cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2018-21-4-73-83caht-1330Research ArticleАвиационная и ракетно-космическая техникаAviation, rocket and space technologyОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РУЛЕЙRESEARCH FEATURES OF AEROELASTIC OSCILLATIONS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES WITH ELECTRIC ACTUATOR OF RUDDERSБыковА. В.BykovA. V.

Быков Артем Владимирович, начальник отдела Государственного машиностроительного конструкторского бюро «Вымпел» им. И.И.Торопова.

Москва.

Artyom V. Bykov, Head of Department of State Machine Building Design Bureau "Vympel".

Moscow.

a.bikov@mail.ruПарафесьС. Г.ParafesS. G.

Парафесь Сергей Гаврилович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Проектирование и прочность авиационно-ракетных и космических изделий» .

Москва.

Sergei G. Parafes, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Design and Strength of Aviation, Rocket and Space Products Chair.

Moscow.

s.parafes@mail.ruСмысловВ. И.SmyslovV. I.

Смыслов Всеволод Игоревич, доктор технических наук, главный научный сотрудник. 

Москва.

Vsevolod I. Smyslov, Doctor of Technical Sciences, Chief Research Officer of Aeroelasticity Chair.

 Zhukovsky.

Государственное машиностроительное конструкторское бюро «Вымпел» им. И.И. Торопова.РоссияState Machine Building Design Bureau "Vympel".Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет).РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University).Russian FederationЦентральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского.РоссияCentral Aerohydrodynamic Institute.Russian Federation2018280820182147383Copyright © Быков А.В., Парафесь С.Г., Смыслов В.И., 20182018Быков А.В., Парафесь С.Г., Смыслов В.И.Bykov A.V., Parafes S.G., Smyslov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1330

Проектирование современного летательного аппарата (ЛА) связано с необходимостью решения многих научнотехнических задач. В их число входит предотвращение опасных автоколебаний в полете с учетом упругости конструкции. Эти задачи относятся к динамической аэроупругости, науке, в которой исследуется взаимодействие упругой конструкции (при ее колебаниях) с потоком воздуха. Рассматриваются маневренные беспилотные летательные аппараты (БЛА), которые принципиально не допускают применения без системы автоматического управления (САУ), поэтому ее наличие необходимо учитывать при исследовании колебаний упругой конструкции в полете. Влияние упругости конструкции БЛА на работу САУ в полете проявляется в возможности возникновения автоколебаний в контуре «упругий ЛА – САУ». Автоколебания приводят к нарушению нормальной работы бортовой аппаратуры или выходу ее из строя. Сложность данной задачи требует ее рассмотрения практически на всех этапах разработки БЛА, включая создание опытного образца и начало летных испытаний. Представлены расчетно-экспериментальные исследования характеристик упругих колебаний в полете БЛА крестообразной схемы. Особенностями исследуемых БЛА (варианты модульной конструкции, нелинейности корпуса, рулей, САУ и другие) обусловлен значительный объем испытаний, являющихся основанием для расчетов. Электроприводы рулей имеют малое время непрерывной работы и низкий ресурс, в них входят редукторы с большим передаточным отношением и люфтами. С этим связана зависимость жесткости рулей на вращение от амплитуды и частоты, а также существенное увеличение суммарных моментов инерции. Приведена методика стендового эксперимента с получением данных для оценки границ флаттера и границ устойчивости контура «упругий ЛА – САУ». Рассмотрены вопросы доработки контура стабилизации БЛА, необходимой для его устойчивости на частотах упругих колебаний, а также дана оценка предельных циклов автоколебаний.

Designing a modern flight vehicle is associated with the need to solve many scientific and technical problems. These tasks include the prevention of insecure self-oscillations in flight, taking into account the elasticity of the structure. These problems relate to dynamic aeroelasticity, a science that examines the interaction of an elastic structure (at its oscillation) with an air flow. Maneuverable unmanned aerial vehicles (UAVs) are considered. Since UAVs are essentially not used without an automatic control system (ACS), its presence must be taken into account when considering the vibrations of an elastic structure in flight. The influence of the elasticity of UAV design on the operation of ACS in flight is manifested in the possibility of self-oscillations in the loop "elastic UAV – ACS". Self-oscillations lead to disruption of normal operation of the onboard equipment or its failure. The complexity of the problem requires its consideration at almost all stages of UAV’s development, including the creation of a prototype and testing. The computational and experimental studies of the characteristics of elastic oscillations in the UAV flight of the cross-shaped scheme are considered. The features of these UAVs (options with a modular design, the nonlinearity of the airframe, rudders, ACS, and others) due to a significant amount of testing that is the basis for the calculations. Electric actuators have a small continuous operation time, and resource use, there are gearboxes with a large gear ratio and backlashes. This determines the dependence of the rotation rigidity of the rudders on the amplitude and frequency, as well as a significant increase in the total moments of inertia. The technique of bench experiment with obtaining data to assess the boundaries of the flutter and the boundaries of the stability of the loop "elastic UAV – ACS" is given. The questions of improvement of the stabilization system of UAV required for the study of its stability at frequencies of elastic oscillations are considered, as well as the evaluation of the limiting cycles of self-oscillations is given.

беспилотный летательный аппараткрестообразная схемарульприводаэроупругая устойчивостьфлаттерназемный экспериментавтоколебанияпредельный циклunmanned aerial vehicle (UAV)cross-shaped schemerudderactuatoraeroelastic stabilityflutterlaboratory experimentself-oscillationlimit cycleReferencesИшмуратов Ф.З., Карклэ П.Г., Поповский В.Н. Опыт и исследования ЦАГИ в области аэроупругости летательных аппаратов // Труды ЦАГИ. 1998. Вып. 2631. С. 103–113.Ishmuratov, F.Z., Karkle, P.G. and Popovski, V.N. (1998). Opyt i issledovaniya CAGI v oblasti aehrouprugosti letatel'nyh apparatov [Experience and research of TsAGI in the field of aeroelasticity of flight vehicles]. Trudy TsAGI [Proceedings TsAGI], issue 2631, pp. 103–113 (in Russian).Парафесь С.Г., Смыслов В.И. Методы и средства обеспечения аэроупругой устойчивости беспилотных летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2013. 176 с.Parafes', S.G. and Smyslov, V.I. (2013). Metodi i sredstva obespecheniya aerouprugoi ustoichivosti bespilotnih letatelnih apparatov [Methods and means of aeroelastic stability of unmanned aerial vehicles]. Moscow: Izd-vo MAI, 176 p. (in Russian)Алферов С.Ф. Опыт использования частотного метода в исследованиях аэросервоупругости / В.И. Довбищук, В.Н. Поповский, В.Н. Смирнов // Труды ЦАГИ. 2014. Вып. 2738. С. 225–244.Alferov, S.F., Dovbishchuk, V.I., Popovskij, V.N. and Smirnov, V.N. (2014). Opyt ispol'zovaniya chastotnogo metoda v issledovaniyah aehroservouprugosti [Experience of using the frequency method in studies of aeroservoelasticity]. Trudy TsAGI [Proceedings TsAGI], issue 2738, pp. 225–244. (in Russian)Danowsky B.P. A Complete Aeroservoelastic Model: Incorporation of OscillationReduction-Control into a High-Order CFD/FEM Fighter Aircraft Model / P.M. Thompson, C. Farhat, T. Lieu, C. Harris, J. Lechniak // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference 10–13 August 2009, Chicago, Illinois. AIAA 2009–5708. 14 p.Danowsky, B.P., Thompson, P.M., Farhat, C., Lieu, T., Harris, C. and Lechniak, J. (2009). A Complete Aeroservoelastic Model: Incorporation of Oscillation-Reduction-Control into a High-Order CFD/FEM Fighter Aircraft Model. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference 10–13 August 2009, Chicago, Illinois. AIAA 2009–5708, 14 p.Gold P., Karpel M. Reduced-Size Aeroservoelastic Modeling and Limit-CycleOscillation Simulations with Structurally non-Linear Actuators // Journal of Aircraft. 2008. Vol. 45, No. 2. pp. 471–477.Gold, P. and Karpel, M. (2008). Reduced-Size Aeroservoelastic Modeling and LimitCycleOscillation Simulations with Structurally non-Linear Actuators. Journal of Aircraft, vol. 45, no. 2, pp. 471–477.Hammerand D.C., Gariffo J.M., Roughen K.M. Efficient Creation of Aeroservoelastic Models Using Interpolated Aerodynamics Models // 52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. 4–7 April 2011, Denver, Colorado. AIAA 2011–1770. 25 p.Hammerand, D.C., Gariffo, J.M. and Roughen, K.M. (2011). Efficient Creation of Aeroservoelastic Models Using Interpolated Aerodynamics Models. 52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. 4–7 April 2011, Denver, Colorado. AIAA 2011–1770, 25 p.Karpel M. Procedures and Models for Aeroservoelastic Analysis and Design // Journal of Applied Mathematics and Mechanics (ZAMM). 2001. Vol. 81, No. 9. pp. 579–592.Karpel, M. (2001). Procedures and Models for Aeroservoelastic Analysis and Design. Journal of Applied Mathematics and Mechanics (ZAMM), vol. 81, no. 9, pp. 579–592.Lind R., Brenner M. Robust Aeroservoelastic Stability Analysis Flight Test Applications. London: Springer, 1999, 210 p.Lind, R. and Brenner, M. (1999). Robust Aeroservoelastic Stability Analysis Flight Test Applications. London: Springer, 210 p.Livne E. Future of Airplane Aeroelasticity // Journal of Aircraft. Vol. 40, No. 6. 2003. pp. 1086–1092.Livne, E. (2003). Future of Airplane Aeroelasticity. Journal of Aircraft, vol. 40, no. 6, pp. 1086–1092.Livne E. Integrated Aeroservoelastic Optimization: Status and Direction // Journal of Aircraft. 1999. Vol. 36, No. 1. pp. 122–145.Livne, E. (1999). Integrated Aeroservoelastic Optimization: Status and Direction. Journal of Aircraft, vol. 36, no. 1, pp. 122–145.Quackenbush T.R. Modeling Tools for Real Time Aeroservoelastic Simulation with Nonlinear Aerodynamics / J.D.,Jr. Keller, A.H. Boschitsch, G.R. Whitehouse, R.M.,Jr. McKillip // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference 10–13 August 2009, Chicago, Illinois. AIAA 2009–6142. 18 p.Quackenbush, T.R., Keller, J.D.,Jr., Boschitsch, A.H., Whitehouse, G.R. and McKillip, R.M.,Jr. (2009). Modeling Tools for Real Time Aeroservoelastic Simulation with Nonlinear Aerodynamics. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference 10–13 August 2009, Chicago, Illinois. AIAA 2009–6142, 18 p.Хейлен В., Ламменс С., Сас П. Модальный анализ: теория и испытания. М.: Новатест, 2010. 319 с. Перевод изд.: Heylen W., Lammens S., Sas P. Modal Analysis. Theory and Testing. KUL Press, Leuven, Belgium, 1997.Heylen, W., Lammens, S. and Sas, P. (1997). Modal Analysis. Theory and Testing. KUL Press, Leuven, Belgium.Ewins D.J. Modal testing: theory, practice and application. Baldock, England: Research Studies Press, 2000. 564 p.Ewins, D.J. (2000). Modal testing: theory, practice and application. Baldock, England: Research Studies Press, 564 p.Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. М.: Гос. изд-во техникотеоретической лит-ры, 1952. 272 с.Teodorchik, K.F. (1952). Avtokolebatel'nye sistemy [Self-oscillating systems]. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel'stvo tekhniko-teoreticheskoj literatury [State publishing house of technical and theoretical literature], 272 p. (in Russian)Bykov A.V., Smyslov V.I. Investigation of maneuverable missile flutter considering principal planes of oscillations. 149 Report IF-149. Presented at the International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, Seattle, United States, June 21–25, 2009. 9 p.Bykov, A.V. and Smyslov, V.I. (2009). Investigation of maneuverable missile flutter considering principal planes of oscillations. 149 Report IF-149. Presented at the International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, Seattle, United States, June 21–25, 9 p.Нарижный А.Г., Смыслов В.И., Сычев С.И. Исследование аэроупругой устойчивости летательного аппарата крестообразной схемы // Ученые записки ЦАГИ. 2013. Т. XLIV, № 6. С. 116–134.Narizhny, A.G., Smyslov, V.I. and Sychev, V.I. (2013). Aeroelastic stability research of a crossshaped flying vehicle. TsAGI Science Journal, vol. 44, iss. 6, pp. 885–909. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.