166

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

М осковский авиационный институт (государственный технический университет) «МАИ»

КАФЕДРА ДИНАМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

К

Утверждаю Заведующий кафедрой

_____________ А.В. Ефремов

ОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу «Аппаратура и техника измерений» для специальности 131402 «Динамика и управление полетом ЛА»

Москва 2007 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 1

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 1

Московский авиационный институт (государственный технический университет) «МАИ» 1

КАФЕДРА ДИНАМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 1

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу «Аппаратура и техника измерений» для специальности 131402 «Динамика и управление полетом ЛА» 1

Москва 2007 г. 1

Лекция 1 4

Тема: ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ И ИССЛЕДОВАНИЯХ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 4

Лекция 2 17

Тема: ИНФОРМАЦИОННО–ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ 17

1. БОРТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ 17

2. СИСТЕМЫ БОРТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ 18

3. СТРУКТУРА И СОСТАВ ИИС 21

4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ 23

5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ИИС 28

6. УСЛОВИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИИС 29

7. ПОДГОТОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ К ИСПЫТАНИЯМ 30

Лекция 3 33

Тема: ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ 33

1. ИЗМЕРЯЕМЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 33

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ 35

3. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ 36

Лекция 4 41

Тема: ДАТЧИКИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ САМОЛЕТА 41

1. ДАТЧИКИ ВЫСОТЫ И СКОРОСТИ 41

Лекция 5 46

2. ДАТЧИКИ ПЕРЕГРУЗКИ (ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ), УГЛОВОЙ СКОРОСТИ И УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ 46

Лекция 6 53

3. ДАТЧИКИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ САМОЛЕТА В ПРОСТРАНСТВЕ 55

4. ДАТЧИКИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УГЛОВ АТАКИ И СКОЛЬЖЕНИЯ 56

Лекция 7 57

Тема: ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ 57

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ 58

2. МЕТОДЫ ОТБОРА ИЗМЕРЯЕМОГО ДАВЛЕНИЯ 59

Лекция 8 63

3. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 63

4. ДАТЧИКИ С ПНЕВМОКОММУТАТОРАМИ ДАВЛЕНИЯ 63

5. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ 64

6. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 66

7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ 67

Лекция 9. 69

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ 69

1. ДАТЧИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. 69

1.2. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ 74

1.3. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ 77

2. ДАТЧИКИ ВИБРАЦИЙ 78

Лекция 10. 84

3. ДАТЧИКИ СИЛ, МОМЕНТОВ, ДЕФОРМАЦИЙ 84

3.1. ДАТЧИКИ СИЛ И МОМЕНТОВ 84

3.2. ДАТЧИКИ ДЕФОРМАЦИЙ 88

4. ДАТЧИКИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 93

5. ДАТЧИКИ РАСХОДА ТОПЛИВА 95

Лекция 11. 100

Тема: СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ 100

1. СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 100

2. БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ 103

2.1. ТРЕБОВАНИЯ К НАКОПИТЕЛЯМ ИНФОРМАЦИИ 103

2.2. САМОПИСЦЫ 104

2.3. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 104

Лекция 12. 107

2.4. АППАРАТУРА ТОЧНОЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ 107

2.5. ИНФОРМАЦИОННО–ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ 109

2.5.1. Информационно-измерительная система «Гамма–К» 110

2.5.2. Информационно–измерительная система «Гамма–АЧ» 113

3. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ И СОВМЕЩЕННЫЕ СИСТЕМЫ 115

З.1. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 115

3.2. СОВМЕЩЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ 120

Лекция 13. 122

Тема: ИЗМЕРЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 122

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТРАССА 122

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ 131

3. СРЕДСТВА ДЛЯ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 136

Лекция 14. 139

4. СИСТЕМА ЕДИНОГО ВРЕМЕНИ 142

5. ГЛОБАЛЬНАЯ ПОЗИЦИОННАЯ СИСТЕМА МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ «GPS – ГЛОНАСС» 146

Лекция 15. 156

Тема: МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ 156

1. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ 156

2. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ 162

3. ПОГРЕШНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО–ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ 164

Лекция 1

Тема: ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ И ИССЛЕДОВАНИЯХ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Авиация, базирующаяся на летательных аппаратах с аэродинамическим принципом создания подъемной силы, существует немногим более ста лет. За это время она из циркового зрелищного аттракциона превратилась в мощное средство, способное решать весьма широкий круг народнохозяйственных и военных задач.

Авиация всегда находилась на передовых рубежах научно–технического прогресса, впитывая в себя новейшие достижения из различных областей знаний. В то же время, разрабатывая в недрах своей отрасли новые идеи и технические решения, создавая конструкционные материалы и технологические процессы, она способствует развитию других отраслей науки, техники и производства, в которых находят широкое применение авиационные технологии.

Современный летательный аппарат насыщен множеством функциональных систем с широким использованием средств автоматики, радиотехники, электроники и вычислительной техники, эргономически увязанных с экипажем, как звеном в контуре управления. В экспериментальном плане ведутся работы над системами бортового оборудования, которые выполняют свои функции или оказывают помощь экипажу на основе заложенных в них принципов искусственного интеллекта.

Современная авиация располагает широким спектром образцов – от сверхлегких летательных аппаратов любительской постройки до тяжелых и сверхтяжелых самолетов, способных перевозить более 500 пассажиров или 150 – 250 т грузов, от парящих спортивных планеров до истребителей–перехватчиков со скоростью полета, втрое превышающей скорость звука. На самолете стало возможным облететь земной шар без посадки и дозаправки топливом в полете. Достижения авиационной техники во многом способствовали созданию первых космических аппаратов, а в 80-х годах трассы на околоземные орбиты проложили крылатые воздушно–космические аппараты многоразового использования «Спейс Шаттл» (США) и «Буран» (СССР), сочетающие достоинства авиационной и космической техники.

Авиация, развивалась столь бурными темпами, что уже в первом десятилетии 20-го века встал вопрос о ее практическом, в то время исключительно военном, применении и организации промышленного производства летательных аппаратов. (Для справки: за годы Первой Мировой Войны всеми воюющими странами было выпущено более 200 тыс. самолетов) В настоящее время авиационная промышленность стала одной из важнейших составляющих экономики любой высокоразвитой страны мира.

Уровень авиапромышленности соответствует, как правило, общему экономическому развитию страны, и промышленно развитые страны традиционно имеют сильную авиапромышленность. Небольшое число высокоразвитых стран, способных разрабатывать и выпускать широкофюзеляжные транспортные самолеты, боевые самолеты и вертолеты с высокими летными данными, мощные высокоэкономичные двигатели, авиационные системы оружия в комплексе, контролируют мировой рынок авиационной техники.

Современная авиационная техника, как военного, так и гражданского назначения представляет собой сложную систему, впитавшую в себя самые передовые научно–технические, технологические разработки из разных отраслей промышленности и человеческих познаний. Поэтому разработка и производство образцов авиационной техники является весьма дорогостоящим процессом (на рубеже 80-х – 90-х годов стоимость выпускаемой за год продукции авиапромышленностью зарубежных стран оценивалась почти в 160 млрд. долларов (с учетом продукции ракетно–космического сектора)), и ко всему прочему, имеет высокий технический и экономический риск, связанный с конкурентной борьбой на мировом рынке авиационной техники и с техническими, технологическими, политическими и другими просчетами на стадии обоснования и проектирования данного образца.

Для того, чтобы лучше разобраться в процессе разработки, создания и эксплуатации образцов авиационной техники, введем понятие жизненного цикла летательного аппарата.

Жизненный цикл летательного аппарата – совокупность взаимосвязанных во времени процессов последовательного изменения его состояния, начиная с исследования и обоснования создания летательного аппарата до снятия его с эксплуатации.

В качестве отдельных стадий жизненный цикл включает:

• исследования и обоснование разработки нового образца авиационной техники,

• разработку (проектирование и изготовление опытных образцов летательного аппарата) (примерно 5 – 7 лет в зависимости от технического и технологического задела),

• испытания (заводской этап, этап государственных испытаний, эксплуатационные и контрольные испытания) (заводской этап – до 1 года, этап ГИ – до 2-х лет),

• серийное производство,

• эксплуатацию, включая все виды ремонта (20 лет и более).

Итак, любой образец авиационной техники создается не в одночасье, на это затрачиваются значительные интеллектуальные, технические и технологические ресурсы, финансовые и материальные средства. Более того, он создается не для одноразового использования, а для эксплуатации после его производства на длительном промежутке времени, в течение которого он должен быть конкурентоспособным, соответствовать всем предъявляемым к нему требованиям и выполнять все возложенные на него задачи.

Рассмотрим более подробно каждый этап жизненного цикла летательного аппарата.

1. Исследования и обоснование разработки новой авиационной техники. Можно сказать, что этот этап является одним из важнейших в жизненном цикле летательного аппарата. От его результатов во многом зависит обороноспособность, экономическая и политическая независимость страны. Ошибка на этом этапе равносильна серьезному провалу в экономике. Поэтому решение о создании того или иного образца авиационной техники обычно принимается на самом высоком государственном уровне (в СССР – Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР). В этом документе указывались тип и назначение нового образца авиационной техники, задавались его основные летно–технические, тактические и эксплуатационные характеристики, определялись головные организации и организации–соисполнители по его разработке и серийному производству, назначались сроки всех этапов проведения работ, а также определялись формы и объемы финансирования.

Вы, наверное, слышали такое выражение «гонка вооружений». Так вот, с помощью этого мощного рычага экономического, военного и политического давления можно заставить государства вкладывать значительные материальные, технические и производственные ресурсы в производство все новых и новых образцов и видов вооружения, которые из–за научно–технического прогресса быстро морально устаревают, не доходя до своего физического износа. Так, например, в 80-х годах прошлого века США были развернуты программа СОИ (стратегическая оборонная инициатива), программа Стелс (незаметный летательный аппарат) и другие, которые, по мнению американцев, могли существенно подорвать и без того нестабильную экономику СССР.

Процесс обоснования создания тех или иных образцов авиационной техники военного и гражданского назначения проводится независимо в научно–исследователь­ских организациях промышленности и заказчика на основании данных о мировом и отечественном научно–техническом прогрессе, уровне и перспективах развития тех или иных отечественных и зарубежных отраслей промышленности, промышленного, научно–технического, технологического заделов в той или иной сфере деятельности, которые могут привести к мощному научно–техническому и технологическому прорыву, который скажется на существенном повышении характеристик разрабатываемых образцов авиационной техники.

С помощью критерия «стоимость–эффективность» определяется парк необходимой авиационной техники, способный решить ту или иную боевую или транспортно–пассажирскую задачу, и оцениваются затраты на его производство. Для того, чтобы лучше понять сущность этого критерия, рассмотрим простую задачу. Для организации перевозки определенного грузопотока на заданное расстояние можно использовать транспортный самолет большой грузоподъемности и с большой дальностью полета, стоимость которого во много раз выше транспортного самолета с меньшей грузоподъемностью, но с такой же дальностью полета. Получается, что за одни и те же средства можно построить или один самолет большой грузоподъемности, или несколько меньших по грузоподъемности самолетов, которые могут быть использованы и в других областях применения, в которых большой самолет может оказаться нерентабельным. С другой стороны, на самолете с меньшей грузоподъемностью нельзя перевести крупногабаритный груз, который спокойно вмещается в большой самолет. Для корректного решения этой задачи необходимо рассматривать и некоторые, как бы второстепенные, аспекты их применения, а именно, грузовую эффективность и стоимость эксплуатации этих самолетов, а также многие другие факторы.

2. Проектирование и изготовление опытных образцов летательного аппарата.

Этот этап включает в себя предварительные проработки, разработку технического предложения (аванпроекта); эскизное проектирование и постройку макета в натуральную величину с полной компоновкой оборудования; рабочее проектирование – разработку рабочих чертежей будущих агрегатов и систем; постройку опытных образцов для летных испытаний и образцов для проведения наземных прочностных и других испытаний.

После получения технического задания от заказчика Головное КБ–разработчик, используя имеющийся научно–технический задел и научный прогноз совершенствования авиационной техники, а, также выполнив испытания моделей в аэродинамических трубах, определяет облик будущего летательного аппарата – создает техническое предложение. Затем проводятся экспериментальные работы для подтверждения ранее принятых решений, уточняются отдельные параметры, расчетные характеристики и аэродинамическая компоновка летательного аппарата. Перечисленные работы сопровождаются обширными испытаниями в аэродинамических трубах и на стендах.

В процессе рабочего проектирования происходят конкретизация и детализация проекта. Методы автоматизированного проектирования и конструирования узлов и деталей позволяют не только решать вопросы обеспечения требуемой эффективности летательного аппарата, но и оптимизировать технологические решения и, что самое главное, во многом сокращают время проектирования. Например, разработки при проектировании самолета Боинг–747 были проведены всего за восемь месяцев!

3. Летные испытания новых образцов авиационной техники.

Летные испытания летательного аппарата проводятся в натурных условиях (в полете) для оценки характеристик испытываемого летательного аппарата, сравнения полученных показателей с заданными (нормируемыми), выработки мероприятий, при необходимости, по их улучшению. К началу летных испытаний должны быть завершены в полном объеме работы, связанные с подготовкой испытательной базы, формированием плана–графика, плана материально–технического обеспечения, подготовкой летного, инженерного и технического состава. Для расширения фронта работ, снижения риска испытательных полетов и материальных затрат летные испытания проводятся в сочетании с наземными испытаниями с использованием лабораторных стендов, моделирующих комплексов, специальных установок. Длительность летных испытаний и доводки летательного аппарата существенно сокращается благодаря рациональному распределению работ, выполняемых в летных и наземных условиях, оптимальной организацией испытаний, осуществляемых по единому плану, предусматривающему последовательность поступления летательного аппарата на испытания, своевременному материально–техническому обеспечению, применению информационно–измерительных систем на базе быстродействующих ЭВМ, магнитных регистраторов для автоматизированной обработки и анализа результатов измерений, радиотелеметрических систем и средств управления летным экспериментом в реальном масштабе времени. Летные испытания разделяются на заводские испытания, государственные испытания, контрольные испытания, приемо–сдаточные и эксплуатационные испытания.

