STEROWANIE WEKTOREM CIĄGU - Maciej KRAWCZYK -PRz.pdf - Inżynieria Lotnicza - pilot1216

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

im. Ignacego Łukasiewicza

Katedra Awioniki i Sterowania

STEROWANIE WEKTOREM CIĄGU

Maciej KRAWCZYK

Seminarium Dyplomowe 2001/2002

LOTNICTWO - PILOTAŻ

Streszczenie

Sterowanie wektorem ciągu znane było od wielu dziesiątków lat i stosowane było praktycznie w technice

rakietowej już od lat 30-tych XX wieku. Do niedawna poprawianie zwrotności i manewrowości samolotów

uzyskiwano dzięki doskonaleniu aerodynamiki powierzchni nośnych i sterowych. W momencie pojawienia się

niezawodnych cyfrowych układów komputerowych wspomagających sterowanie samolotem, nieco później także

komputerów regulujących wszystkie parametry pracy silników (określane odpowiednio skrótami DFBW –

Digital Fly-By-Wire oraz FADEC – Full Authority Digital Engine Control), powstał pomysł połączenia

możliwości obu tych układów w jednym zintegrowanym systemie. Ten system w połączeniu z dyszami

sterującymi wektorem ciągu zezwolił na praktyczną realizację koncepcji Post-Stall Manoeuvring. Badania nad

nową koncepcją przeprowadzono przy użyciu samolotów supermanowrowych: X-31, F/A-18 HARV, F-15

STOL/MTD, F-22 Lightning II.

Sterowanie wektorem ciągu odbywa się przy użyciu: klap odchylających ciąg, dysz dwuwymiarowych lub

symetrycznych osiowo dysz sterujących. Dysze te zezwalają na odchylanie strumienia gazów wylotowych w

zakresie ±20º od osi silnika.

Jednakże, pierwszymi samolotami w których zastosowano sterowanie wektorem ciągu były samoloty

pionowego/krótkiego startu i lądowania. Najsłynniejszym samolotem w tej klasie jest niewątpliwie British

Aerospace Harrier. Odpowiednikami samolotu Harrier w lotnictwie ZSRR były Jak-38 i Jak-141. Jednak mimo

bardzo ciekawych rozwiązań technicznych posiadały one znacznie mniejsze możliwości.

1. Wstęp

Kierowanie lotem poprzez zmianę wektora ciągu silnika znane jest i praktycznie stosowane od wielu

dziesiątków lat, z tym że nie w lotnictwie, a w technice rakietowej. Po raz pierwszy zastosowano to rozwiązanie

już w połowie lat 30 w niemieckiej rakiecie A-3 (poprzedniczce słynnej V-2). W lotnictwie (poza

pionowzlotami) nie stosowano go dotychczas z prostego powodu – właściwie nie było takiej potrzeby. Poprawę

zwrotności samolotów uzyskiwano jak dotąd w sposób znacznie prostszy i tańszy, dzięki doskonaleniu

aerodynamiki powierzchni nośnych i sterowych. Ta droga rozwoju wciąż oferuje nowe możliwości. Kolejny

bardzo znaczący postęp uzyskano w wyniku zastosowania w myśliwcach komputerowych układów sterowania

czynnego. Jedyną stosowaną do niedawna w samolotach wojskowych metodą zmiany wektora ciągu, było tylko

odwracanie ciągu podczas lądowania, od wielu lat stosowana powszechnie w lotnictwie cywilnym. Pierwszym

seryjnie produkowanym myśliwcem z odwracaczem ciągu stał się Saab AJ-37 Viggen oblatany w 1967 roku.

Viggen wyposażony został w jeszcze jedno urządzenie, które wyprzedziło swe czasy. Był to tzw. automat ciągu

– układ regulujący ciąg silnika tak, aby utrzymywać zadaną prędkość podejścia do lądowania. Rozwiązania te

zastosowano po to, aby samolot mógł bezpiecznie lądować na krótkich pasach startowych pokrytych śniegiem

lub oblodzonych. Natomiast pierwszym dwusilnikowym myśliwcem z odwracaczem ciągu stał się Tornado IDS

oblatany w roku 1974.

Mimo niewątpliwych korzyści jakie dają odwracacze, umożliwiając bezpieczne i krótkie lądowanie nie

przyjęły się one szerzej w samolotach bojowych. Przyczyna leży w tym, że odwracacz ciągu znacznie zwiększa

masę zespołu napędowego, a przy tym poważnie komplikuje jego eksploatację i obsługę. Poza tym stosowanie

odwracania ciągu podczas dobiegu sprawia, że tylna część płatowca, jego spód i usterzenie narażone jest na od-

M. Krawczyk

Sterowanie wektorem ciągu

MK - 1

działywanie silnego strumienia rozpędzonych, gorących gazów, a także na uderzenia podrywanych przezeń z

pasa startowego pyłów i kamyków. Powoduje to przyśpieszone zużycie zmęczeniowe elementów płatowca oraz

zwiększoną awaryjność.

Po tym jak pojawiły się niezawodne cyfrowe układy komputerowe wspomagające sterowanie samolotem,

nieco później także komputery regulujące wszystkie parametry pracy silników (określane odpowiednio skrótami

DFBW – Digital Fly-By-Wire oraz FADEC – Full Authority Digital Engine Control), powstał pomysł

połączenia możliwości obu tych układów w jednym zintegrowanym systemie. Dawałby on całkiem nowe, nie

spotykane dotąd możliwości – między innymi znacznego obniżenia dolnej granicy prędkości użytkowych

samolotu. Może to być zrealizowane dzięki zastosowaniu silników o regulowanym kierunku wypływu gazów

wylotowych, oraz cyfrowego układu sterowania, kontrolującego zarówno wszystkie powierzchnie

aerodynamiczne, jak też wielkość i wektor ciągu silników. Z tych rozważań zrodziła się koncepcja Post-Stall

Manoeuvring – dosłownie „manewrowania po przeciągnięciu”.

2. Samoloty supermanewrowe

Według ocen specjalistów, aby samolot mógł swobodnie latać i manewrować na dużych kątach natarcia

muszą zostać spełnione dwa warunki. Po pierwsze, samolot musi przejść dynamicznie przez zakres kątów o

obniżonej stateczności, a potem móc powrócić do normalnego położenia – co sprowadza się do problemu

sterowania maszyną w warunkach pełnego oderwania strug. Po drugie całe zjawisko musi mieć charakter

krótkotrwały. Doświadczenia i teoria wskazały na to, że samolot supermanewrowy powinien mieć obniżoną

stateczność statyczną i znaczny moment pochylający na nos w fazie lotu na pozakrytycznych kątach natarcia,

czyli po oderwaniu strug na skrzydle i usterzeniu.

Przekonanie o dużych potencjalnych możliwościach koncepcji Post-Stall Manoeuvring sprawiło, że w

wyniku współpracy Amerykanów i Niemców (NASA, DARPA, Rockwell i MBB) skonstruowano samolot

doświadczalny X-31, mający służyć właśnie do sprawdzenia w praktyce nowej koncepcji. Jest to samolot

wyłącznie eksperymentalny, wykonany w dwu egzemplarzach, zaprojektowany w możliwie najprostszy sposób

z wykorzystaniem gotowych elementów istniejących samolotów wojskowych i cywilnych. Odchylanie ciągu

silnika realizowane jest za pomocą trzech ruchomych klap „obejmujących” z zewnątrz strumień gazów

wylotowych. Jest to rozwiązanie prowizoryczne i dość barbarzyńskie z punktu widzenia aerodynamiki. Nigdy

też nie planowano stosować go docelowo w jakichkolwiek seryjnie produkowanych samolotach.

Kluczową sprawą dla zwiększenia możliwości manewrowych samolotu tą drogą, było skonstruowanie

efektywnego układu sterującego, integrującego sterowanie aerodynamiczne i kierowanie ciągiem. Dla

przetestowania tego typu rozwiązań, NASA zmodyfikowała jeden samolot F/A-18, nadając mu oznaczenie

HARV (High Alpha Research Vehicle – samolot badawczy do lotów na dużych kątach natarcia). Układ

sterowania wektorem ciągu rozwiązano dość podobnie, jak w X-31 – po usunięciu standardowych dysz z

silników F-404 zabudowano na każdym z nich z zewnątrz po 3 ruchome klapy wraz z siłownikami. Oprócz tego,

