4.7 Аэродинамическая сила на летательный аппарат с вертикальной плоскостью симметрии и аэродинамическими рулями управления

Данный элемент позволяет моделировать аэродинамическое воздействие на летательный аппарат (ЛА) с аэродинамическими рулями управления произвольной конфигурации, имеющего вертикальную плоскость симметрии. Аэродинамические характеристики (АДХ) задаются в файле формата «*.xml».

Синтаксис метода создания

aerodynamics7(Flow, Body, NodeAero, File, deltaR = list(Sensor1, …), pointFlow =…, existBottomResistance=…, work=..., color=..., visible=...)

Обязательные позиционные параметры

medium Flow

Среда, которая воздействует на звено.

body Body

Имя звена, на которое действует аэродинамическая сила.

node NodeAero

Исходный базовый узел задания аэродинамических коэффициентов. Ось X узла должна быть направлена вдоль оси симметрии ЛА. Плоскость XY узла должна совпадать с вертикальной плоскостью симметрии ЛА. Ось Y должна быть направлена вверх. Копия этого узла NodeAero* прикрепляется к звену и используется при расчете аэродинамических сил.

string File

Строка с адресом файла, содержащим таблицы, задающие АДХ.

Формат файла описан ниже.

list deltaR = list(sensor Sensor1, …)

Список углов отклонения аэродинамических рулей.

Необязательные именованные параметры метода

pointFlow = point

Точка взаимодействия звена со средой. Копия этой точки pointFlow* прикрепляется к звену. В точке pointFlow* определяются параметры набегающего потока, визуализируются сам силовой элемент и векторы его аэродинамических сил и моментов.

По умолчанию, если параметр pointFlow не задан, точка взаимодействия звена со средой совпадает с центром узла NodeAero*.

existBottomResistance = sensor[-]

Наличие донного сопротивления. По умолчанию и при значении датчика «0» донное сопротивление отсутствует, при любом другом присутствует.

work =..., color =..., visible =...

Параметры являются общими для всех методов создания силовых элементов и описаны в пункте «Необязательные именованные параметры всех методов создания» общей части раздела «Силовой элемент (force)» главы «Основные объекты» книги «Описание объектов многокомпонентной механической системы».

Внутренние системные объекты

sensor alpha [angle]

Угол атаки.

sensor beta [angle]

Угол скольжения.

sensor velocity [length/time]

Скорость звена относительно среды в точке взаимодействия звена со средой.

sensor Mach [-]

Число М равное отношению скорости звена относительно среды к скорости звука в ней.

Формат файла данных

Все данные задаются в файле формата «*.xml». Содержимое файла обрамляется открывающим тегом <Aero_SY> и закрывающим тегом </Aero_SY>. В открывающем теге обязательно должны быть заданы атрибуты

, имеющие значения и размерность характерной аэродинамической площади ЛА, характерного аэродинамического размера ЛА и плеча действия силы вокруг оси OX соответственно.

АДХ, зависящие только от числа Маха

, задаются в таблице с тегом <CxmW> в формате файла TBL. Значения должны быть отсортированы по возрастанию числа

. Таблица должна иметь следующие столбцы, приведенные в строгой последовательности, представленной ниже:

M – число Маха

;

Cx0 – коэффициент продольной силы

;

Cd0 – коэффициент донного сопротивления

;

mxWx – производная коэффициента демпфирующего момента по безразмерной угловой скорости относительно оси OX

;

myWy – производная коэффициента демпфирующего момента по безразмерной угловой скорости относительно оси OY

;

mzWz – производная коэффициента демпфирующего момента по безразмерной угловой скорости относительно оси OZ

Таблицы c аэродинамическими коэффициентами, зависящими числа Маха

, от угла атаки

или угла скольжения

в заданных диапазонах углов отклонения рулей

, задаются в формате файла TB2. Теги этих таблиц должны совпадать с обозначениями величин:

Cy – коэффициент нормальной силы

, действующей вдоль оси OY;

Cz – коэффициент боковой силы

, действующей вдоль оси OZ;

mX – коэффициент статического момента относительно оси OX

;

mY – коэффициент статического момента относительно оси OY

;

mZ – коэффициент статического момента относительно оси OZ

Данные должны располагаться по возрастанию числа

сверху вниз, и по возрастанию

или

слева направо. Таблицы в XML-файле могут располагаться в любом порядке.

Промежуточные значения заданных величин определяются при помощи линейной интерполяции. При выходе числа

за пределы заданного диапазона значения всех коэффициентов принимаются равными при крайних значениях числа

Угол атаки изменяется в диапазоне

, а угол скольжения в диапазоне

. Поэтому для корректного моделирования необходимо задавать значения коэффициентов во всем диапазоне изменения данных углов. Иначе, при выходе за пределы заданного диапазона, значения будут определяться с помощью линейной интерполяции.

Перечисленные выше таблицы в зависимости от

или

, и

, кроме

, могут иметь один из следующих атрибутов:

dY – угол отклонения руля высоты

, значения для которого введены в таблице;

dZ – угол отклонения руля направления

, значения для которого введены в таблице.

При отсутствии какого-либо атрибута считается, что соответствующий ему угол равен нулю.

