Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS87_t25_z1_4_PDF_artykuly\01mts87_t25_zeszyt1_2.pdf M ECHANIKA TEORETYCZNA I  STOSOWANA 1/ 2,  25,  1987 PRZYBLIŻ ONA  M ETODA  BADANIA  RUCHU  OBROTOWEGO  OBIEKTÓW LATAJĄ CYCH JÓZEF   G ACEK W ojskowa  Akademia  T echniczna 1.  Wstę p Badanie  ruchu  n iekierowan ego  obiektu  latają cego  {OL )  w  atmosferze  sprowadza  się do  analizy  silnie  nieliniowych  równ ań  róż niczkowych  ruch u.  Współ czesne  maszyny  ma- tematyczne umoż liwiają   analizę   wymienionych  równ ań , lecz  trzeba  n a  ten cel  przeznaczyć dużo  czasu  maszynowego,  szczególnie  w  przypadkach,  gdy  zachodzi  potrzeba  zbadania wpł ywu  n a  ruch  OL   wielu  param etrów  n p :  charakterystyk  konstrukcyjnych  i  aerodyna- micznych  OL ,  param etrów  atmosfery,  warun ków  lotu  itp.  P oza  tym  wydł uż enie  czasu maszynowego  wynika z  koniecznoś ci stosowania  odpowiednio mał ego odstę pu cał kowania, w przypadkach  badan ia  ruch u  OL   charakteryzują cego  się   szybkimi  zmianami kinematycz- nych  param etrów  ruch u, a  w  szczególnoś ci  param etrów  opisują cych  ruch  dookoł a ś rodka masy.  Stą d  wynika  potrzeba  szukan ia  przybliż onych  rozwią zań  analitycznych,  które umoż liwił yby  w  szybki  i  ekonom iczn y  sposób  okreś lić  charakterystyki  ruchu  OL .  Innym powodem  uzasadniają cym  celowość  stosowania  rozwią zań  przybliż onych  jest  róż na szybkość  zmian  param etrów  t o ru  ś rodka  masy  OL   (prę dkoś ć, wysokoś ć) i  zmian kinema- tycznych  param etrów  charakteryzują cych  ruch  dookoł a  ś rodka  masy  (ką ty  natarcia i  ś lizgu).  W  celu  oszacowan ia  wspomnianej  róż nicy  w  szybkoś ci  zmian parametrów ruchu lub porówn an ia m ał ych wielkoś ci  wygodnie jest wprowadzić  mał y bezwymiarowy  parametr (zbiór  mał ych  param etrów)  umoż liwiają cy  otrzymywanie  asymptotycznych  rozwią zań równań  ruchu  OL . 2.  Równania  i  zał oż enia  wyjś ciowe M oż liwość uzyskan ia  w  sposób  szybki i ekonomiczny rozwią zania  dowolnego zagadnie- nia  z  dynamiki  lotu  w  duż ym  stopn iu  zależy  od  postaci  równań  ruchu obiektu  latają cego. Stą d  też  poszczególnym  rodzajom  zadań  odpowiadają   swoiste,  najbardziej  racjonalne sposoby  zapisu  równ ań  problem u  [3],  [4],  [6].  Okazuje  się ,  że  podczas  badan ia  ruchu OL   charakteryzują cego  się   pł aszczyzną   symetrii  wygodnie  jest  posł uż yć  się   równaniam i w  pół zwią zanym  ukł adzie  osi  współ rzę dnych  Ox p y p z p   (rys.  1),  n atom iast  przy  rozpatry- waniu ruchu osiowo- symetrycznego  OL   (szczególnie  przy  duż ych  ką tach n atarcia) —  w  u- 88 J.  G AC E K kł adzie  osi  współ rzę dnych  zwią zanych  z  przestrzennym  ką tem  n atarcia a p r r , czyli ukł adem Ox a y a z a   (rys.  2). Równania  ruchu  OL   dookoł a  ś rodka  masy  w  ukł adzie  zwią zanym  Ox^ y^ x  napisać w  postaci dL   _  r  , -—- —\ - cuxL   =  M dt gdzie:  ć o,L  —  wektor  prę dkoś ci  ką towej  i  kret  OL , M  —  wektor  momentu  aerodynamicznego. (2- 1) Rys.  1.  U kł ady  osi  współ rzę dn ych:  prę dkoś ciowy  R ys.  2.  U kfady  osi  współ rzę dn ych  zwią zane  z prze- a z„  zwią zany  Oxiy^ i  i  pólzwią zany  Ox p y p z p   strzen n ym  ką tem  n at arc ia . Ką ty  natarcia  a  i  ś lizgu  /? od  których  w  gł ównej  mierze  zależą   sił y  i  momenty  aerody- namiczne  moż na  wyznaczyć  z  zależ noś ci: gdzie:  v Xi ,v yi ,v tl   są   skł adowymi  wektora  prę dkoś ci  OL   w  zwią zanym  ukł adzie  osi współ rzę dnych  O A^J^Z J  (rys.  1). D o okreś lenia  zmian ką tów  a i (i w czasie lotu  OL  sformuł owano  nastę pują ce  równ an ia: a  =   - a )X ł c o sa t g^ + a ) j, lsin a t g/ 3+ a ) 2 i- ( C j,i ig5'+ ~mgcosGcosy)(mv  cos/ 3)"1  (2.2) (2.3) (2.4) +mgcos6siay](mv]~ 1 Xf   sin p+c Xp cos  /?) cos y] qSQnv cos §)~ x gdzie  y —  ką t  przechylenia. R U C H   OBROTOWY  OBIEKTÓW  LATAJĄ CYCH   89 Wystę pują ce  w powyż szych  równ an iach wielkoś ci  v, 0, y (rys. 3.) moż na okreś lić  w  wyniku rozwią zania  ró wn ań : mv  = c x   cos/ S—c z   sinfS—mgcosO  (2.5) mv©  =   [c yp cosy- (c Xii sin(l  + c Zii cosf)siny]qS- - mg(v~ l - vr~ 1 )cos9  (2.6) y  =  vsm©  (2.7) D la  OL  osiowo- symetrycznych  sł uszny  jest  zwią zek c, p c o s/ ?- cX p sin/ 3 =   cXa(apr.) Jeś li  ograniczymy  dalsze  rozważ an ia  do przypadku  ruchu  ciał a  charakteryzują cego się   symetrią   osiową   oraz  pominiemy  wpł yw  sił   grawitacyjnych  na jego  ruch  obrotowy, to  równanie  (2.2)  w  zastosowan iu  do  okreś lenia  zmian  przestrzennego  ką ta  natarcia moż emy  zapisać  w  nastę pują cej  postaci «prx=*<»z f - c ya (a prz )qS(mv)- 1   i  (2.8) Przyjmiemy  również,  że w  przypadku  ruchu  ciał a  osiowo- symetrycznego  wypadkowy wpł yw  sił y  aerodynam icznej  n a  zmianę   ką ta 6  jest  pomijalnie  mał y,  co pozwala  odrzucić czł on  w nawiasie  kwadratowym  równ an ia  (2.6).  Przy  zastosowaniu  metody  mał ego para- metru  czę sto  przyjmuje  się ,  że  param etry v, 0,  y  zmieniają   się   wolno,  co  pozwala  wpro- wadzić  do  prawych  stron  równ ań  (2.5) 4- (2.7)  mał y  param etr  f.i. 3.  Okreś lenie  parametrów  pł askiego  ruchu  wahadłowego  OL za  pomocą   metody  małego  parametru Ruch  obrotowy  (wokół   ś rodka  masy)  OL  bę dzie  uważ any  za pł aski, jeż eli  jego  po- czą tkowa  prę dkość  ką towa  bę dzie  równ ikowa  (co Xi   =  0)  i  n orm aln a do  pł aszczyzny  ką ta natarcia,  a kierun ek  wektora  prę dkoś ci  w rozpatrywanym  przedziale  czasu  bę dzie  ulegał niewielkim  zm ian om . Równanie  opisują ce  pł aski ruch  OL   dookoł a ś rodka  masy  przy  uwzglę dnieniu zał oż eń przyję tych  w pun kcie 2 oraz  zastosowaniu  metody  mał ego param etru  m oż na  przedstawić w  postaci a + ̂ (F 1 +F 2 )k~F 3   =  0  (3.1) gdzie F ,  =  0,5c ya (a)qvSm'' 1   a prz   =   |a | F 2   =   0 , 5 < F 3  =  0,5mz Zauważ my,  że równ an ie  (3.1)  jest  równaniem  typu x~fj,0 1 (r,x,x)  + 0 2 (r,x)  = O  (3.2) opisują cym  swobodny  ruch  wahadł owy  o woln o  zmieniają cych  się   param etrach.  Rozwią - zanie  równ an ia  m oż na  przedstawić  w postaci x  =  X O (T ,  d,  y^ + fiXiir,  d,  ip) + fi 2 x 2 (t,  d, y>)+  ...  (3- 3) 90 J .  G ACEK gdzie:  —funkcje  x t   są   okresowe  wzglę dem  zmiennej  y>  xi(r,  d, f)  =   x,- (r,  d, —  czas  bezwymiarowy  —x  =  (it —  d—wolno  zmieniają cy  się   param etr  okreś lają cy  amplitudę   wahań  ukł adu. Przyjmiemy,  że  d  bę dzie  maksymalną   wartoś cią   zmiennej  x  uzyskiwaną w  ruchu  wahadł owym. Zmianę   wielkoś ci  d  i  y>  opisują   równania y> Rys.  3.  Schemat  okreś lenia wielkoś ci  r, ®, y, r 0 , v Poszukują c  rozwią zań  asymptotycznych  rozł oż ymy  w  szereg  Taylora  (wzglę dem  $ funkcję   0 1 (r,x,x)  podstawimy  do  równania  (3.2)  przyrównują c  do  zera  wszystkie czł ony  mał e  wyż szych  rzę dów: (3.5) - ( T,  *o ) *i  =   - 2co o 3 2 x 0   8x 0 drpdr  dtp  dr 8 2 x 0   — (3.6) 8x 8a>o  dx 0 d 2 x t 8y> 2- 2co0a>t~z- 2-   m  h, (3.7) Równanie  (3.5)  okreś la  sposób  zachowania  się   rozwią zania  w  jednym  okresie  wahań, czyli  opisuje  zależ ność funkcji  X O ( T ,  d, f)  od  y>.  F unkcję  co0(z,  d)  okreś la  się   z  warunku, aby  okres  funkcji  x o (f)  wynosił   2n. d  d O>0(T, d) =  Ą   /   [2 /   0 2 ( T , xJdxA' 0'5]  ̂ (3.8) gdzie:  /   0 2 (r,x)~Q < R U C H   OBROTOWY  OBIEKTÓW  LATAJĄ CYCH   91 W  wyniku  analizy  równ an ia  (3.6)  m oż na  sformuł ować  dwa  warunki  jakie  musi  speł nić jego  prawa  stron a,  aby  funkcja  x x (r,  d,  yi) był a  również  okresowa  wzglę dem  y>  (o  okresie 2n).  Warun ki  t e  pozwalają  sformuł ować  wyraż enie  n a  C l ,co 1   oraz  xt .  Postę pując  analo- gicznie z równ an iem n a x 2 ,  po  wykorzystaniu  warun ku  okresowoś ci  funkcji  x 2   znajdujemy C- ,, co 2 , x 2   itd.  M etoda  z  niewielkimi  poprawkam i  znajduje  również  zastosowanie  dla przypadku  ruch u  obrotowego.  Przejś cie  od  ruch u  obrotowego  do  ruchu  wahadł owego (lub  odwrotnie)  moż liwe  jest  gdy: 0 L (r,x,x)  =  O  oraz  - —-2-  ( T ,  .x)  • £  0 Cał ka -  J  ^ "w w  przypadku  obydwu  tych  ruchów  wynosi: —  dla  ruchu  wahadł owego M ł   /   *(r,x)dx  (3.10) xmł n • —  dla  ruchu  obrotowego ^ r „ i r  =   Jx(v,x)dx  (3.11) —  n Zwią zek  mię dzy  tymi  cał kami m oż na  okreś lić  nastę pują co ^ .  -   2N T abr   (3.12) Zależ ność  (3.12) jest  sł uszna  w  przypadku,  gdy  nie  są  naruszone  warunki  stosowalnoś ci metody  mał ego  param etru.  Warun ki  te  bę dą  n aruszon e  gdy  okres  wahań T wgh   -   2T ebT   -   2  /   [x(T ,x)]~ ldx xmln roś nie nieskoń czenie w pun kcie przejś cia  od ruchu obrotowego  do wahadł owego  (x m 3.1.  Z astosowanie  metody  do  badan ia  ruchu  obrotowego  podczas  wejś cia  O L  (ponownego) w atmosferę. Jako  warun ki  począ tkowe  ruch u  przyjmiemy  param etry  ruchu  odpowiadają ce  wysokoś ci przyję tej  za  granicę  atmosfery  (y  -   Y). -   a 0 ~ =  a(t 0 )  =  o »> I f  (3.13) N a  czę ś ci  t o ru  y  >  Y OL   wykonuje  równom ierny  ruch  obrotowy  wokół   osi  0z t   (wpł yw momentów  aerodyn am iczn ych  n a  ruch  OL   jest  pomijalnie  maty).  W  miarę  jak  roś nie 92  J-   G AC E K ciś nienie  dynamiczne  q  na  skutek  wzrostu  gę stoś ci  powietrza  Q równomierność  obrotu zostaje  zakł ócona i począ wszy  od pewnej  chwili  czasu  (wysokoś ci y)  ruch  obrotowy prze- chodzi  w  ruch  wahadł owy. Stosują c  opisaną   n a  począ tku  punktu  3 metodę  d o  okreś lenia  zmian amplitudy wahań OL   przyjmiemy  dodatkowo  nastę pują ce  zał oż enia  upraszczają ce: —  pomijamy  tł umienie  aerodynamiczne, —  zmiana  prę dkoś ci  OL   nie  zależy  od  ką ta  natarcia. N a  podstawie  zależ noś ci  (3.12)  w  odniesieniu  do  warunków  zadania  moż na  napisać N T   =  j  d(T, "min =   2  j  - \ 2qSU*  J  nuJaJdaĄ   da  «  2n(O Hl   (3.14) "mli,  "min gdzie  J f l  m  —- W  przypadku  dostatecznie duż ych  g  amplituda min  wystę puje  przy  a 0  =   ±n.   N a pod- stawie wyników obliczeń stwierdzono, że przy x  - +  oo wartość  oczekiwana funkcji   co  iloraz  &(x,  z Literatura 1.  H . ALLEN, A.  EG G ERS, A  Study of  the  motion  and aerodynamic heating of ballistic  missiles entering the earth's  atmosphere — N ASA  R epo rt  1958.  N o  138. 2.  S.  D U BI E L,  Asymptotyczna  postać  rozwią zania  równań  ruchu  podł uż nych statku  kosmicznego  po zanu- rzeniu  w  atmosferę  ziemską .  Biul.  WAT n r  11,  1964. 3.  S.  D U BI E L,  Zjawisko  autorotacji  podł uż nej  aparatów  latają cych.  Biul.  WAT  n r 6 1971. 4.  B . A.  .SpouiEBCKH ii, JJeuoiceHue  Heynpaejutejuoeo me/ in e aniMoccfiepe.  MauiHHOCTpoeHHej M o c im a 1978. 5.  r . E .  Ky3MAK,  AcujunmomuuecKue  peutenujt  mmmemux  butp~$epmą ajtbHux ypa&mnuii  emopoio nopndKa c  nepeMemuMU  K09$$uijeHmaMU.  M ocKBa 1959. 6.  H . B .  OC TOC JI ABC KH H J  H . B .  C T P AWE B A,  RuHaMUKa nojtema.  06opoH TH 3j  M ocKBa 1963. P  e 3  K)  M e nPH BJIED KEH H Blfł   M E T O JI  H CCJIEflOBAH H H   BPAIU ATEJILH OrO JI ETATEJI bH BI X  OBI E KTOB B  pa6oTe  n peflcraBJieH   aHajiHTHraecKHii  Merofl  HccjiefloBaHHH   BpamaTejibH oro  flB»KeH H Ji  (Boupyr i; ein p a  Mace)  H eynpaBJiH eM oro  jieiaT ejit H oro  o6Ł eKTaj  xapaKTepH 3yiom eroca  oceBoft  ciiMMcrpiieft. BH »eH H H   c4)opM yjiH poBaiibi  B  cn creM e  o c eń  KoopAHHaT,  CBH3ai£HoJi yrjioM   aTaKH , TO flaeT  BO3M OJKH OCTB  HCOieflOBaTb  3TO flBH >KeH H e n pH  npon3BOjn>- yr a a x  aiaKH .  IIpH BefleH o  on wcam ie  M e ic a a ,  a  TaKł Ke  cn o co 6  y^ieia  Bjuwnaifi  aspoflH iiaM H iecKoro 3aTyxaHHH  Ha  aMmiH Tyfly  i< one6aimft  npoflonbH oft  OCH  ocecH MMeTpiwH oro  jieiaT en bn oro  o6pbefcra  B  I I JI O - CKOM   BpamaTCJIbHOM   RBHH