F/A-18 HARV wyposażony został w specjalnie skonstruowany doświadczalny system sterowania, przy czym

standardowe komputery sterujące pozostawiono jako rezerwowe. Analogicznie jak X-31, F/A-18 HARV

wykorzystywany jest do lotów ze skrajnie dużymi kątami natarcia, ale w przeciwieństwie do niego umożliwia

badanie zachowań w locie samolotu z dwoma niezależnie kierowanymi zespołami napędowymi. W toku badań

w locie obu tych konstrukcji stwierdzono, że podczas zwiększania kąta natarcia występują bardzo podobne

zjawiska: pomiędzy kątami 13º a 20º łagodne drgania usterzenia typu buffeting, maksymalna siła nośna

występuje od ok. 32º do 39º, a przy kątach 38º-49º pojawia się kołysanie skrzydeł. Oba samoloty zachowują

pełną sterowność przy kątach natarcia do 70º - 80º i posiadają możliwość utrzymywania lotu w takiej

konfiguracji. Co najważniejsze, okazało się, że mimo nietypowego położenia samolotu było możliwe sterowanie

jego przechyleniem i kursem. To doprowadziło do opracowania szeregu nowych figur: manewr Herbsta, pętla

śmigłowcowa, uderzenie młota, zawrót duże J, atak śmigłowcowy i innych. Po zakończeniu pełnego cyklu

badań w locie dokonano jeszcze sprawdzenia praktycznej przydatności koncepcji Post-Stall Manoeuvring w

walkach powietrznych. W tym celu w bazie lotniczej Patuxent River przeprowadzono symulowane walki

powietrzne pomiędzy X-31 a F/A-18 Hornet. Ogółem wykonano 23 loty, w czasie których obie maszyny

stoczyły 94 potyczki. 78 z nich wygrał X-31. Kilka pozostało nierozstrzygniętych. Całkowity stosunek

zestrzeleń był jak 9,4:1 na korzyść X-31. Ale gdy wyłączono system sterowania ciągiem i stał się on samolotem

całkowicie konwencjonalnym, sytuacja odwróciła się na korzyść F/A-18 w stosunku 2,4:1. W ogólnych

wnioskach po walkach stwierdzono, że jedynym ratunkiem dla klasycznych myśliwców jest ucieczka na

maksymalnym ciągu. X-31 dysponujący znacznie mniejszym nadmiarem ciągu nie mógł dogonić przeciwnika.

Gdy z pomocą komputera zaczęto symulować walki, w których X-31 miał porównywalny nadmiar ciągu,

stosunek zestrzeleń wzrósł do astronomicznej liczby 70:1.

M. Krawczyk

Sterowanie wektorem ciągu

MK - 2

Rys.1. Pięć nowych manewrów opracowanych specjalnie dla samolotów supermanewrowych, niewykonalnych

dla klasycznych konstrukcji: manewr Herbsta, pętla śmigłowcowa, uderzenie młota, zawrót duże J i atak śmi-

głowcowy. [7]

Innym sposobem na sterowanie wektorem ciągu było zastosowanie w latach osiemdziesiątych dysz dwu-

wymiarowych (F-22 Lightning II). Choć były one traktowane nieomal jak „cudowne dziecko” amerykańskiego

przemysłu lotniczego i z ich wprowadzeniem wiązano duże nadzieje, mają one też swoje słabe strony. Jedną z

nich jest fakt, że mogą odchylać wektor ciągu silnika tylko w jednej płaszczyźnie – pionowej. Pozwala to na ste-

rowanie pochyleniem wokół osi poprzecznej. W przypadku samolotu dwusilnikowego, przez różnicowe wychy-

lanie dysz można także zmieniać przechylenie wokół osi podłużnej. Trudno jednak kontrolować odchylenie, tzn.

sterować w osi pionowej.

Właśnie dla pokonania tej niedogodności opracowano najnowszy rodzaj dysz: symetryczne osiowo dysze

sterujące (Axisymetric Vectoring Nozzle – AVEN). Pozwalają one na odchylanie strumienia gazów wylotowych

o 20º od osi silnika w dowolnym kierunku.

2.1. Korzyści ze sterowania wektorem ciągu

Dwusilnikowy samolot z symetrycznymi osiowo dyszami sterującymi oraz odpowiednim układem stero-

wania może być kierowany wyłącznie gazodynamicznie we wszystkich trzech osiach, bez potrzeby wychylania

jakichkolwiek powierzchni sterowych. Daje to możliwość utrzymania sterowności przy granicznie małych pręd-

kościach i bardzo dużych kątach natarcia, przy których zwykłe stery tracą skuteczność. Pozwoli to na wprowa-

dzenie samolotu w kontrolowane przeciągnięcie (nieomal runięcie), któremu towarzyszy wyhamowanie, gwał-

