Динамика летательного аппарата с системой смещения центра масс
Автор: Михайлов Евгений Александрович, Федоров Виктор Борисович
Рубрика: Численные методы моделирования
Статья в выпуске: 1 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
Для современных летательных аппаратов осесимметричной формы, в том числе спускаемых аппаратов, аэробаллистических систем важным условием штатной эксплуатации является отсутствие асимметрий различного рода при условии, что они не были введены умышленно в процессе проектирования и производства конструкции. Асимметрии, вызванные изменением формы наружной поверхности, приводят к изменению массово-инерционных характеристик аппарата, смещению центра масс, появлению центробежных моментов инерции, возникновению аэродинамических моментов. Все это может привести к отклонению траектории полета летательного аппарата от номинальной, к увеличению нагрузок, действующих на конструкцию, в связи с возрастанием угла атаки величин аэродинамических сил и перегрузок. Ко всему прочему асимметрии могут приводить к резонансным явлениям в процессе движения. В работе представлена математическая модель движения летательного аппарата в атмосфере, позволяющая учитывать смещение центра масс, динамическую несбалансированность и аэродинамическую асимметрию. Проведено исследование влияния смещения центра масс, влияния аэродинамических моментов, приводящих к аэродинамической асимметрии, на движение летательных аппаратов без стабилизации и со стабилизацией вращением. Предложен закон для смещения центра масс летательного аппарата с целью создания составляющих подъемной силы как для коррекции возмущений, вызванных асимметриями, так и для пространственного маневрирования, позволяющего плавно изменять угол атаки и устанавливать аппарат в положении равновесия. Путем численного моделирования движения летательного аппарата со стабилизацией вращения показана эффективность применения смещения центра масс для снижения составляющих ускорений, угловых скоростей вращения и угла атаки.
Осесимметричный летательный аппарат, смещение центра масс, уравнения движения, асимметрия, угол атаки, стабилизация вращением
Короткий адрес: https://sciup.org/147237469
IDR: 147237469 | УДК: 629.7.01
Dynamics of the aircraft with the system of displacement of the center of mass
For modern aircraft of axisymmetric shape, including lander, aeroballistic vehicles, an important condition for regular operation is the absence of asymmetries of various kinds, provided that they were not intentionally introduced during the design and production of the structure. Asymmetries caused by changes in the shapes of the outer surface lead to changes in the mass-inertial characteristics of the vehicles, displacement of the center of mass, the appearance of centrifugal moments of inertia, the appearance of aerodynamic moments. All this can lead to a deviation of the flight path of the aircraft from the nominal trajectory, to an increase in the loads acting on the structure, due to an increase in the angle of attack, the magnitude of aerodynamic forces and overloads. In addition, asymmetries can lead to resonant phenomena in the process of movement. The paper presents a mathematical model of the motion of an aircraft in the atmosphere, which allows taking into account the displacement of the center of mass, dynamic imbalance and aerodynamic asymmetry. The influence of the displacement of the center of mass, the influence of aerodynamic moments leading to aerodynamic asymmetry on the movement of aircraft without spin stabilization and with spin stabilization has been studied. A law is proposed for displacement of the center of mass of an aircraft in order to create lifting force components, both for correcting disturbances caused by asymmetries, and for spatial maneuvering, which allows smoothly changing the angle of attack and setting the vehicle in the equilibrium position. By numerical simulation of the motion of an aircraft with spin stabilization, the effectiveness of using the displacement of the center of mass to reduce the components of accelerations, angular velocities of rotation and angle of attack is shown.
Список литературы Динамика летательного аппарата с системой смещения центра масс
- Kurkina, E.V. Acceptable range parameters of asymmetry of spacecraft descending in the Martian atmosphere / E.V. Kurkina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. -Vol. 868. - Number article 012036. DOI: 10.1088/1757-899X/868/1/012036.
- Lyubimov, V.V. Simulation of the dynamics of non-resonant motion in a controlled descent of an asymmetric spacecraft in the low-density atmosphere / V.V. Lyubimov, E.V. Kurkina // CEUR Workshop Proceedings. - 2016. - Vol. 1638. - P. 610-621. DOI: 10.18287/1613-0073-2016-1638-610-621.
- Lorenz, R.D. Attitude and angular rates of planetary probes during atmospheric descent: Implications for imaging / R.D. Lorenz // Planetary and Space Science. - 2010. - Vol. 10. - P. 838-846. DOI: 10.1016/j.pss.2010.01.003.
- Куркина, Е.В. Синтез приближенного оптимального управления углом ориентации межпланетного космического аппарата при уменьшении скорости в атмосфере Марса / Е.В. Куркина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2018. - Т.20. - № 4. -С. 88-92.
- Lyubimov, V.V. Mathematical Simulation of Perturbations of Attack Angle of Asymmetric Nanosatellite Passing through Resonance / V.V. Lyubimov, E.V. Kurkina //International Conference on Information Technologiess in Business and Industry 2018. Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1015. - № 032089. DOI: 10.1088/1742-6596/1015/3/032089.
- Lyubimov, V. Optimal Discrete Control Law for Rotation of a Descent Probe with a Small Iner-tial Asymmetry during the Descent in the Atmosphere of Mars / V. Lyubimov, E. Kurkina // Proceedings - 2019 21st International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems, CSCMP 2019. - 2019. - Vol. 2019 - September. - № 8976630 - P. 504-508. DOI: 10.1109/ CSCMP45713.2019.89 76630.
- Любимов, В.В. Эволюции во вращательном движении динамически асимметричных космических аппаратов в атмосфере / В.В. Любимов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2006. - Т. 8. - № 3. - С. 849-856.
- Ахмад Баракат Альахмад. Анализ динамики углового движения неуправляемого летательного аппарата методами качественной теории систем / Ахмад Баракат Альахмад // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2006. - № 1. - С. 24-30.
- Kurkina, E.V. Estimation of the Probability of Capture into Resonance and Parametric Analysis in the Descent of an Asymmetric Spacecraft in an Atmosphere / E.V. Kurkina, V.V. Lyubimov // Journal of Applied and Industrial Mathematics. - 2018. - Vol. 125. - P. 492-500. DOI: 10.1134/ S1990478918030092.
- Куркина, Е.В. Анализ и синтез динамики спускаемых в атмосфере Марса космических аппаратов с малой асимметрией с учётом резонансных возмущений. [Текст]: дис. кандидата технических наук: 05.07.09 / Е.В. Куркина. - Самара: Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, 2020. - 139 с.
- Belokonov, V.M. Estimation of the Probability of Capture into a Resonance Mode of Motion for a Spacecraft during Its Descent in the Atmosphere / V.M. Belokonov, M.Yu. Zabolotnov // Cosmic Research. - 2002. - Vol. 40. - P. 467-478. DOI:10.1023/A:1020647017797.
- Любимов, В.В. Внешняя устойчивость резонанса и стабилизация вращения космического аппарата с малой инерциальной и аэродинамической асимметриями при спуске в атмосфере Венеры /В.В. Любимов, В.С. Лашин //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2016. - Т. 18. - № 4(4). - С. 782-785.
- Любимов, В.В. Оценка вероятности захвата в резонанс при спуске твердого тела с изменяемой асимметрией в атмосфере Венеры / В.В. Любимов, В.С. Лашин // Достижения вузовской науки. - 2015. - № 18. - С. 82-86.
- Zabolotnov, Yu.M. Evaluation of Asymmetric Small Satellite with Electric Propulsion Perturbations when Passing through Resonance / Yu.M. Zabolotnov, V.V. Lyubimov, E.V. Kurkina //Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 185. - P. 299-303. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.03.344.
- Lyubimov, V.V. Application of the dynamic programming method to obtain of the angular velocity control law of a spacecraft with a small geometric asymmetry in the atmosphere / V.V. Lyubimov, E.V. Kurkina // 12th International Scientific and Technical Conference on Applied Mechanics and Systems Dynamics. Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1210. - № 012088. DOI: 10.1088/1742-6596/1210/1/012088.
- Lyubimov, V.V. Dynamics and control of angular acceleration of a re-entry spacecraft with a small asymmetry in the atmosphere in the presence of the secondary resonance effect / V.V. Lyubimov // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 - Proceedings. - 2015. - № 7147134. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147134.
- Любимов, В.В. Исследование прохода через резонанс космического аппарата c изменяемой массовой асимметрией при спуске с малыми углами атаки в атмосфере Марса /В.В. Любимов, Е.В. Куркина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2015. -Т. 1. - № 6(3). - С. 734-740.
- Костров, А.В. Движение асимметричных баллистических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.
- Дмитриевский, А.А. Внешняя баллистика. - М. : Машиностроение, 1991. - 640 с.
- Ахмад Баракат Альахмад. Методика оценки устойчивости движения летательных аппаратов в условиях возникновения резонансных режимов. [Текст]: дис. кандидата технических наук: 05.07.09 / Ахмад Баракат Альахмад. - М. : Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 2006. - 196 с.
