5.4. Параметрическая оптимизация привода и органов управления.
От решения задач оптимизации по внутренним параметрам привода переходят на более высокий структурный уровень – оптимизация по внешним параметрам системы «привод-орган управления».
Целевой функцией оптимизации является энергомассовый показатель РП-ОУ.
В качестве примера рассмотрим пару элементов широко используемых в канале крена: газогидравлический привод и поворотный твёрдотопливный двигатель (ПТТД).
Рис. 48 Параметрическая оптимизация привод – орган управления
В перспективных ЛА применение в качестве ОУ маршевых двигателей поворотных управляющих сопел – эффективных ОУ, обусловливает наличие малых свободных объёмов для расположения внутри отсеков ПТТД и РП. Как правило, ограничения по размещению приводит к невозможности соосного расположения ПТТД и поворотной РМ, из-за чего связь между ними осуществляется через кинематические звенья – шатуны, многозвенники и коромысла. Наиболее часто используется трёхзвенник (два поводка и тяга между ними).
Как следует из рисунка, наивысшая эффективность ПТТД достигается на углах Д. В этом случае ОУ обеспечивает максимальный момент по крену при минимальных энергетических затратах (массовом расходе), т. е. минимальной массе ПТТД.
С другой стороны, вследствие увеличения угла поворота вала рулевой машины ухудшается её механический кпд, особенно на краях углового диапазона, из-за уменьшения развиваемого момента в результате сокращения плеч поводков на больших углах поворота. В связи с этим, наименьшие потери имеют поворотные РМ с углами поворота выходного вала (30…).
Момент крена, формируемый тягой ПТТД, определяется величиной тяги или массовым секундным расходом топлива и углом поворота сопла Д. Чем меньше Д, тем большей тягой (расходом) должен располагать ПТТД при выполнении заданного для изделия момента крена. Больший расход топлива при прочих равных условиях обусловливает большую массу ПТТД.
В то же время, увеличивая угол поворота сопла Д (уменьшая потребную тягу), следует (при обеспечении требуемого времени перекладки ПТТД из нулевого положения в крайнее) повышать угловую скорость поворота вала РМ при сохранении движущего момента, т.е. увеличивать мощность, а, значит, и массу РП.
Таким
образом, задача параметрической
оптимизации сводится к расчёту угла
поворота ПТТД для заданных требований
ко времени переброски и моменте крена,
при котором обеспечивается минимальная
масса системы РП-ПТТД. Результат решения
задачи иллюстрируется на рис. 49
m
mПР
Рис. 49 Параметрическая оптимизация привод – орган управления
К числу задач параметрической оптимизации более сложного уровня следует отнести также задачу рационального выбора энергетических характеристик РП, обеспечивающего управление поворотного сопла, подвеска которого в корпусе ДУ выполнена на эластичном шарнире. Для решения задачи использована особенность ПУС (поворотного управляющего сопла), которая заключена в круговом характере диаграммы шарнирного момента и потребных скоростей, действующих в плоскости управления ПУС на штоки рулевых машин.
Анализ диаграмм располагаемых сил и действующих нагрузок в плоскости управления показывает, что круговая диаграмма шарнирного момента поворотного управляющего сопла (позиционная нагрузка) оказывается вписанной в квадрат располагаемых сил двух РМ с точками касания, в которых РМ крепится к раструбу рис. 50
Рис. 50 Эпюра мощности привода в плоскости управления
В этих точках располагаемая и действующая силы равны во всём диапазоне отклонения ПУС. В остальных направлениях, когда перемещаются две РМ одновременно, результирующая располагаемая сила при действии в гидросистеме постоянного давления питания рабочей жидкости на входе в РМ превышают нагрузку со стороны ПУС. Причём максимальное превышение располагаемой силы над потребной достигает 40%, а по мощности с учётом формируемой в этом же направлении скорости Vп=1,4 Vmax – в два раза при движении проекции вектора тяги под углом 45 к осям и .
Следует отметить, что наиболее рациональный режим с точки зрения экономного использования энергии в приводе реализуется при движении одной РМ под действием минимально допустимого уровня давления, когда требуемая и раcполагаемая мощности совпадают (Рис.1). Одновременная работа двух РМ с максимальной скоростью и усилием сопровождается рассеиванием избытка энергии на нагрузке в виде тепловых потерь на элементах дросселирования (золотнике, регуляторах и т.д.).
Для построения рациональной схемы источника питания привода по использованию мощности целесообразно обеспечить в источнике питания переменное давление на входе в РМ, автоматически изменяющееся от потребляемого расхода рабочей жидкости РМ.
Это достигается настройкой газового клапана на нижний допустимый уровень давления при потреблении рабочей жидкости одной РМ, движущейся с максимальной скоростью, и двух непроизводительных расходов через золотники РМ.
При подключении второй РМ и движении двух РМ с потреблением Q=1,4 Qmax+2Qут давление в линии нагнетания источника питания при закрытом газовом клапане не должно уменьшаться ниже 0,7Р. В этом случае на штоках РМ реализуется результирующее усилие, соответствующее нагрузке, которая преодолевается парой РМ при обеспечении движения вектора тяги ПУС с максимальной скоростью независимо от направления движения.
Для реализации работы источника питания в этом режиме необходимо согласование его внутрибаллистических, динамических и конструктивных параметров с динамическими характеристиками действующих на орган управления возмущений, которые преобразуются в величину потребляемого РМ расхода, время действия и интервал отсутствия возмущения.
Наиболее наглядно процедура минимизации энергопотребления иллюстрируется графиками расходно-перепадных располагаемых и потребных характеристик источника питания и рулевых машин (рис. 51).
QP
1,0
Рис. 51 Расходно-перепадные характеристики РМ и ТТГГ
В идеале параметрическая оптимизация должна охватывать весь комплекс сложной структуры ЛА. Но полная параметрическая оптимизация сложна и может оказаться неэффективной в силу существенной разницы в массе РП и ЛА. По-видимому, указанная процедура частичной оптимизации целесообразна для объектов ЛА, сравнимых по массе, когда она не разнится, по крайней мере, на порядок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК