RU2445599C1 - Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory - Google Patents

Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory Download PDF

Info

Publication number
RU2445599C1
RU2445599C1 RU2010149315/06A RU2010149315A RU2445599C1 RU 2445599 C1 RU2445599 C1 RU 2445599C1 RU 2010149315/06 A RU2010149315/06 A RU 2010149315/06A RU 2010149315 A RU2010149315 A RU 2010149315A RU 2445599 C1 RU2445599 C1 RU 2445599C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angle
moment
thrust
deviation
value
Prior art date
Application number
RU2010149315/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лаврентий Лаврентьевич Ловицкий (RU)
Лаврентий Лаврентьевич Ловицкий
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова"
Priority to RU2010149315/06A priority Critical patent/RU2445599C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2445599C1 publication Critical patent/RU2445599C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: in steady-state flight mode of flying laboratory (HFL), at which the sum of longitudinal aerodynamic moment and moment from engine traction force is equal to zero, pulse stepped deviation of altitude control through δpulse angle is set additionally, angles of deflections of altitude control and torque moments are measured in excited motion, and increment of aerodynamic moment, which is determined only with control deflection relative to its balancing value at pulse supply, is calculated. Then, as per measurement results obtained during flight tests, there calculated is derivative as per deviation angle of altitude control from aerodynamic moment coefficient; after supply of pulse there measured are current values of velocity pressure, deviation angle of altitude control and there determined is turning angle φ of thrust vector P"двт".
EFFECT: improving the accuracy of determining the turning angle of thrust vector owing to additional measurements of parameters during short-period movement of flying laboratory around centre of mass.
3 dwg

Description

Область техники.The field of technology.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к новому направлению в нем - гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД), прежде всего - к определению угла поворота вектора силы тяги двигателя с косым срезом сопла по результатам летных испытаний ГПВРД на гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ).The invention relates to aircraft engine building, and in particular to a new direction in it - hypersonic ramjet engines (SCJS), first of all, to determining the angle of rotation of the engine thrust force vector with oblique cut of the nozzle according to the results of scramjet flight tests at a hypersonic flying laboratory (HLL) .

Уровень техники.The level of technology.

Модуль и угол поворота вектора силы тяги ГПВРД с косым срезом сопла являются важнейшими тяговыми характеристиками двигателей и летно-техническими характеристиками ГЛЛ. Серьезным препятствием, ограничивающим возможности определения тяговых характеристик таких двигателей на наземных стендах, является зависимость этих характеристик от условий обтекания ГЛЛ в натурных условиях, а также особенности интеграции двигателя с планером ГЛЛ: вся нижняя поверхность планера от носка до входа в ГПВРД профилируется как воздухозаборник, а кормовая часть от выхода из камеры сгорания до донного среза планера является соплом одностороннего расширения. Разумеется, при установке двигателя на другой планер изменяются не только аэродинамические характеристики ГЛЛ, но и тяговые характеристики ГПВРД. Воспроизведение на стенде реальных условий полета при больших скоростных напорах и высоких температурах технически трудно реализуемо, требует больших экономических затрат и в настоящее время практически невозможно.The modulus and angle of rotation of the thrust force vector of the scramjet engine with an oblique cut of the nozzle are the most important traction characteristics of the engines and flight performance characteristics of the HLL. A serious obstacle limiting the possibility of determining the traction characteristics of such engines on ground stands is the dependence of these characteristics on the conditions of flow around the HLL in field conditions, as well as the features of engine integration with the HLL glider: the entire lower surface of the airframe from the nose to the entrance to the scramjet is shaped as an air intake, and the aft from the exit from the combustion chamber to the bottom cut of the airframe is a nozzle of unilateral expansion. Of course, when installing the engine on another glider, not only the aerodynamic characteristics of the HLL, but also the traction characteristics of the scramjet engine change. Reproduction of real flight conditions on a stand at high speed heads and high temperatures is technically difficult to implement, requires large economic costs and is currently almost impossible.

Существенное дополнение в методику определения вектора силы тяги двигателя с косым срезом сопла вносит изменение угла поворота вектора в процессе работы двигателя; величина угла отклонения может достигать 20÷25°. Задача летных испытаний - определить как можно точнее этот угол, в особенности при его малых значениях.A significant addition to the methodology for determining the thrust vector of an engine with an oblique nozzle cut introduces a change in the angle of rotation of the vector during engine operation; the deviation angle can reach 20 ÷ 25 °. The task of flight tests is to determine this angle as accurately as possible, especially at its low values.

В настоящее время проводятся исследования тяговых характеристик двигателей, обеспечивающих отклонение направления вектора силы тяги (И.А.Браилко, Ю.М.Клестов, С.Ю.Крашенинников, А.К.Миронов "Экспериментальное и расчетное исследование аэродинамики плоского поворотного сопла с резким изменением контура в горле". ЦИАМ им. П.И.Баранова, "Аэромеханика и газовая динамика ", №3). Проводятся исследования сопел, которые могли бы обеспечить поворот вектора силы тяги. Один из вариантов - геометрический поворот сопла, который задается системой управления и который может быть достаточно точно измерен. Для сопел с отклонением потока в сверхзвуковой части выявлена зависимость угла направления вектора силы тяги от величины перепада давления. При малых сверхзвуковых перепадах давления на сопле обнаружено существенное превышение эффективного угла направления силы тяги по сравнению с геометрическим углом поворота сверхзвуковых створок сопла. Из-за косого среза выходного сопла и взаимодействия выхлопной струи с внешним потоком, а также с нижней частью корпуса ГЛЛ, происходит отклонение струи на выходе из сопла и, соответственно, отклонение вектора силы тяги от оси oX1. До настоящего времени решению задачи определения величины этого угла, в том числе при проведении летных испытаний летательных аппаратов, не уделено должного внимания.Currently, studies are being conducted of the thrust characteristics of engines providing a deviation of the direction of the thrust force vector (I.A. Brailko, Yu.M. Klestov, S.Yu. Krasheninnikov, A.K. Mironov "Experimental and computational study of the aerodynamics of a flat rotary nozzle with a sharp a change in the contour in the throat. "TsIAM named after P.I. Baranov," Aeromechanics and Gas Dynamics ", No. 3). Nozzle studies are being conducted that could provide a rotation of the thrust force vector. One option is the geometric rotation of the nozzle, which is set by the control system and which can be accurately measured. For nozzles with flow deviation in the supersonic part, a dependence of the direction angle of the thrust force vector on the pressure drop is revealed. At small supersonic pressure drops on the nozzle, a significant excess of the effective angle of direction of the thrust force was found compared with the geometric angle of rotation of the supersonic nozzle flaps. Due to the oblique cut of the outlet nozzle and the interaction of the exhaust jet with the external flow, as well as with the lower part of the HLL housing, the jet deviates at the exit of the nozzle and, accordingly, the thrust force vector deviates from the axis oX 1 . To date, the solution to the problem of determining the magnitude of this angle, including during flight tests of aircraft, has not been given due attention.

Близким к указанному является результат, изложенный в патенте RU №2122963 от 10.12.1998 г. «Система управления двухдвигательного самолета посредством управления вектором тяги». В этой системе осуществляется координация сигналов на стабилизаторы в зависимости от механического поворота сопла левого и правого двигателя с целью обеспечения устойчивости в продольном и путевом каналах управления.Close to the specified is the result set forth in patent RU No. 2122963 dated 10.12.1998, "The control system of a twin-engine aircraft by controlling the thrust vector." In this system, the signals to the stabilizers are coordinated depending on the mechanical rotation of the nozzle of the left and right engine in order to ensure stability in the longitudinal and directional control channels.

Известен "Стенд для определения вектора тяги двигателя с кососрезанным соплом", патент С2 №2274764 от 20 апреля 2006 г. В предложенной методике модуль вектора силы тяги определяется по показаниям силоизмерителей в направлениях двух ортогональных осей. Направление вектора силы тяги определяется путем геометрических построений фактической схемы испытаний двигателя (наложением проекции двигателя на вычисленный вектор тяги).The well-known "Stand for determining the thrust vector of an engine with an oblique nozzle", patent C2 No. 2274764 dated April 20, 2006. In the proposed methodology, the thrust force vector module is determined by the readings of the force meters in the directions of two orthogonal axes. The direction of the thrust force vector is determined by geometric constructions of the actual engine test circuit (by superimposing the engine projection on the calculated thrust vector).

Существенным недостатком предложенной методики является то, что она может быть использована только при работе на стенде. Кроме того, угол поворота определяется путем сложных геометрических построений, что не позволит определить его с высокой точностью.A significant drawback of the proposed method is that it can only be used when working on the stand. In addition, the rotation angle is determined by complex geometric constructions, which will not allow to determine it with high accuracy.

Известен "Метод измерения тяги реактивного двигателя в реальном масштабе времени, патент EP №0342970. А2 от 19 мая 1988 г. В данном методе полная тяга двигателя определяется как разность общей силы, включающей подъемную силу самолета и силу аэродинамического сопротивления с учетом углов атаки и скольжения. Для определения этих составляющих в алгоритме расчетов используется большое количество измеряемых параметров, в том числе и перегрузок, измеряемых с помощью акселерометров.Known "The method of measuring the thrust of a jet engine in real time, patent EP No. 0342970. A2 of May 19, 1988. In this method, the total thrust of the engine is defined as the difference in total force, including the lifting force of the aircraft and the force of aerodynamic drag, taking into account angles of attack and slip To determine these components in the calculation algorithm, a large number of measured parameters are used, including overloads measured using accelerometers.

Существенным недостатком данного метода является большая погрешность, которая обусловлена измерением в полете большого количества параметров, в том числе термодинамических параметров смеси газа: температур, показателей изоэнтропы (k), газовой постоянной (R), с учетом реального состава газа. В этом методе ставится задача определения только модуля вектора силы тяги.A significant drawback of this method is the large error due to the measurement of a large number of parameters in flight, including the thermodynamic parameters of a gas mixture: temperatures, isentropic parameters (k), gas constant (R), taking into account the real gas composition. In this method, the task is to determine only the modulus of the thrust force vector.

Известен “Способ измерения тяги в полете гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) непилотируемой гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ)”, патент RU №2242736 от 20 декабря 2004 г.The well-known “Method of measuring traction in flight of a hypersonic ramjet engine (SCJP) of an unmanned hypersonic flying laboratory (HLL)”, patent RU No. 2242736 of December 20, 2004

В данном способе тяга двигателя определяется по приращению продольного ускорения (вдоль оси oX1), создаваемого за счет действия силы тяги в полете. Для определения тяги двигателя производится разделение сил аэродинамического сопротивления вдоль продольной оси ГЛЛ, земного тяготения и тяги двигателя. С этой целью производится выключение и включение подачи топлива в камеру сгорания в короткие рядом стоящие промежутки времени t1 и t2, которые не превышают 1 сек. Силу тяги двигателя определяют по формулеIn this method, the engine thrust is determined by the increment of longitudinal acceleration (along the axis oX 1 ) created due to the action of the thrust in flight. To determine engine thrust, aerodynamic drag forces are separated along the longitudinal axis of the GLL, Earth's gravity, and engine thrust. For this purpose, the fuel supply to the combustion chamber is turned off and on at short adjacent intervals of time t 1 and t 2 , which do not exceed 1 second. The engine traction force is determined by the formula

RДВ=mлл·ωR,R DW = m l · ω R ,

где mлл - масса ГЛЛ,where m LL - the mass of GLL,

ωR - ускорение ГЛЛ при действии силы тяги.ω R - GLL acceleration under the action of traction.

Ускорение ГЛЛ вычисляют по формулеGLL acceleration is calculated by the formula

ωR=(nxt1-nxt2)·g,ω R = (n xt1 -n xt2 ) g,

где nxt1 и nxt2 - значения продольных перегрузок в моменты времени t1 и t2,where n xt1 and n xt2 are the values of the longitudinal overloads at time t 1 and t 2 ,

g - ускорение свободного падения.g is the acceleration of gravity.

Существенным недостатком такой системы измерений с одним акселерометром является невозможность определения угла поворота вектора силы тяги.A significant drawback of such a measurement system with one accelerometer is the inability to determine the angle of rotation of the thrust force vector.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является “Способ определения вектора силы тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) с косым срезом сопла по результатам летных испытаний его на гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ)”; патент №2314503 от 18 июля 2004 г.The closest technical solution adopted for the prototype is “A method for determining the thrust vector of a hypersonic ramjet engine (SCJP) with an oblique nozzle cut according to the results of its flight tests at a hypersonic flying laboratory (HLL)”; Patent No. 2314503 of July 18, 2004.

Технический результат при использовании такого способа достигается за счет измерения перегрузки, создаваемой действием силы тяги двигателя в полете в строго определенном направлении, и внешнетраекторных измерений относительной скорости. При определенном повороте измерительной оси акселерометра исключается в его показаниях составляющая от действия суммарных аэродинамических сил и остается составляющая только от силы тяги.The technical result when using this method is achieved by measuring the overload created by the action of the engine traction force in flight in a strictly defined direction, and external trajectory measurements of relative speed. With a certain rotation of the measuring axis of the accelerometer, the component from the action of the total aerodynamic forces is excluded in its readings and only the component from the traction force remains.

При этом дается формула для вычисления угла поворота измерительной оси (оси чувствительности) в зависимости от аэродинамических характеристик ГЛЛ; используются заданные аэродинамические характеристики ГЛЛ, принятые за номинальные. Формула получается из условия равенства нулю проекции вектора полной аэродинамической силы, включающей в себя силу лобового сопротивления Q и подъемную силу Y.In this case, a formula is given for calculating the rotation angle of the measuring axis (sensitivity axis) depending on the aerodynamic characteristics of the GLL; The specified aerodynamic characteristics of the GLL, taken as nominal, are used. The formula is obtained from the condition that the projection of the vector of the total aerodynamic force, which includes the drag force Q and the lift force Y, is equal to zero.

Вычисления угла поворота вектора силы тяги при малых его значениях и при наличии больших погрешностей акселерометров показали, что невозможно добиться дальнейшего повышения точности определения угла поворота на основании указанных в прототипе средств измерений. Поэтому необходимо использование других характерных параметров, которые наиболее чувствительны к изменению угла поворота вектора силы тяги, и средств измерения этих параметров. Такими параметрами могут служить моменты вращения ГЛЛ относительно центра масс при повороте вектора силы тяги и углы отклонения рулей высоты для устранения этих моментов.Calculations of the angle of rotation of the thrust force vector at small values and in the presence of large errors of accelerometers showed that it is impossible to further improve the accuracy of determining the angle of rotation on the basis of the measuring instruments indicated in the prototype. Therefore, it is necessary to use other characteristic parameters that are most sensitive to changes in the angle of rotation of the thrust force vector, and means of measuring these parameters. These parameters can be the moments of GLL rotation relative to the center of mass during rotation of the traction force vector and the elevation deflection angles to eliminate these moments.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения угла поворота вектора силы тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с косым срезом сопла за счет привлечения дополнительных измерений параметров в короткопериодическом движении ГЛЛ вокруг центра масс.The technical result to which the invention is directed is to increase the accuracy of determining the angle of rotation of the thrust vector of a hypersonic ramjet with an oblique nozzle cut by attracting additional parameter measurements in a short-period GLL motion around the center of mass.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения вектора силы тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с косым срезом сопла по результатам летных испытаний его на гиперзвуковой летающей лаборатории, включающем операции измерения перегрузки на ГЛЛ от действия силы тяги двигателя при условии равенства нулю в показаниях акселерометра проекции вектора полной аэродинамической силы, вычисление модуля вектора силы тяги Р∂вt текущий момент времени, в установившемся режиме полета ГЛЛ, при котором сумма продольного аэродинамического момента и момента от силы тяги двигателя равна нулю, дополнительно задают импульсное ступенчатое отклонение руля высоты на угол δимп, величину которого выбирают на основании результатов предварительного математического моделирования из условия, чтобы разность Δα=α-α0 между текущим значением угла атаки α в режиме колебаний и значением его α0 в момент подачи импульса по модулю не превышала требуемое при проведении эксперимента значение

Figure 00000001
, измеряют в возмущенном движении углы отклонений рулей высоты и вращающие моменты, при таком испытании измеренные моменты будут определять отклонение только аэродинамического момента MZаэр. от балансировочного MZаэр.бал., который уравновешен моментом от тяги двигателя. Определяют отклонение момента как разность ΔMZаэр.=MZаэр.-MZаэр.бал., вносят коррекцию в значение ΔMZаэр. на величину
Figure 00000002
гдеThe specified technical result is achieved by the fact that in the method for determining the thrust vector of a hypersonic ramjet with oblique cut of the nozzle according to the results of its flight tests at a hypersonic flying laboratory, including the operation of measuring the overload on the HLL from the thrust of the engine, provided that it is equal to zero in the readings accelerometer projection of the full aerodynamic force vector, calculation of the module of the thrust force vector P ∂Вt current time, in the steady state flight mode of the HLL, at the torus the sum of the longitudinal aerodynamic moment and moment from the engine thrust force is zero, an additional impulse stepwise deviation of the elevator by an angle δ imp is set , the value of which is selected based on the results of preliminary mathematical modeling so that the difference Δα = α-α 0 between the current value of the angle attack α in the oscillation mode and its value α 0 at the time of the pulse in modulus did not exceed the value required during the experiment
Figure 00000001
, the angles of deviations of elevators and torques are measured in a perturbed motion, in such a test the measured moments will determine the deviation of only the aerodynamic moment M Zaer. from balancing M Z.air.bal. which is balanced by the moment from the engine thrust. The moment deviation is determined as the difference ΔM Zaer. = M Zaer. -M Zaer.bal. , make a correction in the value of ΔM Zaer. by the amount
Figure 00000002
Where

Figure 00000003
- производная по углу атаки от коэффициента аэродинамического момента. Определяют предварительно расчетным путем и по результатам наземных стендовых испытаний координаты l и h точки приложения вектора силы тяги на срезе сопла относительно центра масс ГЛЛ, далее вычисляют приращение аэродинамического момента, обусловленное только отклонением руля относительно его балансировочного значения при подаче импульса и равное разности:
Figure 00000003
- derivative of the angle of attack from the coefficient of aerodynamic moment. The l and h coordinates of the point of application of the thrust force vector at the nozzle exit relative to the center of mass of the HLL are determined preliminarily by calculation and according to the results of ground bench tests, then the aerodynamic moment increment is calculated, which is caused only by the deviation of the steering wheel relative to its balancing value when applying a pulse and equal to the difference:

ΔMZ≈ΔMZаэр.-ΔM, гдеΔM Z ≈ΔM Zaer. -ΔM , where

ΔMZаэр. измеренное значение аэродинамического момента в возмущенном движении.ΔM Zaer. measured value of the aerodynamic moment in disturbed motion.

Затем по результатам измерений, полученных в летных испытаниях, вычисляют производную по углу отклонения руля высоты от коэффициента аэродинамического момента по формуле

Figure 00000004
Then, according to the results of measurements obtained in flight tests, the derivative of the angle of deviation of the elevator from the coefficient of aerodynamic moment is calculated according to the formula
Figure 00000004

где Δδ=δ-δ0 - разность между измеренными значениями угла отклонения руля высоты δ в возмущенном движении и его балансировочным значением δ0, измеренным при подаче импульса,where Δδ = δ-δ 0 is the difference between the measured values of the angle of deviation of the elevator δ in the perturbed movement and its balancing value δ 0 measured when applying the pulse,

q - измеренное значение скоростного напора,q is the measured value of the pressure head,

s,b - характерная площадь и длина изделия.s, b - characteristic area and length of the product.

В установившемся режиме после подачи импульса измеряют текущие значения скоростного напора, угла отклонения руля высоты и находят угол поворота φ вектора силы тяги - Рдвt в результате решения тригонометрического уравнения:In the steady state, after applying the pulse, the current values of the pressure head, the elevator deflection angle are measured, and the rotation angle φ of the thrust force vector - Pt is found as a result of solving the trigonometric equation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Рдвt - значение модуля вектора силы тяги в текущий момент времени t,where R dt - the value of the modulus of the thrust force vector at the current time t,

которое определяется по показаниям акселерометров,which is determined by the readings of accelerometers,

δt, qt - текущие значения руля высоты и скоростного напора в установившемся состоянии после подачи импульса,δ t , q t - current elevator and velocity head in steady state after applying a pulse,

l и h - координаты точки приложения вектора силы тяги на срезе сопла.l and h are the coordinates of the point of application of the thrust force vector at the nozzle exit.

Таким образом достигается технический результат, на достижение которого направлено изобретение: повысить точность определения угла поворота вектора силы тяги ГПВРД с косым срезом сопла.Thus, a technical result is achieved, the invention is aimed at: increasing the accuracy of determining the angle of rotation of the thrust force vector of the scramjet engine with an oblique cut of the nozzle.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:

на фиг.1 показана схема распределения сил и моментов относительно центра масс ГЛЛ:figure 1 shows a diagram of the distribution of forces and moments relative to the center of mass of the GLL:

1 - ГЛЛ,1 - HLL,

2 - экспериментальный ГПВРД,2 - experimental scramjet,

3 - руль высоты,3 - elevator,

4 - срез сопла;4 - nozzle cut;

oX1Y1 - связанная система координат,oX 1 Y 1 - the associated coordinate system,

oXY - скоростная система координат, ось оХ повернута на угол атаки α относительно оси oX1, по осям оХ и oY направлены сила лобового сопротивления Q и подъемная сила Y, по оси оХ направлен вектор относительной скорости V;oXY - speed coordinate system, the oX axis is rotated by the angle of attack α relative to the oX axis 1 , the drag force Q and the lifting force Y are directed along the oX and oY axes, the relative velocity vector V is directed along the oX axis;

Рдв - тяга двигателя, приведенная к центру масс,R dv - engine thrust reduced to the center of mass,

Рр - реактивная сила тяги двигателя;R p - reactive engine thrust;

φ - угол поворота вектора силы тяги;φ is the angle of rotation of the thrust force vector;

Mаэр., Mдв - моменты вращения относительно центра масс от действия аэродинамических сил и силы тяги двигателя;M aer. , M dv - moments of rotation relative to the center of mass from the action of aerodynamic forces and engine thrust;

на фиг.2 показано распределение сил тяги двигателя на срезе сопла:figure 2 shows the distribution of thrust of the engine at the nozzle exit:

1 - тракт двигателя,1 - engine path,

2 - сопло двигателя,2 - engine nozzle,

P1/P2 - тяги двигателя на верхнем внутреннем и внешнем срезах сопла;P 1 / P 2 - thrust of the engine on the upper inner and outer sections of the nozzle;

РB - суммарная тяга двигателя на верхнем срезе сопла (геометрическая сумма векторов сил P1 и Р2,);P B - the total thrust of the engine on the upper cut of the nozzle (geometric sum of the force vectors P 1 and P 2 ,);

PH - тяга двигателя на нижнем срезе сопла,P H - thrust of the engine at the bottom of the nozzle,

PC - суммарная тяга двигателя на срезе сопла (геометрическая сумма векторов сил РB и РH в точке их пересечения),P C is the total thrust of the engine at the nozzle exit (geometric sum of the force vectors P B and P H at the point of intersection),

Рр - реактивная сила тяги;R p - reactive thrust;

Рдв - суммарная тяга двигателя, приведенная к срезу сопла (геометрическая сумма векторов сил РР и РС);P DW - the total thrust of the engine, reduced to the nozzle exit (geometric sum of the force vectors P P and P C );

на фиг.3 представлены в качестве примера результаты математического моделирования; показано изменение по времени параметров и характеристик в короткопериодическом движении ГЛЛ вокруг центра масс; задано ступенчатое отклонение руля высоты на угол Δδ=5° при t=60 сек, отклонение вектора силы тяги - на угол φ=5°.figure 3 presents as an example the results of mathematical modeling; the time variation of the parameters and characteristics in a short-period GLL motion around the center of mass is shown; the stepwise deviation of the elevator by an angle Δδ = 5 ° at t = 60 sec is set, the deviation of the traction force vector by an angle of φ = 5 °.

