Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS86_t24z1_4_PDF_artyku³y\mts86_t24z1_2.pdf M E C H AN I KA TEORETYCZNA I STOSOWANA 1/ 2, 24, (1986) SP RZ Ę Ż EN IE  RU CH ÓW  PRZESTRZEN N YCH  Ś MIG ŁOWCA W  PROSTOLIN IOWYM   POZIOM YM  LOCIE U STALON YM* KRZYSZTOF   JAN KOWSKI JERZY  MARYN IAK Politechnika W arszawska 1.  Wstę p Rozwój  techniki  ś migł owcowej  i  nowe  dziedziny  zastosowania  ś migł owców  wymagają coraz  dokł adniejszych  badań  ich  wł asnoś ci  dynamicznych.  Szczególnie  istotne  jest  roz- patrzenie  sprzę ż eń  ruchów  podł uż nych  i  bocznych  kadł uba  ś migł owcaw  przestrzeni oraz  sprzę ż eń  ruchów  poszczególnych  elementów  ś migł owca:  kadł uba,  ł opat  wirnika noś nego  i  ł opat  ś migła  ogonowego.  Analiza  jakoś ciowa  i  iloś ciowa  tego  rodzaju  sprzę - ż eń  potrzebna jest  przy  rozpatrywaniu  szeregu  problemów  z  dziedziny  dynamiki  ś mig- ł owców. 2.  Model  matematyczny  automatycznie sterowanego  ś migł owca D la  przeprowadzenia  analizy  sprzę ż eń  ruchów  przestrzennych  poszczególnych  zespo- ł ów ś migł owca należ ało wyprowadzić  odpowiedni  model  dynamiczny  ś migł owca,  uwzglę d- niają cy  ruchy wzglę dem  kadł uba ł opat  wirnika  noś nego, ł opat  ś migła ogonowego,  statecz- nika  i  turbin  silników. Jako  model  fizyczny  rozpatrywanego  jednowirnikowego  ś migł owca  przyję to  ukł ad mechaniczny  skł adają cy  się   z  kadł uba i  powią zanych  z  nim ruchomych elementów  [1, 3]: turbin  silników,  przegubowych  ł opat wirnika  i ś migła ogonowego,  statecznika  poziomego. Ruch  ukł adu  skrę powany  jest  wię zami  wynikają cymi  ze  struktury  kinematycznej  ś mig- ł owca  oraz  z  oddział ywania  automatycznego  ukł adu  podwyż szania  statecznoś ci  i  stero- wania  lotem.  U kł ad  ten  wią że  ką ty  sterowania  ś migł owcem  z  parametrami jego ruchu wedł ug  nastę pują cych  praw  [6]:  s *  Praca  przedstawiona  n a  I  Ogólnopolskiej  Konferencji  „ M echanika  w  Lotn ictwie"  —  Warszawa 19 I 1984  r. 152  K .  jAMKOWSKr, J .  MARYNIAK —  ką t  sterowan ia  w  ruch u  p o d ł u ż n ym: —  ką t  st ero wan ia  w  ru ch u  bo c zn ym : ' —  ką t  sko ku  ogóln ego  ł o p a t  wirn ika  n o ś n ego: [k( izg  +   9+ (fcsmy> 0 +  ?7cosyo)siny>i +  («cosv> 0 — ̂ sin^ cosyii  + k^ t,  (i  =   1, 2,  . , . , «) ,  (5) gdzie: ipi —  ką t  azym utu,  przy  oglą dan iu  wirn ika  z góry  skierowany  zgodnie  z  kierun kiem ruchu wskazówek  zegara, ip 0   —  ką t  wyprzedzen ia  sterowan ia, k  —  współ czyn n ik  ko m p en sat o ra  wzniosu  ł opat, (3j —  ką t  o br o t u  i- ej  ł opaty  wirn ika  wokół   przegubu  poziom ego, n —  liczba  ł o p a t  wirn ika  n oś n ego. P o  uwzglę dn ien iu  wię zów  u st alo n o  zbiór  fc  =   2 n + m + 1 3  współ rzę dn ych  uogólnio- n ych ,  opisują cych  poł oż en ie  rozpatrywan ego  u kł ad u  (m —  liczba  ł o p at  ś migła  ogono- wego)  [1,  3].  N ast ę p n ie  korzystają c  z  ró wn ań  Boltzm an n a- H am ela  [4]  dla  ukł adów nie- h o lo n o m iczn ych  wyprowadzon o  równ an ia  róż n iczkowe  ruch u  m odelu  ś migł owca.  Ich liczba  jest  r ó wn a  4n+2m  + 22,  n p .  dla  ś migł owca  M i- 2:  36  (16  stopni  swobody),  a  dla M i- 6:  50  (23  stopn ie  swobody). D la  um oż liwien ia  efektywnego  wykorzystan ia  ukł ad  równ ań  róż niczkowych  nielinio- wych  z  okresowym i  współ czyn n ikam i  uproszczon o,  zachowują c  gł ówne czł ony nieliniowe, Rys.  1.  Schematy  ś migł owca  z  zaznaczonymi  parametrami  wystę pują cymi  w  opisie  matematycznym  jego Tuchu: a) widok  ogólny  ś migł owca,  b)  widoki  z  boku  i z tył u  „ stoż ka"  opisywanego  przez  ł opaty  wirnika noś nego,  c)  widoki  z  tył u  i  z  góry  „ stoż ka"  ł opat  ś migła  ogonowego [153] 154  K.  JAN KOWSKI,  J.  MARYN IAK • do  u kł a d u  równ ań  z  nieokresowym i  współ czynnikam i  [1,  5,6].  Współ rzę dne  ką towe  opi- sują ce  ru c h  ł o p a t wirn ika  n oś n ego  i ś migła  ogonowego  zastą piono  pierwszymi  harmonicz- n ym i  ich rozwin ię ć  w  szeregi  F o u riera: —  ką ty  wa h a ń  ł o p a t  wirn ika: ft  =   a o - a l cosip t - b 1 smy l>   (i =  1, 2 , . . . , w) ,  (6) —  ką ty  o b r o t ó w  ł o p a t  wir n ika  wo kó ł   przegu bó w  p io n o wyc h : | ,  =  e o +  e L c o sV( + / 1 si n y, ,  (i =   1, 2,  . . . , «) ,  (7) —  ką ty  wa h a ń  ł o p a t  ś m igła  o go n o we go : ^ j, (j  = 1 , 2 ,  . . . ,  m),  (8) .gdzie  a 0 ,  a^ ,  ..., d x   są  n o wym i  fun kcjam i  czasu.  D zię ki  t ym  p o d st a wien io m  p rzy  liczbach ł o p a t  n  ~&  3 i m  ~ź 3  redukują   się   w r ó wn a n ia c h  r u c h u  fun kcje  ką t ów  a zym u t ó w  y> t   i y sS , P o  d o k o n a n i u  czę sto  st o so wan yc h  w  opisie  d yn a m iki  ś m igł owców  przekształ ceń i  p o m in ię c iu  wsp ó ł rzę d n ej  cykliczn ej  ip u kł ad  r ó wn a ń  r u c h u  za p isa n o  w p o st aci  [1]: &  (9)A gdzie: - y[35]  =  [U,V,  W ,P,Q,R,co,a o ,a 1 .b 1 ,e o ,i 1 .J 1 ,ć Ot c 1 ,ei i ,x ll ,y t ,z l ,&,e,  W , a o ,a 1 ,b 1 ,e o ,e 1 ,f 1 ,c o ,  c 1}   d t ,  %,  r\ , 

),  (i =   1,  2,  . . . ,  16)  odpowiadają d zia ł a ją c ym  n a u k ł a d  sił om  u o gó ln io n ym . R ó wn a n i a  (9) t wo r zą   m o d e l  m a t em a t yc zn y  ś m igł owca  o  16- tu  st o p n ia c h  swobody. 3.  Analiza  postaci  drgań  swobodnych  ś migł owca P o  rozwin ię ciu  funkcji  wektorowych z równ an ia  (9) w szeregi  Taylora  i  odpowiednich przekszt ał cen iach  otrzym uje  się   u kł ad  równ ań  róż n iczkowych  ruch u  zaburzon ego  [1]: dx dt (11) gd z i e : —  x  = y—y 0   — o zn a c za  wekt o r  o dch yleń  ro zwią zan ia  y  o d  st a n u  r u c h u  ustalon ego o p isa n e go  we kt o r e m j o > —  G  =   AQ1(D—F)  — m ac ierz  st an u , —  A o   —  m a c ie r z  a n a lo gic zn a  d o  m acierzy  A, p rzy  wyzn aczan iu  jej  elem en t ó w  podstawia się   y  =y 0 , SPRZĘ Ż EN IE  RU CH ÓW  Ś MIGŁ OWCA 155 Tabela 1. I II ITT Wartoś ci  wł asne Al,2  =   £ l, 2± »?1. 