Заводские и государственные летные испытания проводятся по согласованным между заказчиком и исполнителем программам, основанным на типовых программах, с учетом специфики конкретных летательных аппаратов и целей каждого этапа, по единым методическим документам. Научно–методическое руководство летными испытаниями (разработка типовых программ, методологии летных испытаний, частных методик испытаний отдельных видов, математическое обеспечение обработки и анализа информации, разработка технических заданий на создание специальной аппаратуры для испытаний) осуществляется головными НИИ отраслей промышленности и заказчика.

Этап заводских испытаний. Он проводится силами Головного ОКБ–разработчика, его летчиками–испытателями. Основными задачами этого этапа являются:

• выполнение первого полета опытного образца,

• определение его основных летно–технических, взлетно–посадочных характеристик, характеристик устойчивости и управляемости и предварительное сравнение их с заданными в ТТЗ заказчика,

• выявление различного рода конструктивных и технологических дефектов, которые могут привести к нежелательным последствиям или усложняющих процесс пилотирования летательного аппарата,

• выдача рекомендаций по устранению выявленных дефектов и недостатков.

В процессе проведения этапа заводских летных испытаний, при необходимости, специальные бригады доработчиков устраняют выявленные дефекты и недостатки. Головной ОКБ–разработчик, как правило, предоставляет новый летательный аппарат для облета летчикам–испытателям ЛИИ им. М.М. Громова. Летчики–испытатели ЛИИ (обычно 2 – 3) выполняют 4 –6 полетов и дают свою летную оценку новому образцу, которая согласовывается с Головным ОКБ–разработчиком. Летчиками–испытателями и инженерно–техническим персоналом Головного ОКБ–разработчика проводится техническая подготовка и обучение летных и инженерно–технических экипажей заказчика по пилотированию и обслуживанию нового образца авиационной техники. На этом же этапе проводится корректировка конструкторской документации с учетом выявленных конструктивных и технологических недостатков, и выполняются работы по подготовке предсерийного производства нового образца. По завершении этапа заводских испытаний Головным ОКБ–разработчиком выпускается Акт, в котором приводятся полученные в ходе испытаний характеристики и их сравнение с заданными, отмечаются все выявленные в ходе выполнения этапа заводских испытаний особенности пилотирования и поведения летательного аппарата на исследованных режимах полета. В нем также даются рекомендации по устранению выявленных конструктивных и технологических недостатков и несоответствия полученных характеристик заданным.

После проведения этапа заводских испытаний выполняется комплекс работ по подготовке серийного производства и опытным производством Головного ОКБ–разработчика (иногда с привлечением серийного завода) выпускается предсерийная партия летательных аппаратов в количестве 5 – 10 экземпляров, которые предназначаются для проведения государственных летных испытаний.

Этап государственных летных испытаний. Этот этап проводится летчиками–испытателями заказчика и Летно–исследовательского института. Часть программы испытаний, связанная с определением в натурных условиях аэродинамических, прочностных характеристик летательного аппарата, характеристик режимов сваливания и штопора, особенностей работы силовой установки на различных режимах полета и некоторых других традиционно выполняется летчиками–испытателями ЛИИ. Основная часть программы государственных летных испытаний нового образца авиационной техники, связанная с получением всех характеристик летательного аппарата во всем заданном эксплуатационном диапазоне высот и скоростей и на всех режимах полета, с оценкой соответствия полученных характеристик заданным, с боевым применением новой авиационной техники во всех заданных погодных и климатических условиях, проводится летчиками–испытателями заказчика. Выявленные при проведении этого этапа летных испытаний конструктивные и технологические дефекты и недостатки устраняются специальными бригадами доработчиков от Головного ОКБ–разработчика нового образца авиационной техники. В период проведения этапа государственных летных испытаний производится оценка эксплуатационной технологичности нового образца авиационной техники, его контролепригодности силами специальных научно–исследовательских и эксплуатирующих организаций заказчика, а также ведется подготовка летного и инженерно–технического состава эксплуатирующих организаций (строевых частей) по пилотированию и эксплуатации новой авиационной техники. По окончании этапа государственных летных испытаний выпускается Акт, в котором приводятся все полученные результаты летных испытаний, оценка соответствия полученных характеристик заданным требованиям, даются перечни недостатков, которые необходимо устранить Головному ОКБ–разработчику до начала серийного производства (Перечень 1: недостатки, которые в значительной степени влияют на безопасность полета) и на начальной стадии эксплуатации нового образца в эксплуатирующих организациях (Перечень 2: недостатки, которые способствуют улучшению летно–технических, маневренных и эксплуатационных характеристик испытываемого образца авиационной техники).

На основании Акта государственных летных испытаний выпускается соответствующее распоряжение о принятии нового образца авиационной техники в эксплуатацию (на вооружение).

4. Серийное производство. Еще до полного окончания государственных летных испытаний Головной ОКБ–разработчик дорабатывает и передает серийному заводу, который определен головным изготовителем новой авиационной техники, всю конструкторскую и технологическую документацию для изготовления необходимой оснастки и оборудования. Серийный завод приступает к подготовке и развертыванию производства нового образца авиационной техники.

Авиационная техника, как правило, производится сериями, так как в процессе эксплуатации она подвергается различного рода доработкам, улучшающим летно–техниче­ские и эксплуатационные характеристики выпускаемой продукции. Для того, чтобы не производить доработки на всем парке авиационной техники данного типа и принята такая схема серийного производства. Более того, в процессе эксплуатации при выявлении каких–либо конструктивно–технологических дефектов или недостатков нет необходимости проверять весь парк летательных аппаратов этого типа, а достаточно проверить только летательные аппараты, выпущенные до выявления этих дефектов. При расследовании летных происшествий для проведения летных исследований по выявлению причин, повлекших тяжелые последствия, обычно выбираются летательные аппараты из той же серии, что и летательный аппарат, потерпевший аварию (катастрофу).

На серийных заводах–изготовителях летательные аппараты проходят приемо–сдаточные испытания в порядке, предусмотренном договором на поставку. Контрольным испытаниям подвергаются все летательные аппараты из головной и выборочно из последующих серий.

5. Эксплуатация. Время эксплуатации летательного аппарата отсчитывается со дня поступления первых образцов летательного аппарата заказчику (покупателю) и заканчивается списанием последнего летательного аппарата данной модели, включая ее модификации.

Поступающая в эксплуатацию авиационная техника проходит несколько видов летных испытаний: лидерные (эксплуатационные) и ресурсные. По результатам лидерных испытаний назначается ресурс новому образцу АТ, а по результатам ресурсных – продлевается срок эксплуатации АТ.

В процессе эксплуатации любая авиационная техника морально стареет и если не предпринимать никаких мероприятий, то она из–за снижения своей эффективности по сравнению с появляющимися более современными аналогами может просто–напросто не дожить до своего физического износа. Поэтому существующий парк авиационной техники, по мере возможности, на протяжении всего периода эксплуатации стараются модернизировать (модифицировать).

Модификация – это одно из основных направлений развития техники, носящего двойственный характер: скачкообразный – при появлении новых моделей ЛА, и эволюционный – при разработке модификаций.

Модификация летательного аппарата – видоизменение, преобразование, придание новых свойств исходному (базовому) варианту летательного аппарата. Модификацией принято называть также и сам модифицированный летательный аппарат. В соответствии с задачей (целью) преобразования базового летательного аппарата различают усовершенствование, специализированную и экспериментальную модификацию. Усовершенствованные модификации не отличаются от базового летательного аппарата по своему назначению и создаются с целью повышения его эффективности. Это достигается применением усовершенствованных двигателей, бортовых систем, оборудования, вооружения, внедрением в конструкцию новых материалов, улучшением аэродинамических характеристик, изменением размеров летательного аппарата (например, путем изменения длины фюзеляжа получают летательный аппарат другой пассажировместимости) и т.д. При создании таких летательных аппаратов в них, как правило, вносят различные улучшения (комплексные модификации).

Специализированные модификации отличаются от исходного летательного аппарата способностью решать новые задачи (например, на базе истребителя может быть создан разведывательный самолет, на базе пассажирского самолета – противолодочный и т.д.). Достигается это установкой соответствующего специализированного оборудования и внесением необходимых изменений в конструкцию летательного аппарата.

Экспериментальные модификации создаются для проведения летных исследований.

Целесообразность разработки модификации обусловлена быстрым моральным старением технических средств и продолжительными сроками между появлением летательных аппаратов новых поколений, что связано с необходимостью накопления большого числа нововведений (в т.ч. результатов крупных научных открытий и «прорывов») для значительного повышения эффективности новой модели. Создание модификаций позволяет пополнять парк летательных аппаратов усовершенствованными образцами в более сжатые сроки и с меньшими затратами (за счет преемственности конструкции, более высокого уровня стандартизации и унификации составных частей летательного аппарата и т.п.). Модификации отличаются от базового летательного аппарата своими обозначениями.

В 1960 – 1970 годы создание модификаций стало планироваться на стадии проектирования базового летательного аппарата (определение обликовых характеристик модификаций, обоснование включения в базовую конструкцию целесообразных резервов для развития модификаций и т.п.). В 1970 – 1980 годах приступили к одновременному созданию базового самолета и семейства модификаций с общностью многих элементов конструкции, с единым двигателем (с тем же или другим их числом), с одним и тем же крылом, с различной длиной фюзеляжа и, соответственно, с иной пассажировместимостью и дальностью полета. Этот метод проектирования получил название модульного (например, семейство пассажирских самолетов Боинг 7Х7, А–300 и т.д.).

Модернизация авиационной техники – изменение конструкции, состава бортового оборудования и т.п. в соответствии с новейшими требованиями, нормами, достижениями науки и техники для улучшения каких–либо характеристик летательного аппарата. При модернизации не изменяется целевое назначение летательного аппарата, и в этом смысле модернизированный летательный аппарат можно рассматривать как усовершенствованную модификацию его исходного варианта.

Необходимо отметить, что любой модернизированный или модифицированный образец авиационной техники, так же как и базовый образец, проходит полный цикл испытаний.

Итак, из всего вышесказанного, можно сделать следующие выводы:

• разработка и создание образцов авиационной техники – очень кропотливое и дорогостоящее занятие;

• ошибки в принятии решения о создании и производстве того или иного образца обычно сказываются негативно на экономике страны, на ее обороноспособности и, если хотите, независимости. Примеры: Ил–2 (двухместный вариант), М–50 (1959 г.), Т–4 (1972 г.), Ту–144 (1968 г.);

• модернизация и модификация авиационной техники – эффективное средство поддержания необходимого уровня эффективности парка авиационной техники и продления ее жизненного цикла до морального износа. Примеры: По–2, Ан–2, многие самолеты 3-го поколения. Негативный пример – Ил–28.

Рассматривая этапы жизненного цикла любого образца авиационной техники, мы уже сталкивались с понятием летных или как еще их называют натурными испытаниями. Но кроме летных испытаний существуют летные исследования. Что же собой представляют летные исследования.

Летные исследования – физический эксперимент в натурных условиях (в полете) для изучения на основе его результатов закономерностей взаимодействия летательного аппарата с внешней средой, с гравитационным и другими полями Земли и (или) воздействия этой среды и этих полей на экипаж, а также на системы летательного аппарата.

Летные исследования охватывают широкий круг проблем, связанных с аэродинамикой, механикой полета и прочностью летательного аппарата, работой силовых установок и систем управления полетом, условиями работы различных комплексов и систем бортового оборудования, воздействием летательного аппарата на окружающую среду. Летные исследования могут производиться на летающих моделях (сбрасываемые с самолета летающие модели для исследования околозвуковых скоростей полета (конец 1940-х годов), летающие модели «Бор» запускались ракетой–носителем на околоземную орбиту для отработки теплозащиты МКС «Буран»), экспериментальных и опытных летательных аппаратах (в США все экспериментальные летательные аппараты имеют индекс «Х»), серийных летательных аппаратах, переоборудованных в летающие лаборатории или в так называемые самолеты–аналоги (МиГ–21И – аналог Ту–144 на нем отрабатывалась аэродинамическая компоновка интегрального крыла, самолеты–летающие лаборатории для отработки бездвигательной посадки МКС «Буран» на базе самолетов Ту–154 и МиГ–25, летающая лаборатория для отработки палубной посадки на базе самолета МиГ–27, специализированные летающие лаборатории для проведения аэродинамических исследований на базе самолетов Ту–22, МиГ–23, Су–11 и Су–17, специализированные летающие лаборатории для отработки силовых установок на базе самолетов Ил–76, МиГ–25, Су–24 и других, летающие лаборатории для отработки средств аварийного покидания (катапультных кресел) и систем жизнеобеспечения, летающие лаборатории для отработки различных бортовых радиоэлектронных систем и другие). Важнейшим условием повышения эффективности летных исследований является моделирование изучаемых явлений перед летными исследованиями и в процессе их проведения с помощью имеющихся или специально создаваемых моделирующих установок.

Особое значение летные исследования приобретают при создании летательных аппаратов или их систем принципиально новых схем, при изучении неустановившихся движений, составляющих основную часть режимов полета летательных аппаратов многих типов, и при расширении ограничений за пределы ранее достигнутых значений, в особенности, если эти области не могут быть смоделированы в лабораторных условиях.

При экспериментах на летающих моделях определяются аэродинамические характеристики летательного аппарата, изучаются распределение давления и параметры пограничного слоя, исследуются особенности полета на больших углах атаки. С помощью летающих лабораторий и летающих моделей изучаются влияние вязкости в сжимаемом потоке при натурных числах Рейнольдса, аэродинамика гиперзвуковых скоростей.

Большую роль играют летные исследования в изучении неустановившихся движений самолетов, в особенности на больших и сверхкритических углах атаки, а также отрывных и отрывно–вихревых течений. Аэроупругое взаимодействие ЛА и воздушной среды моделируется в лабораторных условиях лишь частично. Поэтому летные исследования широко применяются для определения внешних нагрузок, действующих на летательный аппарат, и для изучения работы конструкции под действием этих нагрузок. На эксплуатационных режимах полета и в ряде других случаев изучаются напряжения, деформации и упругие колебания элементов конструкции, распределение давления и температуры на наружной поверхности и температуры в элементах конструкции (пример: исследования температурных напряжений на остеклении фонаря кабины самолета МиГ–25).

К типичным примерам летных исследований силовых установок относятся:

• изучение характеристик входных и выходных устройств и согласование их с характеристиками двигателя;

• уточнение оптимальных законов управления геометрией газовоздушного тракта;

• определение степени равномерности и спектра пульсации параметров течения в каналах;

• определение характеристик газодинамической устойчивости силовой установки;

• исследование особенностей неустановившихся режимов;

• исследования топливной, масляной и других систем.

В процессе разработки систем бортового оборудования, когда аппаратура создается с применением новых физических принципов или для новых условий применения, до постройки опытного образца изготавливается действующий макет или экспериментальный образец, который после лабораторной и стендовой отработки устанавливается на летающей лаборатории. Летные исследования, проведенные с использованием макета, позволяют проверить в натурных условиях правильность принципиальных решений, положенных в основу вновь создаваемой аппаратуры. Кроме автономной отработки отдельных систем большое внимание уделяется совместной работе всего комплекса бортового оборудования (электромагнитная и радиосовместимость).

Для исследований воздействия летательного аппарата на окружающее пространство, распространяющегося на значительные площади, требуется создание измерительных полигонов в районе аэродрома (для изучения шума и эмиссии вредных веществ), в испытательных зонах (для исследования звукового удара) или специальных измерительных комплексов (для исследований спутного вихревого следа).

Измерения при летных исследованиях отличаются разнообразием применяемых средств. Они включают средства фиксации режима полета летательного аппарата и специальные средства, предназначенные для измерений параметров и характеристик исследуемой системы или явления. До начала летного эксперимента разрабатываются, отлаживаются и апробируются алгоритмы и программы поэтапной автоматизированной обработки результатов измерений (экспресс–информация, оперативная и полная обработка), т.е. создается модель эксперимента.

Сокращение сроков проведения и повышение эффективности и безопасности летного эксперимента могут быть достигнуты передачей результатов бортовых и внешнетраекторных измерений по радиотелеметрическому каналу в стационарную систему обработки данных и управления экспериментом, где эти результаты автоматически обрабатываются ЭВМ в темпе проведения эксперимента с отображением текущей информации на дисплеях.

Аналогичные системы применяются для управления экспериментом на борту летающей лаборатории. Они позволяют руководителю исследований (на земле или на борту летающей лаборатории) корректировать выполнение эксперимента и, в случае необходимости, предупредить летчика о приближении к зоне опасных режимов или уточнить содержание последующих заданий. Применение методов идентификации позволяет по результатам летных исследований оценить адекватность принятой модели исследуемого явления и уточнить параметры модели.

Летные испытания и исследования занимали и занимают существенное место в создании летательных аппаратов на всех этапах развития авиации. Методология летных исследований по мере усложнения и совершенствования самолетов и вертолетов к сороковым годам превратилась в самостоятельную область авиационной науки. Значительную роль в развитии методов летных испытаний, как и любых экспериментальных методов исследований, играет уровень технических средств измерений, совершенство и правильность методов измерений.

Уже при испытаниях первых отечественных самолетов измерялись отдельные физические величины, необходимые для оценки режимов и условий полета. Впервые в Советском Союзе специальный прибор был применен В. П. Ветчинкиным в 1918 г. для измерения перегрузок в полете. В двадцатые годы для измерений при летных испытаниях применялись отечественные или приобретенные за границей приборы.

В начале 30-х годов становится очевидным, что для отработки самолета в натурных условиях недостаточно опираться на опыт и информацию летчика. Необходимо тщательно с использованием этого опыта и с привлечением квалифицированных инженеров исследовать на основе объективных данных особенности явлений, имевших место в полете.

Летчику или бортинженеру вменяется в обязанность записывать в специальный планшет показания штатных приборов во время полета. На самолете устанавливается фото– и киноаппаратура для периодического фотографирования приборной доски в полете.

В тридцатых годах были разработаны приборы самописцы барометрической высоты (барограф), скорости (спидограф), а позднее – самописец отклонения рулей, трехкомпонентный самописец угловых скоростей (жирограф). Условия работы приборов, характеризующиеся широким диапазоном температур окружающей среды, вибрациями, линейными ускорениями и другими факторами, привели к необходимости внедрения новых схем и конструкций приборов.

Для выполнения летных испытаний на самолете устанавливались необходимые приборы, включение и выключение которых осуществлялось летчиком или бортинженером с общего пульта. Для увязки записей всех приборов во времени (синхронизация) каждый прибор–самописец имел электромагнитное реле со специальным пером, срабатывающим от электрочасов. Такое объединение приборов с общим управлением и синхронизацией записей можно считать первой ступенью в создании измерительных систем для летных испытаний.

Развитие отечественной авиации в годы Великой Отечественной войны и послевоенные годы, появление новых силовых установок и самолетного оборудования, исследования аэродинамики больших дозвуковых и околозвуковых скоростей, разработка методов определения устойчивости и управляемости в полете потребовали дальнейшего увеличения перечня величин, измеряемых при летных испытаниях и исследованиях, и их диапазонов.

Появление самолетов нового поколения и реактивных двигателей вызвало необходимость в многокомпонентных сравнительно малогабаритных приборах, регистрирующих на одной ленте 10...20 и более величин. Создается множество самописцев давления с оптической регистрацией на фотопленке и бортовых осциллографов. Набор необходимых датчиков и осциллографов, регистрирующих их показания, представляет собой простейшую мобильную измерительную систему.

Усложнение самолетов и вертолетов, необходимость сокращения сроков и стоимости летных испытаний предъявили новые требования к организации их проведения – получения максимума результатов из каждого летного эксперимента, что означало обеспечение одновременного измерения сотен и даже тысяч физических величин при ограниченных возможностях обработки результатов. При летных испытаниях самолета Ту–104 измерялось около 300 физических величин. При испытаниях сверхзвукового пассажирского самолета количество измеряемых величин возросло на порядок.

Обработка таких объемов информации без ее автоматизации стала невозможной. Поэтому были разработаны бортовые самописцы с цифровой записью на магнитной ленте, положившие начало поколениям магнитных регистраторов. Современные магнитные регистраторы рассчитаны на одновременную запись нескольких сотен сигналов различных датчиков. Развитие цифровых вычислительных машин обеспечило автоматическую обработку всех измерений, выполняемых при летных испытаниях, в течение времени, сопоставимого с продолжительностью летного эксперимента. Измерительные бортовые системы с магнитными регистраторами удобны при летных испытаниях и исследованиях самолетов и вертолетов.

Радиотелеметрические системы, разработанные для испытаний летательных аппаратов, некоторое время применялись при первых полетах самолетов в качестве контрольно–аварийных систем.

Возможность контролировать на Земле с помощью радиотелеметрической системы физические процессы, характеризующие состояние самолета (его систем), условия полета и действия летчика, определяет место радиотелеметрической аппаратуры в качестве информационного канала системы управления летным экспериментом в реальном времени его проведения. При аэродинамических исследованиях на летающих моделях радиотелеметрическая система является основным инструментом получения результатов.

Для отработки в летных условиях режимов пилотирования современных маневренных самолетов, навигационных и, особенно, цифровых систем, аппаратуры и режимов автоматической посадки и взлета потребовались объективные данные о параметрах траектории самолета – координатах в пространстве в функции времени, составляющих скорости полета, углах траектории. Были созданы системы измерения траекторий – кинотеодолиты, измерительные радиолокаторы, фазовые пеленгаторы, которые размещаются на земле вдоль трассы полета самолета.

Весь комплекс технических измерительных средств, применяемых при летных испытаниях и исследованиях самолетов – бортовые системы с магнитной регистрацией, радиотелеметрические системы и системы траекторных измерений увязываются в единую информационно–измерительную систему (ИИС) с помощью аппаратуры единого времени, средств сбора и обработки измерительной информации, управления и связи. Отдельные средства и подсистемы создаются максимально унифицированными. При построении ИИС в целом и ее использовании в лётном эксперименте учитываются особенности ЛА, ограничения, накладываемые географическим расположением территории, определенной для испытаний, взаимодействие с комплексом сопровождающего моделирования и ряд других факторов.

Развитие ИИС для летных испытаний идет в настоящее время в направлении дальнейшего увеличения точности измерений, расширения перечня диапазонов и спектра измеряемых величин, миниатюризации аппаратуры, размещаемой на борту испытуемого летательного аппарата, совершенствования метрологических характеристик, повышения контролеспособности и надежности, дальнейшего увеличения степени автоматизации всех процессов измерений, обработки и анализа результатов эксперимента.

Летные испытания пилотируемых авиационных комплексов представляют заключительный этап в сложном процессе создания и производства летательных аппаратов (ЛА). В ходе выполнения этого этапа на борту осуществляются многоплановые измерения, по результатам которых оценивается состояние ЛА и его систем. Полученные экспериментальные данные используются также при составлении заключения о тактико–технических возможностях авиационных комплексов, определяющих целесообразность их серийного производства или начала массовой эксплуатации.

В процессе испытаний проводятся широкомасштабные комплексные измерения, позволяющие не только определить состояние объекта в какой-либо момент времени, но и исследовать закономерности изменения этих состояний и их взаимосвязь между собой и внешней средой. Обеспечение широких функциональных возможностей измерений достигается не только путем количественных решений проблемы сбора экспериментального материала, но и внедрением в практику измерений при летных испытаниях автоматизации на основе последних достижений радиотехники и микроэлектроники. Увеличение объема экспериментальной информации снижает стоимость испытаний, однако существенным образом усложняет систему бортовых измерений (СБИ). Эти усложнения характеризуются наличием на борту средств измерений, действующих на различных физических принципах, возрастанием роли синхронизации измерительных данных и усложнением процесса управления работой СБИ.

Лекция 2

Тема: ИНФОРМАЦИОННО–ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