В настоящий момент идёт широкое развитие беспилотной авиации ведущими мировыми державами. Каждый разработчик опытного образца создаёт свою уникальную форму летательного аппарата в зависимости от тактико-технических требований. На борту беспилотного летательного аппарата управляемого автономно система управления решает задачу по поиску оптимального маршрута для движения к цели и выработки управляющего воздействия для достижения цели. Для выработки управляющего воздействия необходимо учитывать силы и моменты действующие на летательный аппарат. Полёт беспилотного летательного аппарата (БПЛА) проходит в плотных слоях атмосферы, поэтому важно учитывать аэродинамическую силу и момент создаваемый силой, действующие на летательный аппарат. В данной статье рассмотрен пример расчёта только полной аэродинамической силы БПЛА в системе модельно-ориентированного проектирования систем автоматического управления SimInTech. В качестве примера выберем перспективный многоцелевой БПЛА отечественного разработчика (рис. 1).
Экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что величина полной аэродинамической силы пропорциональна скоростному напору невозмущенного набегающего потока и характерной площади ЛА, в качестве которой, как правило, выбирают площадь миделева сечения:
где CR – коэффициент полной аэродинамической силы;
Sm - характерная площадь сечения ЛА (м2);
q= ρV2 /2 - скоростной напор набегающего потока (Па);
ρ - плотность атмосферы на текущей высоте полёта (кг/м3);
V - скорость полёта БПЛА в атмосфере (м/с).
В качестве исходных данных требуются:
а) табличные данные параметров атмосферы;
б) табличные данные аэродинамических коэффициентов;
в) данные полученные в процессе полёта (высота и скорость полёта).
Для проведения расчётов в системе модельно-ориентированного проектирования SimInTech необходимо создать новый проект со «схемой модели общего вида» (рис. 2).
В окне проекта необходимо добавить блок расчета аэродинамической силы. Для этого выберем в палитре блоков вкладку «Динамика ЛА», в открывшейся вкладке выберем блок «Аэродинамическая сила» и добавим его на рабочую область окна проекта (рис. 3).
Для функционирования блока «Аэродинамическая сила» на входе нам необходимо задать Sum_C и Q; где Sum_C это значения коэффициента полной аэродинамической силы, а Q это значения скоростного напора набегающего потока.
Табличные данные аэродинамических коэффициентов перспективного многоцелевого БПЛА при плоском полёте, полученные экспериментально при решении обратной задачи аэродинамики с использованием аэродинамической трубы, возьмём близкие к известным аналогам (требуют уточнения у разработчика) (табл. 1).
Рассмотрим плоский продольный полёт при угле атаки -60. Тогда из таблицы 1: Cx= -0.327, Cy=0.0165, Cz=0.
Проведём расчёт коэффициента полной аэродинамической силы:
После проведения расчёта и округления для удобства примем CR=0.3.
Зададим коэффициент в SimInTech с помощью добавления константы, выбрав на палитре блоков во вкладке «Источники» блок «Константа» и присоединим с помощью линии связи от выхода блока «Константа» ко входу Sum_C блока «Аэродинамическая сила» (рис. 4).
Для того чтобы выставить значение константы, необходимо открыть блок и в открывшемся окне в вкладке «свойства» установить соответствующее значение (рис. 5).
Характерная площадь сечения БПЛА возьмём близкую к известному аналогу и примем Sm=0.1. Для того чтобы задать эти данные для расчёта необходимо открыть «свойства объекта» блока «Аэродинамическая сила» и во открывшемся окне во вкладке «свойства» установить значение (рис. 6).
В практике аэродинамических расчетов используются параметры стандартной атмосферы, определённые ГОСТом 4401-81. В системе модельно-ориентированного проектирования SimInTech эти параметры заданы в блоке «Параметры стандартной атмосферы (ГОСТ 4401-81)» и в субмодели блока «Скоростной напор».
Для расчёта скоростного напора в SimInTech необходимо добавить блок расчета скоростного напора. Для этого выберем в палитре блоков вкладку «Динамика ЛА», в открывшейся вкладке выберем блок «Скоростной напор», добавим его на рабочую область окна проекта и присоединим линиями связи к входу Q блока «Аэродинамическая сила» (рис. 7).
Для расчёта блока «Скоростной напор» на входе нам необходимо задать скорость и высоту полёта. В качестве скорости выберем крейсерскую скорость V=80 км/ч и переведём единицы измерения в систему СИ для дальнейшего расчёта V=22 м/с. Полёт будем рассматривать на высоте полёта 2000м. Скорость и высоту полёта зададим константами (рис. 8). Для наглядности проводимых расчётов запишем название блоков.
Для отображение полученных данных в SimInTech необходимо в палитре блоков выбрать вкладку «Вывод данных», в открывшейся вкладке выбрать блок «Временной график» и добавить его на рабочую область окна проекта. Для проведения расчёта необходимо в окне проектов в меню «Управление проектом» активировать «Инициализация». После чего произойдет инициализация проекта и дальнейший запуск для проведения расчёта собранной схемы по определению полной аэродинамической силы (рис. 9).
На графике (рис. 9) видно значение 7.459. В SimInTech по умолчанию все задаваемые значения и проводимые расчёты осуществляются в системе СИ. Таким образом, полная аэродинамическая сила действующая на БПЛА на высоте 2км со скоростью полёта V=80 км/ч будет Ra=7.459 Н.
Заключение
Система модельно-ориентированного проектирования SimInTech позволяет рассчитывать полную аэродинамическую силу, действующую на БПЛА, зная высоту и скорость полёта БПЛА, угол атаки и данные аэродинамических коэффициентов для соответствующих условий полёта.