2 A3, 4=   &,4± '»?3,4 As,  6 =   Cs,6±iV5,<> Ź W.S  =   h,  8 ± ' ^ 7 ,  8 A7  =   £ 7 A8  =   £ 8 A9 = fe Aio,ii  =   £ io, n i " y i o ,  ii Al2,  13  =  £ l2, 13± ń jl2» 13 Al4  =   £l4 Al5, 16 =  fl5,  lfi± i'?15, 16 ^17  • "  ^17 Aia,  19 =  fis, lgi'^ is, 19 ho  =  I20 A21i22  =  ^ 2 1 , 2 2 i  "?21,  22 ^23,  24  — ^23, 2 4 i  'ł ?23, 24 • 2̂5,26 =  I 25, 26± '»725,26 ^27, 28  ==  ̂ 27, 2 8 +  W?27, 28 A.29,30 =  I 29,  30± "?29, 30 ^31  =   I 3 I Postacie  drgań — gł ówne  ruchy W ,  (V) W W ,  V,  U,  co W ,  V W ,  co v,< m V,  W V,  W V,  W ,ai,(ciJi) V,  W , U,  St V,  W , e Q O  0  j  O  0 Oo,  a i  , a i ,  C o ,  C i So,Si,JV,(.di) So,  ai,di Si,bi,Ci,P,  ( e i . / i ) bi,ci,P,(,ii,c 0 ) ii,A,V,U iiJi.V Co 0  3 ci,  di 0  3 C l . O l 0  0  O  f  O  v ^ i , C o , C i  \ flx) U wagi ruch  krótkookresowy sł abo tł umiony ruch krótkoookre- sowy,  dla V c  > 240  : L h J l 3 l *  > 0 V c  >  160  — - I sł abo  tł umiony ruch  dł ugookresowy sł abe  tł umienie duże  tł umienie ^15,16  ~   (O duże  tł umienie 1J18.19 ~   3d) duże  tł umienie 4 »?2i,22  « —co przy  T^,/ '  roś n ie  udział  K, 2 723,  24  ~   ~Q> »?2s, 26  ~  a)j =   / s c o ( M i —6 : / j = =   5,66) »?27, 28  K 2WS »?29, 30 <  <»s duże  tł umienie A3S  a 0 156  K.  JAN KOWSKI,  J.  MARYN IAK —  D  =   C'(y 0 )  =   [Cf'tCvo)] —  m acierz  Jacobi'ego  z  poch odn ym i  sił   uogólnionych, —  F  =   J B ' ( J 0 )  =   [jBit(j'o)]  —  m acierz  Jacobi'ego  funkcji  B{y), —  ę ( x )  —  fun kcja  wektora  z  wyrazam i  rzę du  wyż szego  od  pierwszego. Badają c  wł asnoś ci  dyn am iczn e  m odelu  ś migł owca  razem  z  wartoś ciami  wł asnymi  L m acierzy  st an u  G  oblicza  się   odpowiadają ce  im  wektory  wł asne  W j.  P ozwala  to  przepro- wadzić  an alizę   m odaln ą ,  polegają cą   na  obliczeniu  czę stoś ci  drgań  i  współ czynników  tłu- m ien ia  o raz  wyzn aczen iu  postaci  drgań .  Stwierdza  się   w  ten  sposób,  które  ruchy  obiektu ś m igł owiec  —  ukł ad  sterowan ia  są   charakteryzowan e  przez  kolejne  wartoś ci  wł asne m acierzy  st an u . Obliczeń  n um eryczn ych  d o ko n an o  dla  modelu  cię ż kiego  ś migł owca  klasy  Mi- 6. P aram et ry  ru ch u  ustalon ego  —  prostolin iowego  lotu  poziom ego  —  wyznaczono  wedł ug m et ody,  przedstawion ej  w  [2].  Analizują c  un orm owan e  liniowo  i  fazowo  wektory  wł asne m acierzy  st an u  stwierdzon o,  że  m im o  duż ej  liczby  współ rzę dnych  w  każ dej  z  postaci m o ż na  wyodrę bn ić  kilka  ruchów  o  najwię kszym  udziale.  Wyniki  analizy  postaci  drgań wł asn ych  d la  lot u  poziom ego  w  zakresie  prę dkoś ci  od  80  do  280  [km/ h]  przedstawiono w  tabeli  I. P ostacie  ruch ów,  odpowiadają ce  poszczególnym  wartoś ciom  wł asnym,  podzielono n a  3  grupy.  D o  pierwszej  należą   postacie  odpowiadają ce  gł ównie  sprzę ż onym  podł uż nym i  boczn ym  r u c h o m  kad ł u ba ś migł owca  w przestrzen i;  do  drugiej:  sprzę ż one  ruchy kadł uba,, wirn ika  i  ś migła  ogon owego;  a  do  trzeciej:  ruchy  ś migła  ogon owego. J a ko  ch arakterystyczn e  dla  cię ż kiego  ś migł owca,  dla  którego  przyję to  poł oż enie ś ro d ka  parcia  kadł u ba  za  SM   ś migł owca,  należy  wskazać  postacie  odpowiadają ce  ruchom kró t ko o kreso wem u  ( A l j 2 ,  ^3,+ )  i  dł ugookresowem u  ( A5 j 6 ) ,  nie  zawierają ce  ruchu  po- chylen ia. I n teresują ce  są   zł oż one  postacie  ruch ów  nutacyjnych  wirn ika  n oś n ego  i  ś migła  ogo- n owego.  C h arakteryzują   je  wartoś ci  wł asn e:  / l 1 5 > 1 6  —  zaburzen ia  ką tów  „ st o ż ka"  opisy- wan ego  przez  ł opat y  wirn ika:  a 0   i  a t   oraz  ruchu  pion owego  ś m igł owca;  / l 1 8 ; 1 9  —  zabu- rzen ia  ką t ów  ctj  i  foi  (pochylan ie  i  przechylanie  „ st o ż ka"  wirn ika),  silnie  sprzę ż one  z prze- ch ylan iem  „ st o ż k a"  ś m igła  ogon owego  (zaburzen ia  ką ta  c t )  oraz  z  przechylaniem cał ego ś m igł owca  (rys.  1);  dla  ś migła  ogon owego:  A2s,26 —  oscylacyjne  zm iany  ką ta  c0;  X2y, 28  — zaburzen ia  ką tów  przechylen ia  c x   i  pochylenia  d x   „ st o ż ka"  ł o p at  ś migła  ogonowego. C ztery  zerowe  wartoś ci  wł asne  m acierzy  stan u wynikają   z  4- ro  wymiarowej  rozmaitoś ci ru c h u  ustalon ego  [2]  i  n ie  są   równ ozn aczn e  z  przypadkiem  krytycznym  w  teorii  statecz- n oś ci. 4. Wnioski An alizują c  wyniki  przedstawion ej  pracy  zaobserwowan o  wystę powanie  silnego  sprzę - ż en ia  ru c h ó w  podł uż n ych  i  boczn ych  ś migł owca.  Wyn ika  z  tego,  że  m echan ikę   lotu  ś mig- ł owca  jed n o wirn iko wego  należy  w  jej  dokł adniejszym  uję ciu  rozpatrywać  zgodnie  z  zasa- d am i  ru c h u przest rzen n ego. Sprzę ż enie ruch ów podł uż n ych i  bocznych wskazuje  n a potrzebę wł ą czen ia  w  p rawa  sterowan ia  w  kan ał ach  pochylan ia  i  wysokoś ci  param etrów  ruchów boczn ych ,  a  w  kan ale  przech ylan ia  —  param etrów  ruch ów  podł uż n ych.  P ozwolił oby  to SP RZ Ę Ż EN IE  RU CH ÓW  Ś MIG Ł OWCA  157 uprzedzić  zaburzen ia  wynikają ce  ze  sprzę ż eń  i  polepszyć  jakość  stabilizacji.  Ten  sposób sterowania  n ie  jest  wykorzystan y  w  prawach  sterowan ia  (l)- r- (4),  opracowan ych  wed- ł ug  prac  z  lat  70- tych  [6  i  in .]. Z  powodu  wystę powan ia  sprzę ż eń  ruchów  przestrzennych  kadł u ba  i  wirn ika  n oś- nego  celowe  był oby  rozważ en ie  moż liwoś ci  wł ą czenia  param etrów  ką towych  ruch u  wir- nika  do  praw  sterowan ia  ś migł owcem  w  kan ał ach  poch ylan ia  i  przech ylan ia. P rzedstawiony  m odel  m atem atyczn y  może  być  przydatn y  przy  poszukiwan iu  sposo- bów  eliminacji  drgań ,  przen oszon ych  z  wirn ika  na  kad ł u b.  Jeś li  okaże  się  n iezbę dn e, analizując  czę stoś ci  wspólnych  drgań  kadł uba  i  wirn ika  m oż na  otrzym ać  wskazan ia co  do  doboru  param et ró w  dynam icznego  tł um ika drgań ,  m on towan ego  d o  gł owic  n iektó- rych  ś migł owców  ( n p .  Sikorsky,  Lynx). Literatura 1.  JAN KOWSKI  K., Modelowanie  fizyczne  i  matematyczne  wł asnoś ci dynamicznych  sterowanego  ś migł owca w mchu przestrzennym,  R ozprawa doktorska, P olitechnika Warszawska, Warszawa  1982, 2.  JAN KOWSKI  K.,  Metodyka  wyznaczania  parametrów  ruchu  ustalonego  ś migł owca  na przykł adzie  lotu poziomego  i  zawisu,  M ech.  Teoret.  i  Stos., T. 23, z.  3/ 4, Warszawa 1985. 3.  JAN KOWSKI K.,  M AR YN I AK  J., Modelowanie matematyczne  automatycznie sterowanego ś migł owca  w  ruchu przestrzennym,  M ech.  Teoret.  i  Stos., T. 23, z.  3/ 4, Warszawa 1985. 4.  N EJMARK J.. I ., F U AI E N . A., Dynamika  ukł adów nieholonomicznych, P WN , Warszawa 1971. 5.  EcAyjioB  C . I O . J  BAXOB  O . I I . 3  J^MHTPUEB  H . C . , Bepmonem KOK o6z,eKinynpaejieHUM,  MaimiHOCT- poeHHe,  MocKBa 1977. 6.  KctfKEBHHKOB  B . A. ,  AemoMamimecKan  cma6iiAU3auuH  eeptno/ ietnoe,  M aruH H ocTpoeH H ej  M ocKBa 1977. P  e  3  io  M  e COnPJD KEH H E  ITPOCTPAH CTBEH H BIX  flBICKEH U B  BEP TOJIETA  B  YC TAH OBH B- U IEMCJI  n P H M O JI H H E fł H OM  rO P H 3O H T AJI LH O M   IJ.OJIETE AHajiH3  pe3yji£»TaT0B  MaTeiwaTiraecKoro  MOflejrapoBainiH   u  ManiHHHbix  Bbi^H cneH H H   noiKfly  npoflonbHWM   H   6OK OBŁ IM flBiOKeH H JiM U  cpio3enfl>Ka  BepToJieia B  npocTpaHCTBe  H  con pH wen H H   mewny  HBHHKeT Sbnh  HCnojrt3OBaHa  i r p n  pa3pa6oTice  cn ocoSoB  3amH TLi  OT B H 6 - nepeflaBaeM bix  c  H ecym ero  BHHTa  Ha  t|)i03ejiH>K. S u m m a r y COU PLIN G S  BETWEEN   TH REE- D IM EN SION AL  MOTION S  OF  A  H ELIC OP TER IN   T H E STEAD Y  RECTILIN EAR  H ORIZON TAL  F LI G H T Analysis  of  the  mathematical  modelling  effects  and  machine  computation  results  shows  existence of  couplings  between  fuselage  longitudinal  and lateral  motions  and  couplings  between  motions  of  th e different  helicopter  elements:  fuselage,  main  rotor  blades,  tail  rotor  blades.  It  implicates  the need  for 158  K.  JAN KOWSKI, J.  M ARYN IAK including  all  fuselage  states  in  each  control channel  of  the  helicopter  stabilization  system.  It  seems  to be interesting  t o consider t h e possibility  of  including rotor states  in the control channels. M athematical model presented  here  can  be  useful  in  the engineering  development  of  main  rotor  —  fuselage  coupled  vibration absorbers. Praca  został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia  12  lutego  1985  roku