Файл данных обязательно должен содержать секции со следующими таблицами:

, определенную при

;

, определенную при

;

, определенную при

;

, определенную при

;

, определенную при

;

, определенную в диапазоне

при

;

, определенную в диапазоне

при

;

, определенную в диапазоне

при

;

, определенную в диапазоне

при

Принимается, что в секциях, содержащих данные для первых 5 приведенных выше функций, никакие атрибуты не указываются. В остальных секциях необходимо указывать только атрибут для одного угла, не равного нулю.

Для корректного моделирования необходимо задать таблицы для коэффициентов

в положительном и отрицательном диапазоне

. В случае отсутствия таблицы в положительном или отрицательном диапазоне, значение коэффициента будет результатом экстраполяция между нулевым и ближайшем к нулю имеющимся значением угла. Если угол отклонения руля выходит за пределы заданных таблиц, то значение коэффициента будет результатом экстраполяции между двумя ближайшими таблицами.

Пример файла данных

<Aero_SY Sa="0.01 [ m2 ]" La="1 [ m ]" b="100 [ mm ]">

<CxmW>

6 //число столбцов данных (1 аргумент + N функций)

M [] //Число Маха

Cx0 [] //Коэфф-т продольного сопротивления

Cd0 [] //Коэфф-т донного сопротивления

mxWx [] //Коэфф-т производной демпф. момента крена

myWy [] //Коэфф-т производной демпф. момента рыскания

mzWz [] //Коэфф-т производной демпф. момента тангажа

//M Cx0 Cd0 mxWx myWy mzWz

1.2 0.720 0.072 -0.00086 -1.580 -1.580

4 0.350 0.035 -0.00044 -0.980 -0.980

</CxmW>

<mx>

3 //Количество столбцов значений функции

mx [] //Коэфф-т продольной силы (функция)

dX [deg] //Угол отклонения по крену (столбцы)

0 5 15 //Значения dX для столбцов

M [] //число Маха (строки)

//М \ dX 0 5 15

1.2 0.0 0.00200 0.00278

4 0.0 0.00132 0.00147

</mx>

5 //Количество столбцов значений функции

Cy [] //Коэфф-т нормальной силы (фукнция)

alfa [deg] //Угол атаки (столбцы)

-15 -5 0 5 15 //Значения alfa для столбцов

M [] //число Маха (строки)

//М \ alfa -15 -5 0 5 15

0.0 1.50 1.056 -0.462 -1.056 -1.50

0.6 1.50 1.056 -0.462 -1.056 -1.50

1.2 1.70 1.242 -0.554 -1.242 -1.70

4 1.40 0.864 -0.345 -0.864 -1.40

</Cy>

<…>

…

</…>

</Aero_SY>

Математическая модель

Все АДХ задаются в связанной системе координат (СвСК) OXYZ. Предполагается, что ЛА имеет вертикальную плоскость симметрии. Он обладает аэродинамическими рулями управления, которые имеют произвольную конфигурацию. Аэродинамические коэффициенты зависят от отклонения рулей по трем каналам управления:

– угол отклонения руля высоты (управление в канале тангажа);

– угол отклонения руля направления (управление в канале рыскания);

– угол отклонения рулей крена (управление в канале крена).

В качестве исходных данных в зависимости от числа Маха

и одного из параметров – угла атаки

, угла скольжения

или угла отклонения по крену

, задаются следующие величины в диапазонах углов

– коэффициент продольной силы, действующей вдоль оси OX, при

;

– коэффициент донного сопротивления при

;

– производные коэффициентов демпфирующих моментов, действующих вдоль соответствующих осей;

– коэффициент статического момента крена;

– коэффициент нормальной силы, действующей вдоль оси OY;

– коэффициент боковой силы, действующей вдоль оси OZ;

– коэффициент статического момента рыскания;

– коэффициент статического момента тангажа.

Все АДХ определены относительно характерной аэродинамической площади

и характерной аэродинамической длины

ЛА.

Коэффициент продольной силы

рассчитывается по формуле:

где

– индикатор действия донного сопротивления, на активном участке полета (при работающей ДУ)

, на пассивном участке полета (при выключенной ДУ)

;

– добавок от поворота рулей на

;

– добавок от поворота рулей на

;

– добавок от поворота рулей на

Добавок от поворота рулей на

вычисляется по формуле:

где

– зависимость

при нулевых значениях

;

– плечо действия силы, создающей момент вокруг оси OX.

Добавок от поворота рулей на

вычисляется по формуле:

где

– зависимость

при нулевых значения

;

– зависимость

при нулевых значения

Добавок от поворота рулей на

вычисляется по формуле:

где

– зависимость

при нулевых значениях

;

– зависимость

при нулевых значениях

Коэффициент статического момента крена

рассчитывается по формуле:

Остальные коэффициенты заданы соответствующими таблицами:

;

Все параметры взаимодействия звена со средой определяются в точке pointFlow*, если она задана. Иначе в центре узла NodeAero*.

Силы и моменты, действующие на ЛА, определяются следующим образом.

Продольная сила вдоль оси OX:

где

– скоростной напор.

Нормальная сила вдоль оси OY:

Боковая сила вдоль оси OZ:

Момент крена:

где

– угловая скорость ЛА относительно оси OX;

– скорость полета ЛА.

Момент рыскания:

где

– угловая скорость ЛА относительно оси OY.

Момент тангажа:

где

– угловая скорость ЛА относительно оси OZ.