Мzаэр. и Мzдв. (Mzar и Mzdv) - моменты от аэродинамических сил и от силы тяги двигателя,M zaer. and M zdv. (Mzar and Mzdv) - moments from aerodynamic forces and from engine traction,

ΔMz, (dMz) - сумма этих моментов,ΔM z , (dMz) is the sum of these moments,

Figure 00000006
- частная производная коэффициента момента тангажа (заданная - mzdl, вычисленная по результатам измерений (результаты математического моделирования - mzdlu),
Figure 00000006
is the partial derivative of the pitch moment coefficient (given is mzdl calculated from the measurement results (mathematical modeling results are mzdlu),

δ (delgr, в градусах) - угол отклонения руля высоты относительно балансировочного значения,δ (delgr, in degrees) is the angle of deviation of the elevator relative to the balancing value,

α (adgr) - угол атаки,α (adgr) - angle of attack,

φ (firgr) - угол отклонения вектора силы тяги.φ (firgr) is the angle of deviation of the thrust force vector.

Предлагаемый способ определения вектора силы тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) (2) с косым срезом сопла по результатам летных испытаний его на гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) (1) осуществляют в следующей последовательности:The proposed method for determining the thrust vector of a hypersonic ramjet engine (SCJP) (2) with an oblique cut of the nozzle according to the results of flight tests at a hypersonic flying laboratory (HLL) (1) is carried out in the following sequence:

устанавливают по осям вращения рулей высоты датчики моментов и углов отклонения рулей;set on the axes of rotation of the rudders of height sensors of moments and angles of deviation of the rudders;

устанавливают датчики давления (скоростного напора);install pressure sensors (pressure head);

замеряют по осям oX1 и oY1 координаты l и h от центра масс ГЛЛ до расчетной точки приложения силы тяги на срезе сопла;along the oX 1 and oY 1 axes, the l and h coordinates are measured from the center of mass of the GLL to the calculated point of application of the thrust force at the nozzle exit;

по результатам моделирования выбирают ориентировочно время подачи импульсного ступенчатого возмущения на руль высоты;according to the simulation results, approximately the time for applying the stepwise disturbance to the elevator is selected;

в процессе полета задают импульсное ступенчатое возмущение на руль высоты;during the flight, a stepwise disturbance is set on the elevator;

замеряют величины моментов, углов отклонений рулей высоты, скоростного напора;measure the values of moments, angles of deviation of the elevators, pressure head;

вносят коррекцию с учетом заданной частной производной

Figure 00000007
в измеренное значение аэродинамического момента при отклонении угла атаки от заданного номинального;make a correction based on a given partial derivative
Figure 00000007
to the measured value of the aerodynamic moment when the angle of attack deviates from the specified nominal;

вычисляют значение частной производной

Figure 00000008
;calculate the value of the partial derivative
Figure 00000008
;

вычисляют значение угла поворота вектора силы тяги двигателя в результате решения тригонометрического уравнения:calculate the value of the angle of rotation of the thrust vector of the engine as a result of solving the trigonometric equation:

Figure 00000009
Figure 00000009

Результаты вычислений угла представлены на фиг.3.The results of calculating the angle are presented in figure 3.

Принцип разделения в показаниях акселерометров проекций перегрузки от аэродинамических сил и силы тяги двигателя и средства измерения (акселерометры и внешнетраекторные измерения), используемые в представленном в прототипе способе определения угла поворота, не позволяют добиться дальнейшего существенного повышения точности определения угла поворота вектора силы тяги. Поэтому ставится задача использования других измеряемых параметров, которые более чувствительны к изменению угла поворота вектора силы тяги. Такими параметрами могут быть моменты вращения вокруг центра масс летательного аппарата и соответствующие им углы отклонения рулей высоты.The principle of separation in the readings of accelerometer projections of the overload from aerodynamic forces and engine traction and measuring instruments (accelerometers and external trajectory measurements) used in the method for determining the angle of rotation presented in the prototype does not allow to achieve a further significant increase in the accuracy of determining the angle of rotation of the vector of thrust force. Therefore, the task is to use other measured parameters that are more sensitive to changes in the angle of rotation of the thrust force vector. These parameters can be the moments of rotation around the center of mass of the aircraft and the corresponding angles of deviation of the elevators.

Динамика пространственного движения ЛА определяется двумя основными законами: изменениями количества движения и момента количества движения. Первый из них характеризует длиннопериодическое движение центра масс под действием равнодействующей, проходящей через центр масс ЛА, всех внешних сил, второй - короткопериодическое вращательное движение вокруг центра масс под действием главного момента относительно центра масс всех внешних сил.The dynamics of the spatial motion of an aircraft is determined by two basic laws: changes in the momentum and moment of momentum. The first of them characterizes the long-period motion of the center of mass under the action of the resultant, passing through the center of mass of the aircraft, of all external forces, the second - the short-period rotational motion around the center of mass under the action of the main moment relative to the center of mass of all external forces.

Пространственная система сил, главный вектор которой не равен нулю и не перпендикулярен к главному моменту, может быть приведена к динаме - совокупности силы и пары, плоскость которой перпендикулярна к линии действия силы. Вектор силы можно переносить вдоль линии действия силы. Рассматриваются силы в продольной плоскости. Центр приведения целесообразно выбрать в центре масс ЛА, в соответствии с принятым распределением сил: аэродинамические силы можно привести к одной результирующей - полной аэродинамической силе, и результирующему моменту - полному аэродинамическому моменту, действующему относительно центра масс ЛА. При повороте вектора силы тяги система сил может быть приведена к этой же указанной системе. Дополнительно возникающий момент при отклонении вектора силы на угол φ должен быть скомпенсирован аэродинамическим моментом за счет отклонения руля высоты для выполнения условия балансировки на заданном угле атаки: Мдваэр.The spatial system of forces, the main vector of which is not equal to zero and not perpendicular to the main moment, can be reduced to dynamo - the totality of the force and pair, the plane of which is perpendicular to the line of action of the force. The force vector can be carried along the line of action of the force. The forces in the longitudinal plane are considered. It is advisable to choose the reduction center in the center of mass of the aircraft, in accordance with the accepted distribution of forces: aerodynamic forces can be reduced to one resultant - total aerodynamic force, and the resulting moment - the total aerodynamic moment acting relative to the center of mass of the aircraft. When the traction force vector is rotated, the system of forces can be reduced to the same indicated system. Additionally, the moment arising when the force vector is deflected by an angle φ must be compensated by the aerodynamic moment due to the deviation of the elevator in order to fulfill the balancing condition at a given angle of attack: M dw = M aer .

Указанная система сил и моментов положена в основу алгоритма определения угла поворота вектора силы тяги ГПВРД, см. фиг.1.The specified system of forces and moments is the basis of the algorithm for determining the angle of rotation of the thrust force vector scramjet, see figure 1.

Основная суть проблемы состоит в том, что при этом необходимо найти способ разделения в показаниях датчика момента составляющих, зависящих от аэродинамических сил и от поворота силы тяги двигателя.The main essence of the problem lies in the fact that it is necessary to find a way to separate the components in the sensor’s readings, depending on the aerodynamic forces and on the rotation of the engine’s traction force.

Этот результат достигается за счет, прежде всего, того, что в установившемся режиме полета ГЛЛ сумма продольного аэродинамического момента и момента от силы тяги двигателя равна нулю. При отклонении руля высоты от этого равновесного балансировочного значения возникает момент, который при таком испытании будет содержать только аэродинамическую составляющую момента. По измеренным значениям момента и углам отклонения рулей можно вычислить коэффициент аэродинамического момента и далее - полный аэродинамический момент, который в установившемся режиме был уравновешен моментом от двигателя.This result is achieved, first of all, due to the fact that in the steady state flight mode of the HLL the sum of the longitudinal aerodynamic moment and the moment of the engine thrust is zero. When the elevator deviates from this equilibrium balancing value, a moment arises which in such a test will contain only the aerodynamic component of the moment. From the measured values of the moment and the angle of deviation of the rudders, you can calculate the aerodynamic moment coefficient and then the total aerodynamic moment, which in steady state was balanced by the moment from the engine.

Как видно из фиг.1, в случае выбора точки приведения сил в центре масс при отсутствии поворота вектора силы тяги создается момент (на фиг.1 - кабрирующий), который уравновешивается аэродинамическим моментом при номинальном балансировочном значении руля высоты. При отклонении вектора силы тяги вверх от нулевого положения будет создаваться пикирующий момент.As can be seen from figure 1, in the case of selecting the point of supply of forces in the center of mass in the absence of rotation of the vector of traction force, a moment is created (in Fig. 1, it is converging), which is balanced by the aerodynamic moment at the nominal balancing value of the elevator. If the thrust force vector deviates up from the zero position, a diving moment will be created.

