені теоретичні основи визначення мінімальних витрат маси для до-водки положення ЦМ ВДПМ до потрібного по подобі положення та метод визначення можливості технологічної доводки фактичних значень масово-інерційних параметрів ВДПМ до потрібних по подобі значень.

7. Теоретично обгрунтований та сформульований принцип забезпечен-ня необхідної точності вимірювань при створенні крупномасштабних ВДПМ та проведенні на них льотних досліджень: абсолютне значення відносної погрішності визначення будь-якого параметра або характеристики ВДПМ має бути не більше абсолютного значення погрішності визначення анало-гічного параметра або характеристики натурного ЛА.

8. Розроблений метод оцінки можливості отримання достовірних даних про льотні характеристики літака на ВДПМ з параметрами, що не піддаються доводці, для якої висновок про гідність як науково-дослідного інструмента запропоновано давати за результатами чисельного моделювання поведінки, розрахунку та порівняння матриць інтегральних оцінок якості її та еталонної ВДПМ при типових одиничних впливах.

9. Визначена раціональна сукупність задач заключного етапу ство-рення крупномасштабних ВДПМ - льотних випробувань та сформульовані ос-новні положення для побудови польотних циклограм, що реалізують за-гальний підхід до рішення питання про гідність ВДПМ як ЛА, так і науково-дослідного інструмента.

10. Розроблені теоретичні основи формування програми виробництва крупномасштабних ВДПМ, при цьому задачі по визначенню необхідної кількості ВДПМ та польотів на них для виконання заданої програми льот-них досліджень вирішені сумісно.

Практична цінність роботи полягає в тому, що розроблені принципи та методи, а також програмне забезпечення, що їх реалізує, вперше доз-волили комплексно вирішити проблему створення ВДПМ і як літального апарату, і як науково-дослідного інструменту. Це привело до підвищення точності, інформативності та ефективності результатів вивчення льотних характеристик літаків на їх крупномасштабних ВДПМ та, зрештою, - до скорочення строків та витрат на розробку натурних ЛА.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у НДІ ПФМ при вико-нанні госпдоговірних робіт у інтересах Льотно-дослідного інституту ім. М.М. Громова (теми ПФМ-6/91 "Прикльоп", ПФМ-5/92 "Примітка"), ММЗ ім. А.І. Мікояна (тема ПФМ-7/90), в/ч 03444 (НДР "Надійність-Т", "Грифон-3"), Московського авіаційного інституту (тема ПФМ-103/И-06-89 "Покоління"), Міністерства освіти та науки України (програма "Польот", теми "Гриф" та Г НІІ ПФМ-24/00) та Міністерства машинобудування, військово-промислового комплексу та конверсії України (теми 1388/07 та "Струмінь").

Економічний ефект від використання крупномасштабних ВДПМ у што-порної програмі літака Су-27, де автор приймав безпосередню участь, склав 17,6 млн.крб. (у цінах 1988 р.) на рік, а прибуток - 110 крб. на 1 крб. витрат.

Матеріали дисертаційної роботи використані при підготовці та здійсненні програми навчання фахівців CARDC Китайської Народної Рес-публіки теоретичним та методичним основам технології створення крупно-масштабних ВДПМ та проведення на них випереджаючих досліджень критич-них режимів польоту літаків.

Матеріали дисертаційної роботи використані у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Хар-ківський авіаційний інститут".

Особистий внесок здобувача визначає вирішування їм наукової проблеми теоретичного та методичного забезпечення технології створення крупномасштабних ВДПМ потрібної якості. У теоретичних дослідженнях авторові належать ідеї, загальні підходи та результати розв’язування конкретних прикладних задач. У масштабних практичних результатах (організація та отладка технології створення крупномасштабних ВДПМ літаків, проектування та виробництво ряду ВДПМ з наступними льотними дослідами), що отримав колектив НДІ ПФМ, автором на різних етапах та в різних темах виконувалась роль відповідального виконавця, консультанта та організатора. Теоретичні та методичні положення даної дисертації увійшли складо-вою частиною у матеріали роботи, відзначеної у 1994 р. Державною пре-мією України у галузі науки та техніки.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-практичному семінарі "Проблеми створення на Україні навчально-тренувальних літальних апара-тів для початкового льотного навчання" (м. Харків, ХІЛ ВПС України, 1993 р.); четвертої міжнародної конференції "Нові технології у машино-будуванні" (с. Рибачє, 1995 р.); першої регіональної конференції - виставці "Інтелектуальна власність, права на її результати та розвиток регіону" (м. Харків, ХНДІМІ ім. Мечнікова, 1995 р.); міжнародній кон-ференції "Нові інформаційні технології у освіті" (с. Рибачє, 1995 р.); міжнародній науково-методичній конференції "Підготовка фахівців до ро-боти в умовах відкритих інформаційних та комп'ютерних інтегрованих технологій" (м. Харків, ХАІ, 1996 р.); шостій міжнародній конференції "Нові технології у машинобудуванні" (с. Рибачє, 1997 р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національ-ного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" (з 1992 по 1996 рр.); науково-технічній раді УкрНДІАТ (м. Київ, 1998 р.); науково-технічній конференції "Проблеми модернізації авіаційної техніки та її експлуатації за технічним ста-ном" (м. Київ, НЦ ВПС України, 2001 р.); десятій міжнародній конферен-ції "Нові технології у машинобудуванні" (с. Рибачє, 2001 р.).

Публикацii. По темі дисертації опубліковано 26 наукових робіт, 7 робіт депоновано, а її матеріали використані при написанні 25 науково-технічних звітів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота загальним обсягом 410 сторінок містить: вступ, вісім розділів, висновок, список викорис-таних джерел з 135 найменувань, додаток. Текст роботи на 296 сторінках ілюструють 74 рисунків та 19 таблиць.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обгрунтувана актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та практична цінність виконаних досліджень.

В першому розділі дисертації виконаний аналіз потреби у створенні крупномасштабних ВДПМ для проведення льотних досліджень динаміки польоту ЛА різних призначень, при цьому виконана оцінка застосовності існуючих методів експериментальної аеродинаміки для досліджень критичних режимів польоту літаків. Встановлено, що дослідження на крупномасштабних ВДПМ є найбільш ефективним методом оперативного одер-жання таких експериментальних даних, використання яких забезпечує значне скорочення строків та витрат на створення натурних ЛА.

В розділі визначені особливості ВДПМ як технологічного об'єкта та інструмента льотних досліджень, встановлена актуальність розробки тех-нології створення крупномасштабних ВДПМ для випереджаючих досліджень критичних режимів польоту літаків та, нарешті, обмежене коло проблем, що розглядаються у дисертаційній роботі, сформульовані її мета та за-дачі наукових досліджень.

Крупномасштабна ВДПМ як об'єкт виробництва характеризується складністю зовнішніх форм, багатодетальністю, різнорідністю застосова-них матеріалів, наявністю стиків, що взаємозамінюються, високими вимо-гами до точності виготовлення окремих агрегатів та загального складан-ня, необхідністю поопераційного контролю та стислими строками вироб-ництва.

Для оперативного та якісного виготовлення високоточних геометрич-но подібних агрегатів ВДПМ необхідно застосування сучасних матеріалів та передових методів виробництва. Поверхня та контури ВДПМ повинні відповідати вимогам до форми та якості поверхні, установленими умовами подоби. При цьому геометрична подоба визначає співвідношення зовнішніх форм натурного ЛА та ВДПМ і тільки непрямо позначається на подобі си-лових елементів, тобто, ВДПМ, як правило, не є конструктивно подібною. Але, згідно з прийнятими критеріями подоби та задачами експериментів, ВДПМ повинна володіти необхідною жорсткістю агрегатів та всього апара-ту у цілому, а також визначеним запасом міцності в порівнянні з на-турним ЛА.

Окрім того, технічним завданням на ВДПМ обумовлюються можливі змінення її аеродинамічної компоновки. Отже, конструкція ВДПМ має бути модульною, а технологічна оснастка повинна передбачати як реалізацію цих змінень, так і забезпечувати можливість заміни або швидкого ремон-ту агрегатів у стаціонарних умовах або умовах полігону. Нарешті, мето-ди виробництва повинні забезпечувати одержання необхідної кількості ВДПМ для виконання заданої програми льотних досліджень.

