Praca+doktorska+Roman+Róziecki.pdf

(8824 KB) Pobierz
Praca doktorska Romana rózieckiego24-06-2007
Na prawach rękopisu
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNO-ENERGETYCZNY
BIFURKACYJNA ANALIZA DYNAMIKI LOTU SAMOLOTU
SUPERMANEWROWEGO Z WEKTOROWANIEM CI Ą GU
Roman RÓZIECKI
Słowa kluczowe: Dynamika lotu
„Wektorowanie ciągu”
Samoloty supermanewrowe
Teoria układów dynamicznych
Teoria Bifurkacji
Praca doktorska
Promotor: Prof. dr hab. inŜ. Krzysztof SIBILSKI
WROCŁAW 2006
S PIS TRE Ś CI
Spis waŜniejszych oznaczeń ................................................................................................
5
1. W STĘP ..............................................................................................................................
7
1.1. Definicja supermanewrowości ..................................................................................
7
1.2. „Wektorowanie ciągu” – metody i rozwiązania konstrukcyjne
...................................
8
1.3. Teza i cel pracy .........................................................................................................
10
2. M ODELOWANIE DYNAMIKI LOTU SAMOLOTU SUPERMANEWROWEGO ...............................
12
2.1. Zasady budowy modeli fizycznych i matematycznych samolotów ..........................
12
2.2. Model fizyczny samolotu ..........................................................................................
13
2.3. Układy odniesienia i ich transformacje .....................................................................
14
2.3.1. Zastosowane konwencje ...........................................................................................
14
2.3.2. Układy odniesienia stosowane do opisu lotu samolotu ............................................
15
2.3.3. Transformacje układów współrzędnych ...................................................................
16
2.3.4. Związki kinematyczne ..............................................................................................
20
2.3.5. Parametry Eulera – Rodriguesa ................................................................................
22
3. R ÓWNANIA RUCHU SAMOLOTU .........................................................................................
26
3.1. Siły i momenty sił zewnętrznych działających na samolot ......................................
26
3.2. Modelowanie niestacjonarnych obciąŜeń aerodynamicznych jako funkcji
zmiennych stanu ........................................................................................................
32
3.3 Równania ruchu samolotu .........................................................................................
38
4. M ODELOWANIE MODULARNE RUCHU SAMOLOTU ..............................................................
43
4.1. Wstęp ........................................................................................................................
43
4.2. Zasady modularnej metody symulacji ruchu samolotu ............................................
44
4.3 Zasady budowy logicznej sieci działań programu symulacji dynamiki lotu ............
46
4.4 Model matematyczny systemu człowiek – samolot ..................................................
47
4.4.1. Samolot .....................................................................................................................
47
4.4.2. Model pilota ..............................................................................................................
48
4.4.3. Model układów wykonawczych sterowania: odchyleniem, przechyleniem i
pochyleniem ..............................................................................................................
50
4.4.4. Napęd jako układ wykonawczy sterowania ..............................................................
50
4.5. Momenty pochodzące od silnika ..............................................................................
55
4.6. Samolot jako obiekt sterowania ................................................................................
56
4.7. Logiczna sieć działań programu symulacji ruchu samolotu .....................................
57
4.8. Weryfikacja modelu symulacyjnwgo samolotu F-16 ...............................................
59
5. Z ASTOSOWANIE T EORII U KŁADÓW D YNAMICZNYCH W BADANIACH DYNAMIKI LOTU
SAMOLOTÓW SUPERMANEWROWYCH ........................................................................
61
5.1. Supermanewrowość i metodyka badań transgresyjnych ..........................................
61
5.2. Podstawowe pojęcia stateczności ruchu ...................................................................
62
5.3. Linearyzacja równań ruchu względem małych zaburzeń lotu ustalonego ................
65
3
5.4. Globalna analiza stateczności połoŜeń równowagi samolotu ..................................... 68
5.4.1. Numeryczne metody teorii bifurkacji .......................................................................... 68
5.4.2. Metodyka badań bifurkacyjnych nieliniowych zagadnień dynamiki lotu ................... 71
5.4.3. Bifurkacyjna analiza granicznych stanów lotu ............................................................ 73
6. P RZYKLADY ZASTOSOWAŃ T EORII B IFURKACJI DO ANALIZY PROBLEMÓW NIELINIOWEJ
DYNAMIKI LOTU SAMOLOTÓW SUPERMANEWROWYCH ................................................. 80
6.1. Bifurkacyjna analiza oscylacji typu „wing rock” ........................................................ 80
6.2. Bifurkacyjna analiza manewru Kobra ......................................................................... 87
6.3. Bifurkacyjna analiza korkociągu ................................................................................. 101
7. P ODSUMOWANIE .................................................................................................................. 110
B IBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 114
Z AŁĄCZNIK 1
Podstawowe pojęcia teorii bifurkacji ..................................................................................... 123
Z AŁĄCZNIK 2
Schemat konstrukcyjny, dane geometryczne i masowe samolotu F-16 ................................. 139
Z AŁĄCZNIK 3
Współczynniki aerodynamiczne samolotu F-16 .................................................................... 141
Z AŁĄCZNIK 4
Kod źródłowy (w FORTRANIE) programów symulacyjnych dynamiki lotu
samolotu F-16 ......................................................................................................................... 144
4
S PIS WA ś NIEJSZYCH OZNACZE Ń
B
- Macierz bezwładności
b
- Rozpiętość samolotu
c A
- Średnia cięciwa aerodynamiczna
C x , C y , C z
- Współczynniki sił aerodynamicznych.
C l , C m , C n
Współczynniki momentów aerodynamicznych.
F a =[ P xa P ya P za ] T
- Wektor siły aerodynamicznej i jego składowe na osie samolotowego
układu współrzędnych
G
- Wektor siły cięŜkości
g
- Przyspieszenie ziemskie
H
- Wektor pędu
I
- Macierz jednostkowa
J X , J Y , J Z
- Momenty bezwładności
J XY , J XZ , J YZ
- Momenty dewiacji
K
- Wektor krętu
M a = [ L a M a N a ] T
- Wektor momentu aerodynamicznego i jego składowe na osie
samolotowego układu współrzędnych
m
- Masa samolotu
M= m I
- Macierz mas
P
- Macierz prędkości w równaniach ruchu
P, Q, R
- Prędkości kątowe przechylania, pochylania i odchylania
S
- Powierzchnia odniesienia
T 2,1
- Macierz transformacji (przekształcenia)
T
( )
s
- Macierz przekształcenia układu inercyjnego do związanego z
samolotem układu nieinercyjnego
T
w
( )
s
- Macierz przekształcenia wektora prędkości kątowej zapisanego w
nieinercyjnym układzie współrzędnych związanym z samolotem
W
=[ P Q R ] T do układu współrzędnych, którego osie wyznaczają
prędkości uogólnione , ,
ɺ (pochodne względem czasu kątów
ɺ ɺ
Bryanta)
T a (
a,b
)
- Macierz transformacji z układu aerodynamicznego laboratoryjnego
do układu samolotowego
T =[ X T Y T Z T ] T
- Wektor ciągu silnika
T
- Wartość ciągu silnika
t
- Czas
u
=
[
d d d
W
L
K
- Wektor sterowania
T
f f
T
Tx
Ty
V
=
[
U V W
]
T
- Wektor prędkości lotu
V 0
- Prędkość lotu
x, y, z
- Współrzędne w związanym ze statkiem powietrznym układzie
współrzędnych
x 1 , y 1 , z 1
- Współrzędne w związanym z Ziemią, inercyjnym układzie
współrzędnych
x g , y g , z g
- Współrzędne w grawitacyjnym układzie współrzędnych
x a , y a , z a
- Współrzędne w prędkościowym układzie współrzędnych
5
F Q Y
x
- Wektor stanu
X
- Wektor zawierający składowe prędkości liniowych i kątowych
a
- Kąt natarcia
a E , b E , g E
- Cosinusy kierunkowe wyznaczające przestrzenne połoŜenie osi
obrotu (definiujące parametry Eulera)
b
- Kąt ślizgu
L
- Wskaźnik naruszenia równania wiąŜącego parametry Eulera
m
- Wektor parametrów bifurkacyjnych (przyjęto, Ŝe mº u )
r
- Gęstość powietrza
F, Q, Y
- Kąty przechylenia, pochylenia i odchylenia (kąty Bryanta)
d d d
W
, ,
L
K
- Kąty wychylenia steru wysokości, lotek i steru kierunku
s
=
[
Y
Q
F
]
- Wektor kątów Bryanta
w
T
- Wektor prędkości kątowej wirujących mas silnika
=
[
P Q R
]
T
- Wektor prędkości kątowej kadłuba statku powietrznego
( )
i
- Pochodna względem czasu
Macierze, wektory - Czcionka wytłuszczona
6
T
Zgłoś jeśli naruszono regulamin