towny zwrot oraz skierowanie nosa myśliwca (i uzbrojenia) w kierunku przeciwnika wykonującego w tym cza-

sie klasyczny wiraż. Przy większych prędkościach, dysze współdziałające np. z dodatkowymi powierzchniami

sterowymi typu „kaczka”, umożliwiałyby do pewnego stopnia realizację koncepcji Control Configurated Vehic-

le – to jest samolotu o sześciu stopniach swobody. Teoretycznie pozwala to na odchylanie nosa samolotu bez

zmiany toru lotu i odwrotnie – manewrowanie bez przemieszczania kątowego osi podłużnej. To jednak nie ko-

niec korzyści wynikających ze sterowania wektorem ciągu. Poza poprawą charakterystyk lądowania, można tak-

że znacznie skrócić rozbieg przy starcie – odchylenie dysz w górę, już przy niewielkiej prędkości powoduje

uniesienie przedniego podwozia i zwiększenie kąta natarcia, a tym samym wcześniejsze poderwanie samolotu z

pasa. Sterowanie za pomocą silników pozwoli na kontynuowanie lotu oraz lądowanie samolotu, który utracił np.

część usterzenia lub fragment skrzydła, czy to w wyniku uszkodzeń bojowych, czy w kolizji powietrznej pod-

czas treningu. Przyjęcie przez silniki znacznej części obciążeń wynikających ze sterowania w locie naddźwię-

kowym, bardzo poprawi zwrotność myśliwców w ich górnym zakresie prędkości. Ponieważ stery aerodyna-

miczne zostaną dzięki temu poważnie odciążone, można je będzie projektować jako elementy o mniejszej wy-

trzymałości i powierzchni, np. można by nieco zmniejszyć sztywność skrętną skrzydła, bez obaw o wystąpienie

niekorzystnych skutków tzw. rewersu lotek przy prędkościach naddźwiękowych. Dałoby to poważne oszczęd-

ności na masie płatowca. Mniejsze stateczniki to także niższe opory tarcia.

M. Krawczyk

Sterowanie wektorem ciągu

MK - 3

Rys.2. Odchylanie wektora ciągu w samolocie dwusilnikowym pozwala na sterowanie myśliwcem w trzech

osiach. [1]

2.2. Rozwiązania sprzętowe

Klapy odchylające ciąg (zastosowane na samolocie X-31) stosowane w postaci trzech płyt rozmieszczo-

nych wokół wylotu dyszy silnika. Są one rozmieszczone co 120º - jedna na górze i dwie po bokach – z dołu. Ich

ustawieniem sterują potężne siłowniki hydrauliczne. Powierzchnia płyt stykających się z gorącym strumieniem

gazów wylotowych wykonanych ze stopu Nimonic pokryta jest materiałem węglowym., odpornym na bardzo

wysokie temperatury. Płyty wychylane są o kąt +/-10º zapewniając uzyskanie bocznej składowej siły ciągu rzę-

du 17%. Wychylane na zewnątrz stają się klasycznymi hamulcami aerodynamicznymi.

Dysze dwuwymiarowe mają prostokątny przekrój poprzeczny, co wymaga zastosowania odpowiednio

wyprofilowanego łącznika pomiędzy cylindrycznym dopalaczem a dysz. Powoduje to pewne zaburzenia prze-

pływu i związane z tym straty ciągu. Regulowane klapy ograniczają przekrój dyszy od góry i z dołu, natomiast

ścianki boczne są proste i nieruchome – w płaszczyźnie poziomej dysza ma stały przekrój. Można zatem przyjąć

(w uproszczeniu), iż sprężanie i rozprężanie gazów odbywa się jedynie w płaszczyźnie pionowej. Stąd właśnie

nazwa – dysza dwuwymiarowa.

Dysze opracowane dla programu F-15 STOL/MTD mogą spełniać kilka różnych funkcji: podstawowa z

nich to dostosowywanie przekroju krytycznego oraz rozbieżności do aktualnych warunków pracy silnika, pręd-

kości i ciśnienia zewnętrznego. Nie odbiega to od sposobu działania tradycyjnych dysz zbieżno-rozbieżnych.