Система уравнений углового движения имеет вид:The system of equations of angular motion has the form:

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
,где
Figure 00000011
,Where

Figure 00000012
- момент от аэродинамических сил;
Figure 00000012
- moment from aerodynamic forces;

Figure 00000013
- приведенный момент от аэродинамических сил;
Figure 00000013
- reduced moment from aerodynamic forces;

Figure 00000014
- приведенный момент от силы тяги двигателя;
Figure 00000014
- reduced moment of engine traction;

ωx, ωy, ωz - угловые скорости вращения ГЛЛ относительно связанных осей;ω x , ω y , ω z - the angular velocity of the GLL rotation relative to the associated axes;

Ix, Iy, Iz - моменты инерции ГЛЛ относительно связанных осей;I x , I y , I z - moments of inertia of the GRL relative to the associated axes;

υ - угол тангажа;υ is the pitch angle;

Figure 00000015
- производные коэффициента аэродинамического момента соответственно по углу атаки, углу отклонения руля и по угловой скорости;
Figure 00000015
- derivatives of the aerodynamic moment coefficient, respectively, with respect to the angle of attack, steering angle and angular velocity;

принято b=4.39 м2, Iz=1400 кг м2.taken b = 4.39 m 2 , I z = 1400 kg m 2 .

Уравнение момента от аэродинамических сил может быть представлено в виде:The equation of moment from aerodynamic forces can be represented as:

Figure 00000016
где
Figure 00000016
Where

αδ - балансировочное значение угла атаки.α δ - balancing angle of attack.

Из этой формулы следует, что в установившемся режиме при α=αδ приращение аэродинамического момента будет соответствовать такому отклонению руля относительно балансировочного значения, которое уравновесит момент от силы тяги двигателя, обусловленный поворотом вектора силы тяги относительно расчетного номинального значения. В величине момента от тяги двигателя рассматривается составляющая момента, обусловленная поворотом вектора силы тяги, и составляющая момента ΔMzдв.=-Pдв.h, равная величине кабрирующего момента при отсутствии поворота вектора силы тяги. Направление при отсутствии поворота вектора принимается за номинальное расчетное. Оно может не совпадать с продольной осью двигателя и будет зависеть от распределения сил на срезе сопла. В общем случае все силы могут быть приведены к динаме в центре масс ГЛЛ. Схема распределения сил на косом срезе сопла показана на фиг.2.From this formula it follows that in the steady state with α = α δ the increment of the aerodynamic moment will correspond to such a deviation of the steering wheel with respect to the balancing value, which will balance the moment from the engine traction force due to the rotation of the traction force vector relative to the calculated nominal value. In the magnitude of the moment from the engine thrust, the moment component is considered, due to the rotation of the thrust force vector, and the moment component ΔM zdv. = -P dv. h, equal to the magnitude of the converting moment in the absence of rotation of the thrust force vector. The direction in the absence of rotation of the vector is taken as the nominal design. It may not coincide with the longitudinal axis of the engine and will depend on the distribution of forces at the nozzle exit. In the general case, all forces can be reduced to a dynamo in the center of mass of the GLL. The distribution of forces on the oblique section of the nozzle is shown in figure 2.

На этом рисунке показаны расчетные значения сил при числе М=7 и угле атаки α=4° для одного из вариантов тяговых характеристик;This figure shows the calculated values of the forces with the number M = 7 and the angle of attack α = 4 ° for one of the traction characteristics;

здесь РН и РВ - суммарные силы на нижней и верхней поверхностях сопла,here R N and R In - the total forces on the lower and upper surfaces of the nozzle,

РР - реактивная сила.P R - reactive force.

В результате геометрического сложения указанных сил PН и PВ получим суммарное значение силы на срезе сопла - РС, и суммарное значение силы тяги Pдв. - в результате сложения сил РС и РР. Вдоль линии действия суммарная сила тяги приведена к срезу сопла. Через полученную точку в направлении, параллельном оси ox1, проходит вектор силы тяги при нулевом угле поворота. Составляющая момента ΔМzдв.=-Рдв.h, обусловленная расположением двигателя с косым срезом сопла под фюзеляжем, ниже строительной оси ox1, при отсутствии поворота вектора силы тяги уравновешивается аэродинамическим моментом

Figure 00000017
при расчетном балансировочном положении руля высоты, т.е. при отсутствии поворота вектора силы тяги сумма момента аэродинамических сил и указанного кабрирующего момента от силы тяги двигателя будет равна нулю. В установившемся режиме дополнительное отклонение руля высоты от указанного балансировочного значения будет зависеть практически только от угла поворота вектора силы тяги.As a result of geometrical addition of the indicated forces P Н and P В, we obtain the total value of the force at the nozzle exit - Р С , and the total value of the thrust force P dv. - adding the result of forces F C and F R. Along the line of action, the total thrust is reduced to the nozzle exit. Through the obtained point in the direction parallel to the axis ox 1 passes the traction force vector at zero rotation angle. Component of the moment ΔM zdv. = -P dv. h, due to the location of the engine with an oblique cut of the nozzle under the fuselage, below the axle ox 1 , in the absence of rotation of the thrust force vector is balanced by the aerodynamic moment
Figure 00000017
with the calculated balancing position of the elevator, i.e. in the absence of a rotation of the thrust force vector, the sum of the moment of aerodynamic forces and the indicated convertible moment of the thrust of the engine will be zero. In the steady state, the additional deviation of the elevator from the specified balancing value will depend almost exclusively on the angle of rotation of the thrust force vector.

В соответствии с фиг.1 и принятыми условиями, формула для вычисления момента Мzдв., создаваемого силой тяги двигателя на плече l относительно центра масс, имеет вид:In accordance with figure 1 and the accepted conditions, the formula for calculating the moment M zdv. created by the thrust of the engine on the shoulder l relative to the center of mass, has the form:

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Для одной из рассмотренных компоновок ГЛЛ получено: l=1.561 м, h=0.24 м. При повороте вектора силы тяги равновесие моментов в условиях балансировки будет выполняться уже при другом значении руля высоты. Отличие этого значения от балансировочного будет характеризовать поворот вектора силы тяги. Так как при малых углах поворота изменение проекции на ось ox1 незначительно, то момент силы будет зависеть главным образом от величины проекции силы на ось оy1.For one of the considered HLL assemblies, it was obtained: l = 1.561 m, h = 0.24 m. When the thrust force vector is rotated, the moment equilibrium under balancing conditions will be satisfied even with a different elevator. The difference between this value and the balancing one will characterize the rotation of the thrust force vector. Since at small angles of rotation the change in projection onto the axis ox 1 is insignificant, the moment of force will depend mainly on the magnitude of the projection of force onto the axis o 1 .

Указанная форма записи уравнений моментов позволяет проводить вычисление аэродинамического момента Мzаэр. при отклонении руля высоты относительно нулевого значения. Таким образом решается задача определения угла поворота вектора силы тяги в линейном приближении. Относительно указанной исходной схемы рассматриваются далее моменты при повороте вектора силы тяги. Такой подход к решению задачи правомерен и позволяет упростить ее решение, прежде всего при малых углах φ.The specified form of writing equations of moments allows us to calculate the aerodynamic moment M zaer. when the elevator deviates from zero. Thus, the problem of determining the angle of rotation of the thrust force vector in a linear approximation is solved. Relative to the indicated initial scheme, the moments below are considered when the thrust force vector is rotated. This approach to solving the problem is legitimate and allows us to simplify its solution, primarily at small angles φ.

Возможность повышения точности определения углов поворота в малом диапазоне значений позволит скомпенсировать недостатки алгоритма, изложенного в прототипе. Предполагается, что модуль вектора силы тяги определяется по показаниям акселерометра в текущий момент времени во всем диапазоне возможных значений угла φ.The ability to improve the accuracy of determining rotation angles in a small range of values will compensate for the shortcomings of the algorithm described in the prototype. It is assumed that the module of the thrust force vector is determined by the readings of the accelerometer at the current time in the entire range of possible values of the angle φ.

В дополнение к сказанному, при составлении алгоритма определения угла поворота φ принимаются во внимание большой скоростной напор, соотношения между коэффициентами аэродинамических моментов и требования к работе системы стабилизации углов атаки и скольжения: обеспечить полет практически при постоянных углах атаки и скольжения, т.е. при малых значениях угловых скоростей ωx, ωy, ωz. In addition to the above, when compiling the algorithm for determining the angle of rotation φ, a large velocity head, relations between the coefficients of aerodynamic moments and the requirements for the stabilization of the angle of attack and slip are taken into account: to ensure flight at almost constant angles of attack and slip, i.e. at small angular velocities ω x , ω y , ω z.

При больших скоростных напорах q и малых значениях угловых скоростей ωx, ωy, ωz можно пренебречь произведением ωx·ωy и, следовательно, моментом от инерционных сил. Кроме того, принято

Figure 00000020
Тогда второе из уравнений (3) можно представить в виде:At high pressure heads q and small angular velocities ω x , ω y , ω z, we can neglect the product ω x · ω y and, therefore, the moment of inertial forces. Also accepted
Figure 00000020
Then the second of equations (3) can be represented as:

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
.
Figure 00000022
.

На фиг.3 показаны изменения параметров и характеристик в короткопериодическом движении ГЛЛ вокруг центра масс; задано ступенчатое отклонение руля высоты на угол Δδ=5° при t=60 сек; отклонение вектора силы тяги - на угол φ=5°. При этом сохраняется режим непрерывной стабилизации угла атаки. Такой режим полета с незначительным возмущением практически не нарушает требуемые условия сохранения значений угла атаки и скоростного напора, т.е. требуемых условий на входе в воздухозаборник. В то же время он позволяет получить дополнительную информацию о влиянии высокочастотных колебаний угла атаки на величину силы тяги. Такая информация может быть получена на основании показаний акселерометров при определенной ориентации измерительных осей; обоснование такой возможности было дано в прототипе.Figure 3 shows the changes in parameters and characteristics in a short-period GLL motion around the center of mass; a stepped deviation of the elevator by an angle Δδ = 5 ° at t = 60 sec; deviation of the thrust force vector by an angle φ = 5 °. At the same time, the mode of continuous stabilization of the angle of attack is maintained. Such a flight regime with a slight disturbance practically does not violate the required conditions for maintaining the values of the angle of attack and the pressure head, i.e. required conditions at the inlet to the air intake. At the same time, it provides additional information on the effect of high-frequency oscillations of the angle of attack on the magnitude of the traction force. Such information can be obtained based on the readings of accelerometers at a certain orientation of the measuring axes; the rationale for this possibility was given in the prototype.

Как видно из фиг.3, при номинальных условиях в установившемся режиме при t>72 сек. вычисленное значение угла φ≈5°(4.85°…5.15°), т.е. близкое к заданному на значительном интервале времени (Δt≈20 сек).As can be seen from figure 3, under nominal conditions in steady state at t> 72 sec. the calculated value of the angle φ≈5 ° (4.85 ° ... 5.15 °), i.e. close to the specified over a significant time interval (Δt≈20 sec).

При непрерывном измерении моментов и углов отклонений рулей вычисленное значение

Figure 00000023
может быть использовано при послеполетной обработке в широком промежутке времени как до подачи импульса, так и в установившемся режиме после возмущения. Это позволит определять угол поворота вектора силы тяги на достаточно продолжительном интервале времени.With continuous measurement of rudder torques and angles, the calculated value
Figure 00000023
It can be used in post-flight processing over a wide period of time both before the pulse is applied and in the steady state after perturbation. This will make it possible to determine the angle of rotation of the thrust force vector over a sufficiently long time interval.

Для решения задачи в более широком временном диапазоне также может быть использован дополнительно колебательный режим на начальном участке с момента включения двигателя. Поэтому целесообразно осуществлять запуск ГПВРД с запаздыванием в несколько сек после отделения от ускорителя, с момента установления требуемого балансировочного угла атаки. Аналогично, после окончания работы двигателя, поддерживать стабилизацию заданных значений скоростного напора и угла атаки.To solve the problem in a wider time range, an additional oscillatory mode in the initial section from the moment the engine is turned on can also be used. Therefore, it is advisable to start the scramjet with a delay of several seconds after separation from the accelerator, from the moment the required balancing angle of attack is established. Similarly, after the engine is finished, maintain stabilization of the set values of the pressure head and angle of attack.

Как видно из фиг.3, в установившемся режиме ΔMz≈0. В переходном процессе при постоянном значении силы тяги получим ΔMz≈ΔMzаэр.; отклонения угла атаки от номинального по модулю не превышают 0.3°. При малых отклонениях угла атаки от номинального значения приращение момента можно представить в виде:As can be seen from figure 3, in the steady state ΔM z ≈ 0. In the transition process with a constant value of the traction force, we obtain ΔM z ≈ΔM zaer. ; deviations of the angle of attack from the nominal modulo do not exceed 0.3 °. With small deviations of the angle of attack from the nominal value, the increment of the moment can be represented as:

Figure 00000024
, где
Figure 00000024
where

Δδ=δtto - разность между текущим значением руля и значением его перед подачей импульса.Δδ = δ tto is the difference between the current value of the rudder and its value before applying a pulse.

Момент может быть достаточно точно измерен с помощью датчика момента (в частности, ДМ-18, ДМ-20, ВТ-191); погрешность измерений моментов ≈1%.The moment can be measured quite accurately using a torque sensor (in particular, DM-18, DM-20, VT-191); measurement error of moments ≈1%.

При необходимости, в случае больших колебаний, можно внести коррекцию на величину момента

Figure 00000025
, используя расчетные значения моментных характеристик и измеренные значения скоростного напора, угла атаки и угловой скорости. При ωz≈0 правомерно ранее указанное принятое условие
Figure 00000026
=0 и можно пренебречь составляющей момента демпфирования, в сравнении со статической составляющей от поворота руля высоты и отклонения угла атаки от расчетного балансировочного.If necessary, in case of large fluctuations, you can make a correction for the moment
Figure 00000025
using calculated values of moment characteristics and measured values of pressure head, angle of attack and angular velocity. When ω z ≈ 0, the previously accepted accepted condition is valid
Figure 00000026
= 0 and we can neglect the component of the damping moment, in comparison with the static component from the rotation of the elevator and the deviation of the angle of attack from the calculated balancing one.

В итоге, получим равновесие моментов - аэродинамического, только от величины угла отклонения руля относительно балансировочного значения, и от силы тяги двигателя при повороте вектора силы на угол φ. С целью повышения точности вычислений при обработке результатов измерений следует принимать для расчетов значения измеряемых параметров в моменты максимальных отклонений руля в режиме колебаний после подачи возмущений.As a result, we obtain the balance of moments - aerodynamic, only from the magnitude of the angle of deviation of the steering wheel relative to the balancing value, and from the traction force of the engine when the force vector is rotated through an angle φ. In order to increase the accuracy of calculations when processing the measurement results, it is necessary to take for calculation the values of the measured parameters at the moments of maximum deviations of the rudder in the oscillation mode after disturbances.

Следовательно, по измеренным в летном эксперименте величинам ΔMz, δ, q можно вычислить частную производную коэффициента продольного момента по углу отклонения руля высоты следующим образом:Therefore, using the values ΔM z , δ, q measured in a flight experiment, we can calculate the partial derivative of the longitudinal moment coefficient with respect to the elevator deflection angle as follows:

Figure 00000027
Figure 00000027

Отметим, что здесь величина Δδ - отклонение руля высоты относительно балансировочного значения, измеренного в момент подачи импульса. Тогда в установившемся режиме приращение момента за счет отклонения вектора силы тяги должно быть уравновешено приращением аэродинамического момента, который может быть вычислен с использованием указанной формулы. При условии медленного изменения производной

Figure 00000028
на достаточно продолжительном участке полета можно принять
Figure 00000029
≈const и использовать полученные соотношения на всем этом участке полета.Note that here the quantity Δδ is the deviation of the elevator relative to the balancing value measured at the time of the pulse. Then, in the steady state, the increment of the moment due to the deviation of the thrust force vector must be balanced by the increment of the aerodynamic moment, which can be calculated using this formula. Subject to a slow change in the derivative
Figure 00000028
on a sufficiently long flight section, you can take
Figure 00000029
≈const and use the obtained ratios throughout this portion of the flight.

Возможно смещение точки приложения силы тяги относительно расчетной точки на срезе сопла, т.е. отступление от принятой схемы распределения сил. Тогда изменится кабрирующий момент на величину Pдвt·Δh и, в соответствии с этим, - балансировочное значение руля высоты, относительно которого вычисляется приращение Δδ. Изменение плеча l, влияющее на величину угла φ, изменится незначительно. В частности, при срезе сопла в 45° изменение плеча l не превысит 2%. Следовательно, принятая система распределения сил остается справедливой при смещении точки приложения силы тяги в достаточно широком диапазоне.It is possible to shift the point of application of the thrust force relative to the calculated point at the nozzle exit, i.e. deviation from the accepted pattern of distribution of forces. Then the converting moment will change by the value of P dvt · Δh and, in accordance with this, the balancing value of the elevator, relative to which the increment Δδ is calculated. The change in the shoulder l, affecting the value of the angle φ, will change slightly. In particular, when the nozzle is cut at 45 °, the change in shoulder l will not exceed 2%. Consequently, the adopted force distribution system remains valid when the point of application of the traction force is displaced in a rather wide range.

Результаты статистического моделирования измерительной системы подтверждают работоспособность ее при действии случайных возмущений. Ошибки определения угла поворота вектора силы тяги при заданных случайных возмущениях характеризуются следующими параметрами: среднее квадратическое отклонение не превышает σφ=0.2° при математическом ожидании mφ=0.2°.The results of statistical modeling of the measuring system confirm its operability under the action of random disturbances. Errors in determining the angle of rotation of the thrust force vector for given random perturbations are characterized by the following parameters: the mean square deviation does not exceed σ φ = 0.2 ° with the mathematical expectation m φ = 0.2 °.

Следовательно, при использовании представленного способа удается существенно повысить точность определения угла поворота вектора силы тяги. Это, прежде всего, является следствием того, что поворот вектора силы даже на малый угол сказывается в первую очередь на величине момента. Изменение модуля вектора силы тяги при этом незначительно. При увеличении расстояния от центра масс ЛА до среза сопла (плеча силы) величина момента и, следовательно, точность вычисления угла увеличится. Для уточнения полученных значений модуля и угла поворота вектора силы тяги следует произвести послеполетное математическое моделирование траекторий полета с привлечением полученных результатов обработки бортовой системы измерений и результатов внешнетраекторных измерений.Therefore, when using the presented method, it is possible to significantly increase the accuracy of determining the angle of rotation of the thrust force vector. This, first of all, is a consequence of the fact that the rotation of the force vector even at a small angle affects primarily the magnitude of the moment. The change in the modulus of the thrust force vector is negligible. With increasing distance from the center of mass of the aircraft to the nozzle exit (arm shoulder), the magnitude of the moment and, therefore, the accuracy of calculating the angle will increase. To clarify the obtained values of the module and the angle of rotation of the thrust force vector, post-flight mathematical modeling of flight paths should be performed with the use of the obtained processing results of the on-board measurement system and the results of external trajectory measurements.

Заявляемое решение дает возможность определить в летном эксперименте угол поворота и уточнить значение модуля вектора силы тяги (из прототипа). Такой способ может быть использован при испытании всех двигателей, в особенности двигателей, в которых выявлена зависимость угла направления вектора силы тяги от величины перепада давления в тракте двигателя.The claimed solution makes it possible to determine the angle of rotation in a flight experiment and to clarify the value of the module of the thrust force vector (from the prototype). This method can be used in testing all engines, in particular engines, in which the dependence of the direction angle of the thrust force vector on the magnitude of the pressure drop in the engine path is revealed.

Предложенный способ может быть использован для определения вектора силы тяги по результатам измерений моментов в короткопериодическом движении, углов отклонений рулей высоты и скоростного напора при осуществлении полетов летательных аппаратов с прямоточными реактивными двигателями.The proposed method can be used to determine the vector of thrust by the results of measurements of moments in a short-period motion, deviation angles of elevators and high-speed pressure when flying aircraft with ramjet engines.

При более точном определении угла поворота вектора силы тяги могут быть уточнены характеристики потока газов из сопла, запасы управляемости ГЛЛ в продольном движении, что позволит повысить точность стабилизации угла атаки и в конечном итоге - выдать рекомендации при разработке двигателя.With a more accurate determination of the angle of rotation of the thrust force vector, the characteristics of the gas flow from the nozzle, the controllability reserves of the HLL in longitudinal motion can be refined, which will improve the accuracy of stabilization of the angle of attack and ultimately give recommendations when developing the engine.

Claims (1)

Способ определения угла поворота вектора силы тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с косым срезом сопла по результатам летных испытаний его на гиперзвуковой летающей лаборатории, включающий операции измерения перегрузки на ГЛЛ от действия силы тяги двигателя при условии равенства нулю в показаниях акселерометра проекции вектора полной аэродинамической силы, вычисление модуля вектора силы тяги Рдвt в текущий момент времени, отличающийся тем, что в установившемся режиме полета ГЛЛ, при котором сумма продольного аэродинамического момента и момента от силы тяги двигателя равна нулю, дополнительно задают импульсное ступенчатое отклонение руля высоты на угол δимп, величину которого выбирают на основании результатов предварительного математического моделирования из условия, чтобы разность Δα=α-α0 между текущим значением угла атаки α в режиме колебаний и значением его α0 в момент подачи импульса по модулю не превышала требуемое при проведении эксперимента значение |Δα|<0.5°, измеряют в возмущенном движении углы отклонений рулей высоты и вращающие моменты, при таком испытании измеренные моменты будут определять отклонение только аэродинамического момента МZаэр от балансировочного МZаэр.бал, который уравновешен моментом от тяги двигателя, определяют отклонение момента как разность ΔMZaэp=MZaэp-MZaэp.бaл, вносят коррекцию в значение ΔМZаэр на величину
Figure 00000030
, где
Figure 00000031
- производная по углу атаки от коэффициента аэродинамического момента; определяют предварительно расчетным путем и по результатам наземных стендовых испытаний координаты l и h точки приложения вектора силы тяги на срезе сопла относительно центра масс ГЛЛ, далее вычисляют приращение аэродинамического момента, обусловленное только отклонением руля относительно его балансировочного значения при подаче импульса и равное разности:
ΔMZ≈ΔMZаэр-ΔM, где
ΔMZаэр - измеренное значение аэродинамического момента в возмущенном движении, затем по результатам измерений, полученных в летных испытаниях, вычисляют производную по углу отклонения руля высоты от коэффициента аэродинамического момента по формуле:
Figure 00000032

Δδ=δ-δ0 - разность между измеренными значениями угла отклонения руля высоты δ в возмущенном движении и его балансировочным значением δ0, измеренным при подаче импульса,
q - измеренное значение скоростного напора,
s, b - характерная площадь и длина изделия,
в установившемся режиме после подачи импульса измеряют текущие значения скоростного напора, угла отклонения руля высоты и находят угол поворота φ вектора силы тяги Рдвt в результате решения тригонометрического уравнения:
Figure 00000033

