Metodika měření a vyhodnocování stability a řiditelnosti letounu

Methodology for Aircraft Stability and Control Measurements and Evaluations

dissertation

cs

Disertační práce je svým obsahem především zaměřena na jednu z velmi významných oblastí letových vlastností a to problematiku dynamické stability letounu. Analýze stability letounu, z důvodu zvětšujících se nároků na bezpečnost letu, je v dnešní době věnována čím dál tím větší pozornost již od prvotních fází návrhu letounu. V úvodu práce je nejprve uvedena část seznamující se specifičností letových měření, jejich rozdělení, popisu postupu realizace, zpracování záznamů atd. Následná část pojednává o možnostech měření charakteristických veličin letu, letadla a atmosféry a popisuje metodiky měření letových vlastností, jako je kontrola stability a řiditelnosti (ovladatelnosti, obratnosti, tíživosti, vyvažitelnosti). Součástí kapitoly je i nástin postupů zpracování časových záznamů letových veličin z "měřících" letů za účelem identifikace součinitelů aerodynamických sil a momentů působících na letoun. Primárním krokem pro realizaci naplánovaných experimentů bylo vybudování letové laboratoře zahrnující sestavení měřící soustavy, její oživení a ověření funkčnosti. Samotné experimenty lze rozdělit na dvě části. První oblastí zájmu, v rámci ověření funkčnosti soustavy, bylo uskutečnění experimentu za účelem posouzení různých metodik měření polohových úhlů letounu v prostoru. Záměrem bylo podrobnější pozemní a letové testování optického gyroskopu, s kterým je počítáno jako se základním přístrojem letové zkušebny pro měření úhlových rychlostí a jim odpovídajících úhlů. Cílem zkoušek dynamické stability letounu bylo ověření vhodnosti výběru matematického popisu pohybu letounu a tím i výpočtů charakteristik dynamické stability. Průběh celého měření byl naplánován tak, aby získané záznamy letových veličin co nejlépe vyhovovaly pro uvažované zpětné vygenerování parametrů matematického modelu letounu jako lineárního dynamického systému. Získaný model posloužil k "odhadu" součinitelů sil a momentů působících na letoun. V oblasti teoretických výpočtů byly nejprve odvozeny tzv. odchylkové pohybové rovnice letounu, které popisují jeho "chování" po poruše (např. poryv větru, zásah pilota do řízení) rovnovážného ustáleného přímočarého letu. Odvozené pohybové rovnice se staly základním prvkem vytvořeného programového modulu pro výpočet charakteristik hodnotících kvalitativně a kvantitativně dynamickou stability letounu. Zobrazené časové průběhy vypočtených letových veličin slouží pro vizuální hodnocení charakteru kmitání s možností jejich porovnání s průběhy získanými během provedených experimentů. Matematický model dynamiky letu byl také použit pro realizaci myšlenky využití experimentálních dat pro identifikaci či odhad součinitelů aerodynamických sil a momentů. V závěrečné části předkládané práce jsou uvedeny výpočty zaměřené na stanovení charakteristik popisující dynamické vlastnosti letounu. Vstupní hodnoty do výpočtů odpovídají letovým podmínkám jednotlivých měřených úseků při zkouškách dynamické stability. Teoretické časové průběhy letových veličin jsou porovnány s jejich záznamy, které byly získány během měření. Následně po zhodnocení a porovnání výsledků měření s výpočty je popsána možnost identifikace parametrů matematického modelu pohybu letounu z naměřených vstupních (výchylky kormidel) a výstupních (úhel náběhu a vybočení, rychlost letounu, úhlové rychlosti, polohové úhly, atd.) dat. Odezvy získaného modelu na vstupní impulsy do řízení jsou zpětně porovnány s naměřenými daty.

Disertační práce je svým obsahem především zaměřena na jednu z velmi významných oblastí letových vlastností a to problematiku dynamické stability letounu. Analýze stability letounu, z důvodu zvětšujících se nároků na bezpečnost letu, je v dnešní době věnována čím dál tím větší pozornost již od prvotních fází návrhu letounu. V úvodu práce je nejprve uvedena část seznamující se specifičností letových měření, jejich rozdělení, popisu postupu realizace, zpracování záznamů atd. Následná část pojednává o možnostech měření charakteristických veličin letu, letadla a atmosféry a popisuje metodiky měření letových vlastností, jako je kontrola stability a řiditelnosti (ovladatelnosti, obratnosti, tíživosti, vyvažitelnosti). Součástí kapitoly je i nástin postupů zpracování časových záznamů letových veličin z "měřících" letů za účelem identifikace součinitelů aerodynamických sil a momentů působících na letoun. Primárním krokem pro realizaci naplánovaných experimentů bylo vybudování letové laboratoře zahrnující sestavení měřící soustavy, její oživení a ověření funkčnosti. Samotné experimenty lze rozdělit na dvě části. První oblastí zájmu, v rámci ověření funkčnosti soustavy, bylo uskutečnění experimentu za účelem posouzení různých metodik měření polohových úhlů letounu v prostoru. Záměrem bylo podrobnější pozemní a letové testování optického gyroskopu, s kterým je počítáno jako se základním přístrojem letové zkušebny pro měření úhlových rychlostí a jim odpovídajících úhlů. Cílem zkoušek dynamické stability letounu bylo ověření vhodnosti výběru matematického popisu pohybu letounu a tím i výpočtů charakteristik dynamické stability. Průběh celého měření byl naplánován tak, aby získané záznamy letových veličin co nejlépe vyhovovaly pro uvažované zpětné vygenerování parametrů matematického modelu letounu jako lineárního dynamického systému. Získaný model posloužil k "odhadu" součinitelů sil a momentů působících na letoun. V oblasti teoretických výpočtů byly nejprve odvozeny tzv. odchylkové pohybové rovnice letounu, které popisují jeho "chování" po poruše (např. poryv větru, zásah pilota do řízení) rovnovážného ustáleného přímočarého letu. Odvozené pohybové rovnice se staly základním prvkem vytvořeného programového modulu pro výpočet charakteristik hodnotících kvalitativně a kvantitativně dynamickou stability letounu. Zobrazené časové průběhy vypočtených letových veličin slouží pro vizuální hodnocení charakteru kmitání s možností jejich porovnání s průběhy získanými během provedených experimentů. Matematický model dynamiky letu byl také použit pro realizaci myšlenky využití experimentálních dat pro identifikaci či odhad součinitelů aerodynamických sil a momentů. V závěrečné části předkládané práce jsou uvedeny výpočty zaměřené na stanovení charakteristik popisující dynamické vlastnosti letounu. Vstupní hodnoty do výpočtů odpovídají letovým podmínkám jednotlivých měřených úseků při zkouškách dynamické stability. Teoretické časové průběhy letových veličin jsou porovnány s jejich záznamy, které byly získány během měření. Následně po zhodnocení a porovnání výsledků měření s výpočty je popsána možnost identifikace parametrů matematického modelu pohybu letounu z naměřených vstupních (výchylky kormidel) a výstupních (úhel náběhu a vybočení, rychlost letounu, úhlové rychlosti, polohové úhly, atd.) dat. Odezvy získaného modelu na vstupní impulsy do řízení jsou zpětně porovnány s naměřenými daty.

The thesis is focused almost on one of the main flight characteristics, i.e. aircraft dynamic stability. The introduction presents firstly the specific of flight measurements, their distribution, description of the procedure of realisation, data processing, etc. The following part is dealing with the possibilities how to measure the characteristics of flight, aircraft, and atmosphere and also describes the methodology of the measurements of the flight characteristics, such as stability and controllability (manoeuvrability, controllability, heaviness, etc.). The first step was to build a flying laboratory including the assembling and installation of the measurement system, its activation and the verification of its functionality. The experiments should be divided into two parts. Firstly, for the verification of the system functionality the experiment considering various methodologies of the measurements of aircraft positional angles in space was performed. A detailed land and flight testing of optical gyroscope was done, that is the basic instrument of the flying laboratory for the measurements of angle speeds and to them corresponding angles. The aim of the dynamic stability testing was the verification of the selected mathematical model describing the aircraft motion after a "failure", and thus also the verification of the computations of the dynamic stability characteristics. The rocess of the total measurement was designed so that the obtained records of the flight parameters the best suited to the expected backward generation of the parameters of the aircraft mathematical model presented as a linear dynamic system. The obtained model enabled the estimation of the coefficients of force and moments acting an aircraft. The final part of the thesis presents the computations focused on the determination of the quantitatively evaluation (characteristics/values) of the dynamic characteristics of an aircraft. The input values of the computations correspond to the flight conditions of separate measured segments for the testing of dynamic stability. The theoretical time histories of the flight quantities are compared with their records obtained during the measurements. Then, after the evaluation and comparison of the measured results with the computations, the identification of the parameters of the mathematical model for the aircraft motion is described using the measured input (rudder deviation) and output (angle of attack and yaw, aircraft speed, angle speed, positional angles, etc.) data. The responses of the obtained model to the input impulses in controlling system are compared retrospectively with the measured data.

aircraft testing in flight, flight measurement methodology, flight mechanics, stability, control, dynamic stability, longitudinal and lateral-directional motion

01.01.2004

Vysoké učení technické v Brně

Brno

32