Oprócz tego klapa górna i dolna mogą być zgodnie wychylane w tę samą stronę, odchylając strumień gazów

maksymalnie do 20º w górę i w dół w stosunku do osi podłużnej silnika. Realizują w ten sposób sterowanie

wektorem ciągu. To jednak nie koniec dostępnych możliwości. W fazie podejścia do lądowania, silnik pracuje

pełnym ciągiem a ruchome klapy ustawiane są tak, że zamykają główny wylot. Jednocześnie otwierają się cylin-

dryczne przesłony i sterowane żaluzje wylotów pomocniczych u góry i u dołu. Żaluzje pozwalają kierować od

ok. 35º w tył, do 135º w przód względem osi silnika, a obrót pomiędzy tymi skrajnymi położeniami wykonują w

ciągu 1,5 s. Oznacza to możliwość szybkich zmian wartości ciągu: od dodatniej, poprzez zerową, aż do inten-

sywnego hamowania. Choć odwracacz ma być stosowany głównie przy lądowaniu, to ogromnie poprawia także

manewrowość w walce powietrznej. Próby odwracania ciągu przy prędkości naddźwiękowej wykazały znaczny

wzrost skuteczności hamowania w porównaniu z hamulcem aerodynamicznym. Planowano, że w przyszłości

dysze będą wykonywane z kompozytu węglowego RCC (stosowanego w osłonach termicznych wahadłowców

oraz klapach odchylających ciąg w X-31). Obecnie jednak używa się do tego stopów żarowytrzymałych. Wyko-

M. Krawczyk

Sterowanie wektorem ciągu

MK - 4

nanie prototypowych dysz okazało się dość kłopotliwe i skomplikowane. Producent Pratt and Whitney podał, że

zawierają „półtorej mili ręcznie wykonanych spoin spawalniczych”. Twierdzi się także, iż dysze te poważnie

zwiększają masę zespołu napędowego. Z ich stosowaniem wiązano nadzieję na zmniejszenie śladu w podczer-

wieni umożliwiającego wykrycie samolotu. Dysze dają szeroki ale płaski strumień gazów wylotowych, który

szybciej miesza i rozprasza się w otaczającym go powietrzu.

Rys.3. Tryby pracy płaskiej dyszy dwuwymiarowej zastosowanej w F-15 STOL/MTD. [1]

Dysze dwuwymiarowe zastosowano również w myśliwcu nowej generacji F-22 Lightning II. Zadecydo-

wała o tym zarówno możliwość sterowania ciągiem, jak też korzyści, jakie daje to rozwiązanie z punktu widze-

nia niewykrywalności – zarówno w podczerwieni, jak i radarowej (bowiem ich płaskie powierzchnie mają ko-

rzystne charakterystyki odbić radarowych). Dodatkowo zastosowano ostrokątne zewnętrzne krawędzie klap dy-

szy (przypominające nieco zęby piły), po to, aby fale radarowe odbijane były w bok, zamiast do tyłu.

Symetryczne osiowo dysze sterujące swym wyglądem zewnętrznym nie różnią się od klasycznych dysz

zbieżno-rozbieżnych. Podstawowa różnica polega na tym, że segmenty zachodzących na siebie klapek tworzą-

cych dyszę zamocowane są w sposób pozwalający na większą swobodę wychyleń. Odpowiedni układ elektro-

niczny, hydrauliczny i mechaniczny umożliwia równomierne wysuwanie wszystkich klapek – dysza pracuje

wtedy w sposób klasyczny, zmniejszając lub zwiększając swój przekrój krytyczny i rozbieżność. Możliwe jest

jednak takie różnicowanie wychyleń poszczególnych segmentów, aby wylot dyszy odchylał się w bok w dowol-

nym kierunku.

Dysza firmy General Electric, oznaczona skrótem AVEN przeszła intensywne testy pracy na silniku F-

110-GE-100 o ciągu maksymalnym 125 kN. Uzyskano odchylanie strumienia gazów do 20º od osi silnika, do-

konywane z prędkością powyżej 45º/s. Najważniejszym czynnikiem ograniczającym zakres sterowania ciągiem

jest wytrzymałość korpusu silnika na powstające siły boczne.

Pratt and Whitney także przeprowadził próby swojej dyszy zamontowanej na silniku F-100-PW-229 przy

ciągu powyżej 134 kN. P&W poinformował, iż jego dysza pracuje jako układ skompensowany, tzn. część sił

potrzebnych do poruszania klapek i odchylenia ciągu pochodzi od napierających na klapki gazów (analogicznie

jak w sterach z kompensacją aerodynamiczną).

M. Krawczyk

Sterowanie wektorem ciągu

MK - 5

STEROWANIE WEKTOREM CIĄGU - Maciej KRAWCZYK -PRz.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: