Способ определения координат центра масс самолета

Изобретение относится к области аэрокосмической техники и может быть использовано для определения координат центра масс самолета в полете.

Положение центра масс самолета является важным фактором, влияющим на летно-технические характеристики самолета. Взаимное расположение центра масс и фокуса самолета определяет статическую устойчивость самолета. Изменение положения центра масс (центровки) самолета приводит к изменению его характеристик устойчивости и управляемости, что оказывает влияние на летно-технические характеристики самолета, включая потребление топлива.

Значения координат центра масс самолета учитываются при определении характеристики устойчивости и управляемости, построении и пересчете балансировочных зависимостей, идентификации значений коэффициентов и производных коэффициентов аэродинамического момента тангажа самолета.

Из условий сохранения управляемости и устойчивости устанавливаются допустимые пределы изменений центровок: предельно передняя х_пп, предельно задняя х_ПЗ,

x_ПП≤х_ДОП≤х_ПЗ

Значения предельных центровок для каждого типа самолетов приводятся в технических описаниях самолетов и в инструкциях по их эксплуатации и оказывают влияние на управляемость и устойчивость самолета в полете.

На современном самолете масса топлива может составлять до 50% взлетной массы самолета. В процессе полета самолета происходит выработка топлива, находящегося в топливных баках, которые расположены в разных частях самолета (фюзеляже, крыле, вертикальном и горизонтальном оперении), кроме того, самолет может быть оборудован подвесными топливными баками, в результате чего изменяется масса самолета и положение его центра масс. Ввиду сложной геометрии топливных баков, при изменении значений угла ϑ_Т наклона свободной поверхности топлива в баках относительно строительной горизонтали фюзеляжа (СГФ) самолета координаты центра тяжести самолета изменяются даже в случае постоянных значений остатков топлива в баках.

Известен расчетный способ, заключающийся в определении координат центра масс самолета на основании чертежей [В.С. Ведров, М.А.Тайц, «Летные испытания самолетов», Москва, 1951, с. 34…38]. С этой целью используют формулы механики (Ю.И. Снешко «Исследования в полете устойчивости и управляемости самолета», Москва, Машиностроение, 1971, с. 156-158):

где Xt, Yt - координаты центра масс самолета относительно произвольно выбранной системы осей, м;

G_i - масса отдельных частей, агрегатов и оборудования самолета, кг;

G - суммарная масса самолета, кг;

x_i, y_i - координаты центров масс частей и агрегатов, м.

Недостаток данного способа заключается в том, что он применим только на первоначальном этапе создания и сборки самолета для проверки компоновки его основных частей. Необходимо иметь чертежи самолета и ведомость веса частей и агрегатов, а также знать положение их центров масс на самолете.

Известен способ определения координат центра масс самолета посредством его взвешивания [М.Г. Котик, Л.В. Павлов, И.М. Пашковский, Н.Г. Щитаев, «Летные испытания самолетов», Машиностроение, Москва, 1968, с. 16…19]. Центровка после взвешивания определяется по формуле двухопорной балки.

Недостаток данного способа заключается в том, что он не учитывает фактически реализуемый в полете порядок выработки топлива из баков, который может отличаться от заданного порядка выработки. Кроме того, при неполных баках положения центров масс топлива в баках зависят от угла наклона свободной поверхности топлива в баках.

Наиболее близким аналогом является способ определения координат центра масс самолета с использованием центровочных зависимостей для заданного программного порядка выработки топлива в баках [«Справочник авиационного инженера», Москва, Транспорт, 1973 г., стр. 67-71]. Центровочные зависимости - это зависимости координат центра масс самолета от суммарного остатка топлива, представляемые в графической или табличной форме. Такие зависимости получают расчетным путем и проверяют экспериментально в процессе так называемых «проливок», когда самолет устанавливают на весы и регистрируют показания весов в процессе слива топлива в соответствии с программным порядком выработки топлива в баках.

В качестве недостатков ближайшего аналога можно указать следующее:

- определяется зависимость координат центра тяжести самолета от суммарного остатка топлива, соответствующая заданному программному порядку выработки топлива в баках, которая может отличаться от фактически реализуемого распределения топлива по бакам;

- не учитывается зависимость положения центра тяжести от наклона поверхности топлива в баках, связанного с изменением вектора суммарной перегрузки, действующей на самолет в полете.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности вычисления координат центра масс самолета в любой момент времени полета.

Указанный технический результат достигается тем, что с помощью датчиков, установленных на самолете, измеряют в полете продольную и нормальную перегрузку самолета и датчиков, установленных в топливной системе, измеряют значения остатков топлива в каждом топливном баке самолета и, используя тарировочную зависимость координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла наклона свободной поверхности топлива в баках относительно СГФ, вычисляют значение координат центра масс самолета в любой момент времени полета.

Способ определения координат центра масс самолета заключается в следующем.

Для вычисления центра масс самолета учитывают дополнительное изменение координат центра масс, возникающее вследствие действия факторов, влияющих на положение центра масс самолета, для чего выполняют следующие измерения и вычисления, являющиеся исходными данными:

- в процессе выполнения заданных режимов полета измеряют:

- продольную n_х и нормальную n_у перегрузку,

- остатки топлива GtB_k в каждом топливном баке самолета;

- по значению отношения продольной и нормальной перегрузок вычисляют угол наклона свободной поверхности топлива в топливных баках самолета ϑ_Т=arctan{n_х/n_у) относительно СГФ;

- по вычисленным углам наклона свободной поверхности топлива и измеренным значениям остатков топлива в топливных баках, используя тарировочную зависимость координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла наклона свободной поверхности топлива в баках, а также при известных значениях массы самолета и координат центра масс самолета при нулевом остатке топлива (масса самолета без топлива), вычисляют значения координат Xt(t) и Yt(t) центра масс самолета в любой момент времени полета

где k - номер топливного бака, k изменяется от 1 до kВ;

kВ - количество баков;

XtB_k(t) - значения координаты X центра масс бака номер k, k изменяется от 1 до kВ;

YtB_k(t) - значения координаты Y центра масс бака номер k, k изменяется от 1 до kВ;

GtB_k(t) - значения остатков топлива в баках в момент времени t [кг];

XtB_Gt=0, YtB_Gt=0 - значения координат центра масс самолета при нулевом остатке топлива [м];

GtB_{сам_gt=0} - масса самолета при нулевом остатке топлива [кг] (масса пустого самолета).

Тарировочные зависимости координат центров масс топлива в баках от значений остатков топлива в баках и значений угла ϑ_T наклона свободной поверхности топлива в баках относительно СГФ (при горизонтальном полете с постоянной скоростью без крена или при стоянке на земле без крена угол наклона ϑ_Т соответствуют углу тангажа самолета), полученные расчетным путем или иным способом, определяются с использованием kВ зависимостей:

XtB_k=ƒ _ XtBk __ tarir{GtB_k, ϑ_T)

YtB_k=ƒ _ YtBk _ tarir{GtB_k, ϑ_T),

где k - номер топливного бака, k изменяется от 1 до kВ;

kВ - количество баков;

ϑ_T - угол наклона свободной поверхности топлива в баках относительно (СГФ), градусы;

GtB_k - значения остатков топлива в баке номер k [кг];

XtB_k, YtB_k - значения координаты центра масс бака номер k [м].

Угол наклона свободной поверхности топлива в баках при небольших значениях поперечной перегрузки n_z и при постоянных (медленно меняющихся) значениях отношения продольной и нормальной перегрузок, вычисляется по формуле:

ϑ_T=arctan(n_x/n_у).

Тарировочные зависимости координат центра масс топлива в баке от значений остатков топлива в баках и значений угла ϑ_T реализуются в виде функций и программируются, для вычисления массивов значений координат центров масс всех kВ баков на основе массива значений остатков топлива в баках и значения угла ϑ_T.

Точность вычисления значений координат центра масс самолета повышена за счет учета факторов, влияющих на положение центра масс самолета, для этого выполняются:

- измерение продольной n_х и нормальной n_у перегрузок и остатка топлива GtB_k в каждом топливном баке самолета в процессе выполнения режимов полета;

- вычисление угла наклона свободной поверхности топлива в топливных баках самолета ϑ_T=arctan(n_х/n_у) относительно СГФ по значению отношения продольной и нормальной перегрузок.