Рдвt - значение модуля вектора силы тяги в текущий момент времени t, которое определяется по показаниям акселерометров,
δt, qt - текущие значения руля высоты и скоростного напора в установившемся состоянии после подачи импульса,
l и h - координаты точки приложения вектора силы тяги на срезе сопла.
A method for determining the angle of rotation of the thrust force vector of a hypersonic ramjet with an oblique cut of the nozzle according to the results of its flight tests at a hypersonic flying laboratory, including the operation of measuring the overload on the HLL from the force of the engine's thrust provided that the projection of the aerodynamic force vector projection accelerometer is equal to zero , calculation of the modulus of the thrust force vector P dt at the current time, characterized in that in the steady state flight mode GLL, in which the sum is longitudinal aerodynamic moment and moment from the engine thrust force is zero, an impulse stepwise deviation of the elevator by an angle δ imp is additionally set, the value of which is selected on the basis of preliminary mathematical modeling so that the difference Δα = α-α 0 between the current value of the angle of attack α mode oscillations and its value α 0 at time modulo the pulse does not exceed the desired value for the experiment | Δα | <0.5 °, measured in the perturbed motion angles of the elevators and rotational deviations Suitable times for such testing points will be measured to determine the deviation of only aerodynamic torque M M Zaer by balancing Zaer.bal which moment is balanced by the thrust, the time deviation is determined as the difference Zaep ΔM = M -M Zaep Zaep.bal, making correction value ΔM Zaer by
Figure 00000030
where
Figure 00000031
- derivative of the angle of attack from the coefficient of aerodynamic moment; preliminarily determined by calculation and according to the results of ground-based bench tests, the coordinates l and h of the point of application of the thrust force vector at the nozzle exit relative to the center of mass of the HLL, then the aerodynamic moment increment is calculated, which is caused only by the deviation of the steering wheel relative to its balancing value when applying a pulse and equal to the difference:
ΔM Z ≈ΔM Zaer -ΔM , where
ΔM Zaer - the measured value of the aerodynamic moment in perturbed motion, then, according to the results of measurements obtained in flight tests, the derivative is calculated by the angle of deviation of the elevator from the coefficient of aerodynamic moment according to the formula:
Figure 00000032

Δδ = δ-δ 0 is the difference between the measured values of the angle of deviation of the elevator δ in the perturbed movement and its balancing value δ 0 measured when applying the pulse,
q is the measured value of the pressure head,
s, b - characteristic area and length of the product,
in the steady state, after applying the pulse, measure the current values of the velocity head, the elevator deflection angle and find the rotation angle φ of the thrust force vector P dt as a result of solving the trigonometric equation:
Figure 00000033

P dt is the value of the module of the thrust force vector at the current time t, which is determined by the readings of accelerometers,
δ t , q t - current elevator and velocity head in steady state after applying a pulse,
l and h are the coordinates of the point of application of the thrust force vector at the nozzle exit.
RU2010149315/06A 2010-12-03 2010-12-03 Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory RU2445599C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010149315/06A RU2445599C1 (en) 2010-12-03 2010-12-03 Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010149315/06A RU2445599C1 (en) 2010-12-03 2010-12-03 Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2445599C1 true RU2445599C1 (en) 2012-03-20

Family

ID=46030242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010149315/06A RU2445599C1 (en) 2010-12-03 2010-12-03 Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2445599C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107976315A (en) * 2017-11-17 2018-05-01 西安航天动力测控技术研究所 A kind of angle of attack yaw angle servo control mechanism for Ducted rocket free jet test
CN111792061A (en) * 2020-06-30 2020-10-20 中国航天空气动力技术研究院 Pneumatic thermal test device and method utilizing shock wave boundary layer interference
RU2766963C1 (en) * 2021-04-28 2022-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» Ramjet engine combustion chamber draft meter operating under conditions of connected air duct
CN116481784A (en) * 2023-03-28 2023-07-25 中国航发沈阳发动机研究所 Parallel type combined power and combined spray pipe verification method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0342970A3 (en) * 1988-05-19 1991-08-28 Control Data Canada Limited Method & apparatus for real-time measurement of the net thrust of a jet engine
RU2122963C1 (en) * 1998-03-20 1998-12-10 Акционерное общество открытого типа "ОКБ Сухого" System of control of twin-engined aeroplane through control of thrust vector
RU2242736C2 (en) * 2003-02-26 2004-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method of measuring flight thrust of hypersonic ramjet engine of unmanned hypersonic flying laboratory
RU2274764C2 (en) * 2003-12-16 2006-04-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московский институт теплотехники" Stand for testing engines with skewed nozzle
RU2314503C1 (en) * 2006-07-18 2008-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method of determining thrust vector of ram-jet engine
RU2324156C9 (en) * 2006-05-15 2008-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова" Method of determining tractive force of hipersonic direct flow aerojet engine from results of flying experiments in hypersonic flying laboratories

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0342970A3 (en) * 1988-05-19 1991-08-28 Control Data Canada Limited Method & apparatus for real-time measurement of the net thrust of a jet engine
RU2122963C1 (en) * 1998-03-20 1998-12-10 Акционерное общество открытого типа "ОКБ Сухого" System of control of twin-engined aeroplane through control of thrust vector
RU2242736C2 (en) * 2003-02-26 2004-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method of measuring flight thrust of hypersonic ramjet engine of unmanned hypersonic flying laboratory
RU2274764C2 (en) * 2003-12-16 2006-04-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московский институт теплотехники" Stand for testing engines with skewed nozzle
RU2324156C9 (en) * 2006-05-15 2008-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова" Method of determining tractive force of hipersonic direct flow aerojet engine from results of flying experiments in hypersonic flying laboratories
RU2314503C1 (en) * 2006-07-18 2008-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method of determining thrust vector of ram-jet engine

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107976315A (en) * 2017-11-17 2018-05-01 西安航天动力测控技术研究所 A kind of angle of attack yaw angle servo control mechanism for Ducted rocket free jet test
CN107976315B (en) * 2017-11-17 2019-05-31 西安航天动力测控技术研究所 A kind of angle of attack yaw angle servo mechanism for Ducted rocket free jet test
CN111792061A (en) * 2020-06-30 2020-10-20 中国航天空气动力技术研究院 Pneumatic thermal test device and method utilizing shock wave boundary layer interference
RU2766963C1 (en) * 2021-04-28 2022-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» Ramjet engine combustion chamber draft meter operating under conditions of connected air duct
CN116481784A (en) * 2023-03-28 2023-07-25 中国航发沈阳发动机研究所 Parallel type combined power and combined spray pipe verification method
CN116481784B (en) * 2023-03-28 2024-01-30 中国航发沈阳发动机研究所 Parallel type combined power and combined spray pipe verification method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Graver et al. Underwater glider model parameter identification
RU2460982C1 (en) Method of determining aerodynamic characteristics of aircraft
CN104764467B (en) Re-entry space vehicle inertial sensor errors online adaptive scaling method
RU2445599C1 (en) Method for determining turning angle of thrust vector of hypersonic once-through air jet engine with chamfer cut of nozzle as per results of flight tests on hypersonic flying laboratory
CN109703768B (en) Soft air refueling docking method based on attitude/trajectory composite control
CN106043695B (en) A kind of dynamic multi-rotor unmanned aerial vehicle fixed pitch variable speed system of oil and control technology
CN111350616B (en) Method for measuring micro-thrust eccentricity of solid engine under unconstrained condition
US8265802B2 (en) Method and device for determining the dynamic stability margin of an aircraft
Bollay Aerodynamic stability and automatic control: The fourteenth wright brothers lecture
Davis et al. X-43A flight-test-determined aerodynamic force and moment characteristics at Mach 7.0
Krishnamurthi et al. Helicopter slung load control using lagged cable angle feedback
Grauer et al. Aeroelastic modeling of X-56A stiff-wing configuration flight test data
RU2324156C2 (en) Method of determining tractive force of hipersonic direct flow aerojet engine from results of flying experiments in hypersonic flying laboratories
RU2314503C1 (en) Method of determining thrust vector of ram-jet engine
Donovan High speed problems of aircraft and experimental methods
Bouadi et al. Flight path tracking based-on direct adaptive sliding mode control
Brandt et al. Nato avt-239 task group: Flight test of compressed and bleed-air driven control effectors on the ice/saccon uas subscale aircraft
Curry et al. Dynamic ground effect for a cranked arrow wing airplane
KR101239637B1 (en) Apparatus and method for measuring roll vibration of missile
Siu et al. Flight test results of an angle of attack and angle of sideslip calibration method using Output-Error optimization
Khalil Flight dynamics, handling and ride qualities of a flexible aircraft
Banazadeh et al. Development, instrumentation, and dynamics identification of a coanda air vehicle
Farcy et al. Sensitivity of spin parameters to uncertainties of the aerodynamic model of a light aircraft
RU2135974C1 (en) Method of determination of parameters of incoming flow of flying vehicle in flight in gliding mode at hypersonic and subsonic speeds
RU2503941C1 (en) Method to determine aerodynamic coefficients cx and cy based on detection of total traction of propulsion device according to results of flight tests of aircraft

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20120827