В практичної діяльності закордонних авіаційних фірм метод досліджень льотних характеристик ЛА, що проектуються та знаходяться у експлуатації, за допомогою ВДПМ використовують досить широко. Прикла-дами застосування ВДПМ можуть служити виконані у Сполучених Штатах Америки програми, пов'язані з побудовою ВДПМ та випереджаючими дослід-женнями критичних режимів польоту літаків McDonnell Douglas F-15, General Dynamics F-16 та моделі фірми Rockwell за програмою HiMAT. Проте, у відкритій технічній літературі відомості про варіанти техно-логії створення ВДПМ, що використовуються, та проведення робіт з ними обмежені або відсутні зовсім.

Розробка та широке впровадження технології створення крупномасш-табних ВДПМ, а також методу випереджаючих досліджень критичних режимів польоту літаків у практику роботи підприємств авіаційної та ракетно-космічної промисловості стали можливими завдяки творчій роботі колек-тиву фахівців НДІ ПФМ при Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" та опираються на багаторічний досвід проведення різних льотних експериментів за допомогою безпілотних ЛА. Слід відзначити, що НДІ ПФМ є єдиною на території колишнього СРСР (а тепер і України) організацією, здатною здійснити весь цикл робіт по створенню ВДПМ та льотним дослідженням, обробці їх результатів та видачі висновку про льотні характеристики натурного ЛА.

Забезпечення високої ефективності розробленого у НДІ ПФМ варіанту технології створення ВДПМ та проведення робіт з ними вимагало виконан-ня комплексу наукових досліджень. Рішення теоретичних проблем, розви-ток методів проектування, виробництва та льотних досліджень на ВДПМ постійно супроводжувались їх практичною реалізацією, відпрацюванням та удосконаленням у ході виконання конкретних завдань провідних підприємств авіаційної промисловості.

Працями вітчизняних учених А.Л. Абібовим, О.К. Антоновим, А.І. Ба-бушкіним, А.А. Бадягіним, П.В. Балабуєвим, В.В. Бойцовим, П.А. Беляніним, С.А. Бичковим, С.А. Вигдорчиком, В.Є. Гайдачуком, В.П. Григор’євим, С.М. Єгером, В.Ф. Забаштой, В.Г. Кононенко, Г.А. Крівовим, Б.В. Лупкіним, Г.В. Новожиловим, В.В. Павловим, В.А. Тітовим, О.М. Фоменко, В.В. Суховим, В.М. Шейніним та ін. внесений великий вклад у розвиток теоретичних та методичних основ технології створення ЛА, що дозволило успішно освоювати виробництво нової авіаційної техніки, що характеризується постійним зростом конструктивної та технологічної складності, підвищенням вимог до точності, якості, ресурсу та надійності ЛА. Це відноситься як до пілотованих та безпілотних ЛА різного призначення, так і до крупномасштабних ВДПМ, складаючих особ-ливий клас останніх.

Проте технологія створення крупномасштабних ВДПМ має і свої особ-ливості, і свої проблеми. Їх рішенню присвячений цілий ряд робіт як ав-тора даної дисертації, так і інших дослідників. Творчою працею В.Д. Бєлого, Г.П. Владичіна, В.В. Грішина, В.Б. Гутніка, Р.Б. Золотухіна, М.Д. Клячко, А.А. Кондратова, В.Н. Мілютичевої, А.Д. Міронова, О.І. Риженко, В.І. Рябкова, С.М. Садовничого, В.С. Сахно, І.К. Ханова, М.А. Хесіна, В.Н. Четвергова, О.Р. Черановського, В.О. Яценко, С.А.Яшина та ін. розроблені методи проектування та виготовлення модельних сис-тем, методика проведення льотних експериментів на ВДПМ.

Між тим, проблеми виробництва ВДПМ потрібної якості досі недос-татньо розроблені, а результати їх рішення не узагальнені у єдиній ро-боті. Виникла необхідність у теоретичної та методичної оцінці всіх технологічних заходів, направлених на створення ВДПМ як ЛА, так і науково-дослідного інструмента для одержання випереджаючих даних про льотні характеристики натурних ЛА, що проектуються та модифікуються, зумовила виконання представленого у дисертаційній роботі комплексу наукових досліджень.

У другому розділі сформульовані основні ідеї дисертаційної робо-ти. При цьому визначений комплекс робіт по створенню крупномасштабних ВДПМ літаків, а також необхідний теоретичний та методичний інстру-ментарій для його реалізації.

Основною задачею створення крупномасштабних ВДПМ є формування їх потрібної якості для рішення конкретних задач моделювання. На основі накопиченого у НДІ ПФМ досвіду по проектуванню та виробництву безпілотних ЛА різного призначення автором визначений необхідний комплекс ро-біт по створенню крупномасштабних ВДПМ та проведенню на них випереджа-ючих льотних досліджень, який схематично представлений на рис. 1. Розг-лядаючи у цілому структуру науково-дослідних та дослідно-конструктор-ських робіт по створенню ВДПМ, можна зробити висновок про те, що як самі етапи, так і вирішувані при їх виконанні задачі (за деякими ви-нятками) аналогічні етапам створення ЛА інших призначень. Проте конк-ретний зміст робіт, у зв'язку з специфічністю ВДПМ та вимог, що пред'являються до неї, має суттєві відзнаки.

Докладно розглянути весь комплекс робіт з ВДПМ не представляється можливим у межах однієї дисертації. Тому коло проблем, що розглядають-ся, обмежене рішенням питань забезпечення технології створення крупно-масштабних ВДПМ теоретичним та методичним інструментарієм. Пропоновані автором основні складаючі цього інструментарія, структура взаємодії та наукові джерела його формування схематично представлені на рис. 2.

Потрібна якість ВДПМ зумовлюється подобою її та натурного ЛА, що моделюється. В закордонній та вітчизняній літературі відсутні роботи, у яких би порушувались питання коректного вирішування об'єктивних су-перечностей, виникаючих при задоволенні подоби для крупномасштабних ВДПМ. Тому необхідно було провести власні теоретичні дослідження.

Рис 1. Комплекс робіт по створенню крупномасштабних ВДПМ

та проведенню на них випереджаючих досліджень

Рис. 2. Теоретичний та методичний інструментарій

Технології створення крупномасштабних ВДПМ

На їх результатах автором була добудована теорія моделювання у плані ви-бору базових критеріїв подоби, що використовуються на всіх етапах створення ВДПМ та проведення на них льотних досліджень.

Основні методичні складності та специфіка проектування ВДПМ пов'язані з необхідністю коректного, науково обгрунтованого вирішу-вання складних суперечностей між вимогами адекватного відображення явищ, що досліджуються, на моделі та умовами її технічної здійсненності, складаючих основний зміст етапів загального (концептуального та облікового) проектування ВДПМ. Рішення цієї проблеми неможливо без спеціального алгоритмічного та математичного забезпечення, яке розроб-лено автором у вигляді комплексного методу визначення основних пара-метрів, льотних характеристик та науково-дослідних можливостей ВДПМ. Впровадження комплексного методу та його програмної реалізації дозво-ляє на початкових етапах проектування, а також на подальших етапах створення ВДПМ визначати її гідність як науково-дослідного інстру-мента.

Заявлені при проектуванні значення параметрів ВДПМ мають бути реалізовані при виробництві, а льотні характеристики та науково-дослідні можливості - при проведенні льотних досліджень.

Задовольнити всім переказаним до ВДПМ вимогам та забезпечити пот-рібну якість можуть далеко не всі виробничі методи. Вирішуючи пробле-му, автором встановлені технологічні обмеження геометричних параметрів крупномасштабних ВДПМ та досліджені проблеми забезпечення потрібних значень параметрів точності та якості виготовлення ВДПМ можливими ви-робничими методами. При цьому теоретично обгрунтувано застосування еталоно-шаблоного методу забезпечення взаємозамінюваності та ув'язки технологічної оснастки, методів вакуумного формування обшивки з компо-зиційних матеріалів холодного отверждення та складання у пристосуванні при базуванні на поверхні обшивки для виготовлення крупномасштабних ВДПМ, а також досліджені перспективи їх застосування. Враховуючи особ-ливості створення ВДПМ та проведення на них льотних досліджень автором розроблені теоретичні основи формування програми виробництва таких ЛА.

З виготовленням ВДПМ не закінчується процес її перетворення у науково-дослідний інструмент. Частково (та дуже часто у більшій мірі) цю задачу вирішують у наземних випробуваннях та підготовці ВДПМ до льотних досліджень. При цьому визначають фактичні значення параметрів якості поверхні ВДПМ, виконують міцностні та жорсткісні випробування агрегатів та всього апарату у цілому, продувки у аеродинамічних трубах (АДТ), нівеліровку та зважування, знаходять положення ЦМ та значення моментів інерції ВДПМ. Потім визначають відхилення параметрів (якщо такі існують) від потрібних по подобі значень, вирішують питання про необхідність та можливості їх доводки. У випадку позитивного рішення виконують доводку, а негативного - дають висновок про можливості моделювання потрібних режимів польоту натурного ЛА на ВДПМ з пара-метрами, що не піддаються доводці. Для науково обгрунтуваного виконан-ня цих робіт автором проведені теоретичні дослідження та запропоновані відповідні технологічні методи.

Остаточне перетворення ВДПМ у науково-дослідний інструмент відбувається на заключному етапі створення крупномасштабних ВДПМ - льотних випробуваннях, які зводяться, у підсумку, до визначення фак-тичних характеристик та можливостей ВДПМ, а також доводки її пара-метрів до значень, що забезпечують адекватність та достатню точність при моделюванні заданих режимів польоту натурного ЛА. Автором визначе-на раціональна сукупність задач льотних випробувань та сформульовані основні положення для побудови польотних циклограм, що реалізують загальний підхід до рішення питання про гідність ВДПМ як ЛА, так і науково-дослідного інструмента.

Третій розділ дисертації присвячений рішенню проблем формування потрібної якості крупномасштабних ВДПМ, для чого автором обгрунтувано застосування основних положень теорії подоби. Встановлено, що успіх у застосуванні ВДПМ у кінцевому рахунку залежить від принципів та методів реалізації критеріїв подоби, що приймаються, на всіх етапах створення моделей та проведення на них льотних досліджень. Для рішення проблем створення крупномасштабних ВДПМ формалізовані необхідні та достатні умови подоби, визначені вимоги до якості ВДПМ та умови прове-дення наземних та льотних випробувань при здійсненні його контролю.

Створення крупномасштабної ВДПМ потрібної якості безпосередньо пов'язано з визначенням її вигляду. На вибір значень параметрів ВДПМ вплив надають:

1. Задача моделювання явищ та режимів польоту натурного ЛА.

2. Умови подоби з системою зв'язків параметрів ВДПМ та параметрів оточуючого середовища для досягнення адекватності моделювання.

3. Умови забезпечення внутрішнього об'єму, достатнього для розміщення бортового обладнання та комплектуючих виробів у межах контуру ВДПМ.

4. Технологічні обмеження, що враховують точність методів виго-товлення ВДПМ.

5. Обмеження, що враховують спосіб виведення ВДПМ на потрібний для дослідження режим польоту та параметри конкретного носія.

6. Експлуатаційні обмеження, що враховують необхідність забезпе-чення зручності роботи з ВДПМ при ремонті та підготовці до випробу-вальних і дослідних польотів.

При вивченні режимів польоту натурного ЛА на ВДПМ здійснюють мо-делювання руху, який розглядають як процес взаємодії тіла з атмосфер-ним повітрям. Перенесення результатів дослідних польотів ВДПМ на на-турний ЛА можливо тільки у випадку виконання умов геометричної, кінематичної та динамічної подоби (аеродинамічної та динамічної у цілому). Крупномасштабна ВДПМ повинна мати таку ж, як натурний ЛА, форму, потрібні по подобі жорсткостні та масово-інерційні параметри, подібні закони управління. В результаті ВДПМ буде вести себе у польоті так само, як і натурний ЛА у відповідних умовах.

Типи ВДПМ, що створюються, повнота та достовірність інформації, що одержується з їх допомогою, залежать від ступеню опрацювання проек-ту натурного ЛА, постановки задачі на модельний експеримент та можли-востей самого методу досліджень на ВДПМ. Необхідність та можливість використання однієї та тієї ж ВДПМ для рішення задач у різних програ-мах визначають за результатами спеціальних теоретичних та методичних досліджень.

Розв'язані за допомогою ВДПМ задачі моделювання динаміки польоту натурного ЛА можна поділити на конкретні програмні групи. Останні виз-начаються задоволенням умов, що накладаються критеріями подоби: Фруда , Рейнольдса та Маха ( - швидкість набігаючого потоку або швидкість польоту; - характерний лінійний розмір обтічного тіла; - коефіцієнт кінематичної в'язкості повітря; - прискорення сили тяготіння; - швидкість звука у набігаючому потоці).

В загальній задачі моделювання на ВДПМ повинні бути задоволені наступні крітеріальні умови:

; ; . (1)

Тут та далі індекс "" характеризує величини пов'язані з натурним ЛА, а індекс "" - з ВДПМ.

В розділі показано, що задоволення подоби по критерію є обов'язковою умовою у всіх задачах моделювання динаміки польоту, а вплив критеріїв та в тому або іншому конкретному випадку руху різний із-за існуючого ефекту вироджування критеріїв подоби та існування меж зон автомодельності.

Однією з основних цілей аналізу питань подоби є одержання масшта-бів подоби, які дозволяють знайти взаємозв'язок відповідних параметрів натурного ЛА та його ВДПМ. Так, масштабами подоби основних параметрів є:

; ; (2)

,

де - масштаб лінійних розмірів; - масштаб мас; - масштаб моментів інерції; , - маси натурного ЛА та його ВДПМ; , - моменти інерції (осеві та центробіжні) натурного ЛА та ВДПМ відносно осей схожісних систем координат.

Якщо прийнятий у якості основного масштабу, то та - довільні масштаби, залежані від та висот аеродинамічної подоби таким чином:

; (3)

де - масштаб щільностей повітря; , - щільності повітря на висотах , польоту та аеродинамічної подоби натурного ЛА та ВДПМ.

Враховуючи все це, автором встановлена можливість поділення за-гальної задачі моделювання за допомогою ВДПМ на чотири програмні гру-пи, у яких:

1. Задовольняються умови подоби за критеріями , та (за-гальний випадок), для яких

; ; , при . (4)

2. Задовольняються умови подоби за критеріями та (при авто-модельності за критерієм ), для яких

; ; . (5)

3. Задовольняються умови подоби за критеріями та (при авто-модельності за критерієм ), для яких

; ; . (6)

4. Задовольняється умова подоби за критерієм (при автомодельно-сті за критеріями та), для якого , але після вибору масштабу та призначення висот аеродинамічної подоби масштаби та однозначно визначаються співвідношеннями (3).

В розділі показано, що при задоволенні подоби за критерієм представляється можливим моделювати задану область режимів польоту на-турного ЛА; при попарному задоволенні критеріїв ( та або та ) вдається досліджувати або визначений режим, або маневр натурного ЛА (якщо заданий допуск на масу та моменти інерції ВДПМ, то можна визначити і область режимів польоту натурного ЛА, що моделюється); у загальному випадку можна досліджувати практично всі режими польоту натурного ЛА.

Потрібні значення основних параметрів ВДПМ, згідно (2), повин-ні задовольняти співвідношенням:

; ; (7)

.

За співвідношенням (7), численим значенням геометричних та масово-інерційних параметрів натурного ЛА, потрібним значенням масшта-бів , , можна одержати значення потрібних основних параметрів ВДПМ для рішення конкретних задач моделювання. Крупномасштабні ВДПМ для кожної програмної групи можуть мати або, як правило, мають різні параметри, їх вимагається різна кількість, та працювати вони повинні у спеціально орієнтованому науково-дослідному комплексі.

В розділі автором, на основі аналізу виведених залежностей, ро-биться висновок про те, що для одержання мінімальної потрібної маси слід прагнути до створення ВДПМ мінімальних розмірів.

Окрім того, параметри, що характеризують обтікання будь-якого з об'єктів, що розглядаються, залежать від відхилень форми та якості їх поверхней. В результаті ж виконання технологічних процесів виготовлен-ня деталей, агрегатного та спільного складання такі відхилення немину-че виникають, що приводить до незбігу реальних поверхней з відповід-ними теоретично заданими для натурного ЛА та потрібними для ВДПМ.

Для натурного ЛА величини відхилень від заданих розмірів та форми задають у вигляді допусків, у межах яких і повинні витримуватись гео-метричні параметри зовнішніх поверхней. Спотворення заданої форми, що проявляються на зовнішній поверхні у вигляді хвиль, виступів, впадин та уступів, приводять до змінення аеродинамічних характеристик, які, в свою чергу, надають вплив на льотні характеристики ЛА. Величини допус-ків на агрегати натурного ЛА визначають розрахунковим або експеримен-тальним шляхом по заздалегідь зумовленим величинам відхилень аеродина-мічних характеристик.

Для ВДПМ величини допусків на агрегати мають бути пов'язані з на-турними таким чином, щоб відхилення аеродинамічних характеристик ВДПМ не перевищували відхилень аналогічних характеристик натурного ЛА. Якби - допуск на розмір , - пошуковий допуск на розмір , та - численні абсолютні значення допусків на розміри натурного ЛА та його ВДПМ, то, згідно попереднім міркуванням, необхідно щоб

, (8)

що є співвідношенням, яке пов'язує допуски на відхилення розмірів та форми ВДПМ з аналогічними допусками натурного ЛА.

Для більшості типів літаків значення відповідають другому класу точності, прийнятому у системі отвору для розмірів у загальному ма-шинобудуванні, що, згідно (8), накладає свої жорсткі обмеження на для їх ВДПМ.

В розділі розглянуто поняття "якість поверхні" стосовно до ВДПМ. Але досліджена не вся сукупність службових властивостей поверхового шару, що визначає якість поверхні, а тільки одна з її основних геомет-ричних характеристик - шорсткість поверхні. Встановлено, що для досяг-нення аеродинамічної подоби при моделюванні, окрім всього іншого, сту-пені шорсткості поверхней натурного ЛА та ВДПМ повинні мати однакові значення, тобто

або , (9)

де , - ступені шорсткості поверхней натурного ЛА та ВДПМ; ( або ), ( або ) - середні висоти виступів шорсткості поверхней натурного ЛА та ВДПМ; , , , - середні арифметичні відхилення профіля та висоти нерівностей профіля по десяти точках натурного ЛА та ВДПМ, які у (9) входять парами: (, ) або (, ).

Поверхні ЛА різного призначення, в основному, не мають бути гірше другого класу, а ЛА з турбореактивними та ракетними двигунами повинні мати поверхню першого класу. Таке оздоблення поверхні натурних ЛА і здійснюють. Клас чистоти поверхні ВДПМ повинен відповідати вимогам (9), які після невеликих перетворень можна привести до наступного виг-ляду:

(10)

Досягнення потрібних значень параметрів форми та якості поверхні ВДПМ більшою мірою залежить від рівня технології виробництва. Застосо-вані ж у НДІ ПФМ виробничі методи дозволяють успішно вирішити вказану проблему, що звільнює від необхідності дослідження питань аеродина-мічної подоби для апаратів, геометричні характеристики яких не задо-вольняють вимогам (8) та (10). Це не виключає продувок у АДТ як трубних моделей (а, можливо, і еталону поверхні моделі (ЕПМ)), так і самої ВДПМ після виготовлення.

В розділі автором встановлені вимоги не тільки до параметрів яко-сті ВДПМ, але і до умов проведення наземних та льотних випробувань при здійсненні їх контролю. При цьому розглянуті питання виродження крите-ріїв подоби та визначення меж зон, у яких ті або інші критерії вироджені, тобто меж зон автомодельності. Знання їх розташування та урахування при проведенні випробувань ВДПМ та подальших льотних дос-ліджень гарантує адекватність результатів моделювання.

Для подоби аеродинамічних сил (та динамічної подоби у цілому) при дослідженні на ВДПМ режимів польоту натурного ЛА, необхідна попарна рівність залежачих від критеріїв , та коефіцієнтів ( та , та , та ) сил лобового опору, підйомних та бокових сил. Задоволення подоби по критерію при моделюванні на ВДПМ є строго обов'язковим, тобто повинна дотримуватись рівність . Тому питання про автомодельність слід вирішувати тільки стосовно критеріїв та , розглядаючи проявлення автомодельності у вигляді незмінних зна-чень аеродинамічних коефіцієнтів у межах заданих значень обраного критерію.

Для визначення меж зон автомодельності на стадії рішення питання про раціональність застосування ВДПМ у якості інструмента льотних дос-ліджень використовують дані продувок трубних моделей у АДТ. Після ви-готовлення ВДПМ, у АДТ продувають її саму, а потім при проведенні льотних випробувань визначають фактичний вигляд залежностей аероди-намічних коефіцієнтів від критеріїв , , уточнюють межі зон автомо-дельності та попадання у ці межі при виконанні експериментів.

Якщо поставити визначення меж зон автомодельності за будь-яким з критеріїв ( або ) у залежність від точності вимірювань аеро-динамічних коефіцієнтів, то строго дотримувати їх попарну рівність для натурного ЛА та ВДПМ немає необхідності. До прикладу, для того, щоб говорити про автомодельність за критерієм у межах (, ) досить задовольнити наступній системі нерівностей:

, (11)

де , - вимірені значення величини ; - максимально можлива погрішність вимірювання величини ; , , , , , - вимірені значення коефіцієнтів , , та при значеннях та ; , , - максимально можливі погрішності вимірювань коефіцієнтів , та ; , , - будь-які проміжні вимірені значення коефіцієнтів , та .

При рішенні питання про автомодельність за критерієм у межах (, ) можуть бути використані нерівності (3) та (4) у отриманої формі запису. Проте, у цьому випадку необхідно вико-ристовувати експериментальні залежності ;; , визначаючи (згідно з їх виглядом) вимірені значення , , та .

В четвертому розділі автором досліджені проблеми формування та контролю якості ВДПМ на етапах прийняття конструктивно-технологічних рішень.

Технологічні задачі вирішують на всіх етапах процесу створення ВДПМ і невдале рішення хоча б однієї з них веде до зниження потрібної якості. При проектуванні крупномасштабних ВДПМ вирішують наступні тех-нологічні задачі:

1. Вишукують конструкторські рішення, що дозволяють при вироб-ництві ВДПМ застосовувати найбільш досконалі, надійні стосовно якості технологічні методи та способи виготовлення, методи технічного контро-лю та випробувань. Особливу увагу приділяють вимогам, виконання яких забезпечує створення технологічної конструкції ВДПМ потрібної якості.

2. Теоретично обгрунтовують та експериментально перевіряють з точки зору забезпечення якості ВДПМ нові технологічні процеси виготов-лення, технічного контролю та випробувань.

3. Установлюють такі вимоги до точності всіх елементів конструкції та основних параметрів ВДПМ, які відповідають реальним можливостям виробничих методів, що використовуються, а їх виконання забезпечує цільове призначення ВДПМ.

Технологічність конструкції є важливою характеристикою доскона-лості виробу та визначає відповідність сукупності конструктивних пара-метрів, закладених у проекті виробу, вимогам виробництва. Необхідність забезпечення подоби параметрів ВДПМ накладає незгладимий відбиток на зміст таких технологічних вимог, як забезпечення простоти форм агрега-тів, раціональне членування конструкції на елементи, раціональне вико-ристання конструкційних матеріалів, досягнення потрібної якості по-верхні, контроль якості елементів конструкції та застосування у конструкції нормалізованих та стандартизованих деталей та вузлів.

Виробництво крупномасштабних ВДПМ є одиничним з обмеженим засто-суванням спеціальних машин, інструментів та пристосувань, а спеціальні технологічні засоби застосовують тільки у випадку, коли без них не мо-же бути забезпечена висока якість виробів. Тому специфічною вимогою до конструкцій ВДПМ є зручність їх виготовлення універсальними техноло-гічними засобами. При розробці конструкції агрегату або вузла передба-чають можливість складання з мінімальною кількістю пристосувань.

Роботи по забезпеченню технологічності конструкції крупномасштаб-ної ВДПМ, що знову створюється, починають при ескізному проектуванні та продовжують при технологічній підготовці та подальшому її виготов-ленні.

В розділі розглянутий алгоритм формування вигляду ВДПМ, при цьому для всіх етапів створення крупномасштабних ВДПМ доведена необхідність та обгрунтувана можливість застосування комплексного методу визначення їх проектних основних параметрів, льотних характеристик та науково-дослідних можливостей.

Теоретичні та методичні основи прийняття конструктивно-техноло-гічних рішень крупномасштабних ВДПМ реалізовані автором у діалоговому комплексі програм "ВДПМ-ЕСКІЗ". Визначення основних параметрів, льот-них характеристик та науково-дослідних можливостей ВДПМ з викорис-танням діалогового комплексу програм "ВДПМ-ЕСКІЗ" займає, як правило, 2...3 години, що у 25...30 разів менше, ніж при розрахунку неавтомати-зованим способом.

З допомогою діалогового комплексу програм "ВДПМ-ЕСКІЗ" проведений великий обсяг параметричних досліджень, які показали, що критичні ре-жими польоту, пов'язані з поваленням та штопором практично всіх класів сучасних літаків, можуть бути вивчені на фізично реалізованих ВДПМ.

В п'ятому розділі основна увага акцентована на методах технології виготовлення крупномасштабних ВДПМ потрібної якості, а також на методах наземного контролю та доводки їх параметрів.

Створення ВДПМ потрібної якості - складний та багатогранний про-цес, а правильний вибір конструкційних матеріалів - один з шляхів за-доволення пред'явленим до ВДПМ вимог. В