Том 17, № 2 (2018)

Рассматривается синтез системы управления беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с мягким крылом, к которым относятся параплан, аэрошют и паралёт. Приведено описание и показана схема БПЛА, рассматриваются силы и моменты, действующие на него в продольной плоскости. Математическая модель движения БПЛА описывается в связанной системе координат. Непосредственно управление осуществляется двигателем тяги. Двигатель тяги устанавливается на БПЛА так, чтобы направление силы тяги действовало вдоль оси OX в плоскости OXY. Предлагается формировать закон управления по высоте через момент силы тяги. Это даёт преимущество в том, что он будет стабилизировать угловую скорость и угол тангажа. Для синтеза системы управления и стабилизации применяется метод бэкстеппинга. Согласно этому методу задача разработки закона управления для всей системы разбивается на последовательность соответствующих подзадач до подсистем меньшего порядка. Алгоритм бэкстеппинга заключается в том, чтобы сделать каждый интегратор объекта устойчивым путём добавления обратной связи. Полученное управление учитывает нелинейность объекта и зависит от вектора состояния. Основные преимущества полученного регулятора: система устойчива в больших пределах входных значений; варьируя коэффициенты регулятора, можно подобрать желаемые характеристики качества управления. Приведены результаты численного моделирования в среде MATLAB движения БПЛА с полученным регулятором.

Предложен метод эквивалентных испытаний на малоцикловую усталость, основанный на использовании опытных образцов, напряжённо-деформированное состояние которых должно быть подобно состоянию исследуемой детали. В качестве критерия подобия напряжённо-деформированных состояний образцов и детали используется коэффициент жёсткости напряжённого состояния. При невозможности достичь полного подобия предложен коэффициент соответствия интенсивностей деформаций образцов и деталей. На примере диска компрессора низкого давления газотурбинного двигателя проведена апробация метода. В качестве эквивалентных образцов использовались образцы круглого поперечного сечения с     V-образным концентратором. Испытания проводили: образцов – при растяжении-сжатии по отнулевому циклу, дисков – на специализированном стенде при раскрутке до 5000 оборотов в минуту. Разработанный метод эквивалентных испытаний позволяет прогнозировать малоцикловую долговечность крупногабаритных ответственных деталей, натурные испытания которых невозможны. Метод может быть применён также для оценки долговечности деталей в многоцикловой области и прогнозирования длительной прочности. На основе полученных в работе зависимостей можно проводить проектирование и совершенствование конструкции деталей: по заданной долговечности определять допускаемую величину интенсивности деформаций в наиболее нагруженной зоне детали.

Рассматриваются вопросы поверхностного упрочнения зеркала гидроцилиндров авиационной техники из титановых сплавов методом электроискрового легирования разрядами малой энергии. Для обеспечения функциональных свойств поверхностного слоя зеркала применялись легирующие электроды из графита. Образующийся карбооксидный слой представляет собой мелкодисперсную структуру сложного состава (карбиды, оксиды титана, включения графита) толщиной 3…10 мкм с высокими твёрдостью и антифрикционными свойствами. Легирование графитовыми электродами практически не изменяет размеры деталей. Последующее выглаживание упрочненных поверхностей снижает величину коэффициента трения, шероховатость поверхности. Залечивание микротрещин и других дефектов повышает усталостную прочность изделия. Разработанная технология позволяет обеспечить комплекс свойств, предъявляемых к рабочим поверхностям гидроцилиндров и увеличить их ресурс.

Биологический модуль «BiNOM» предназначен для проведения многоцелевых биомедицинских экспериментов в космосе с широким спектром биологических объектов (бактерии, водоросли, грибы, растения, многокомпонентные биосистемы). Модуль разработан для использования в качестве полезной нагрузки наноспутников семейства SamSat и может быть установлен на любых других космических аппаратах. Биомодуль является законченным изделием и включает в себя камеру биологического объекта, системы жизнеобеспечения, управления и контроля, размещённые в герметичном корпусе. Взаимодействие модуля «BiNOM» с электронными системами наноспутника осуществляется с помощью одного четырёхконтактного разъёма. Система жизнеобеспечения поддерживает в камере биообъекта требуемые температуру, давление, влажность и газовый состав. Система управления позволяет в автоматическом режиме по заданной программе или по командам с наземного пункта управления проводить биомедицинские эксперименты. Система контроля предназначена для измерения параметров окружающей среды и биологического объекта. Система контроля обеспечивает мультиспектральную визуализацию биообъектов, регистрацию флуоресценции, измерение температуры и влажности в нескольких точках, давления, концентрации кислорода и углекислого газа. Предусмотрена возможность подключения дополнительных датчиков в зависимости от целей эксперимента.            Изготовлен опытный образец биомодуля и выполнен ряд тестов, подтвердивших верность предложенных технических решений. В частности, испытания в вакуумной камере показали, что потеря давления в герметичном корпусе биомодуля не превышает 20% от первоначального в течение года. Был выполнен ряд биологических экспериментов, продемонстрировавших возможность инициализации, роста и поддержания жизнедеятельности различных биологических объектов в течение длительного, до двух месяцев, периода.

Приведены результаты экспериментального определения динамического поведения малого космического аппарата (МКА) «АИСТ-2Д». Проведено сравнение полученных экспериментальным путём модальных характеристик (собственных форм и частот) с расчётными модальными характеристиками конечно-элементной модели объекта. Экспериментальное определение собственных форм и частот проводилось с помощью метода сканирующей лазерной виброметрии, расчётный модальный анализ – методом конечных элементов с использованием пакета конечно-элементного анализа MSC Patran/Nastran. Сформулированы цели и задачи, приведено описание основных этапов модального анализа. Для получения достоверных нагрузок, действующих на элементы космических аппаратов, требуется уточнение их конечно-элементных моделей. В процессе испытаний выделены целевые резонансные частоты колебаний объекта испытаний в диапазоне от 5 до 130 Гц, так как в этом диапазоне находятся интересующие первые тона конструкции. Так как МКА имеет большое количество неопределённостей в жесткостных параметрах элементов конструкции, погрешность определения собственных частот на первой стадии исследования доходила до 45,75%, что подтверждает необходимость проведения модальных испытаний. Полученные в результате проведения работ динамические характеристики элементов конструкции МКА позволят создавать более точные динамические модели на этапе проектирования, что повысит точность расчётов нагружения.

За счёт модификации рабочей поверхности изделий путём нанесения на неё защитных и функциональных покрытий можно существенным образом изменить механические, оптические, электрические, магнитные, тепловые и химические свойства исходного конструкционного материала, его реальную поверхность, получая изделия с защитными, например, антикоррозионными, износостойкими и прочими свойствами. Исследуется возможность усовершенствования узлов трения силовых установок летательных аппаратов путём нанесения напыляемых покрытий из наноструктурированных керамических композитов. В качестве прототипа узла трения взят тяжелонагруженный подшипник в составе редуктора привода винтовентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя. Оцениваются преимущества и недостатки усовершенствованных узлов трения по отношению к серийным образцам и их прототипам, выполненным по улучшенной серийной технологии. Приводятся результаты, полученные при выполнении экспериментальных работ. Сделан положительный вывод о применении наноструктурированных композиционных материалов при разработке узлов трения и определён наиболее благоприятный способ нанесения покрытия.

Традиционно листовая штамповка осуществляется в холодном состоянии обрабатываемой заготовки. При этом ввиду ограниченной пластичности заготовки штамповка деталей сложной формы производится за несколько технологических переходов, что значительно повышает себестоимость их производства. Статья посвящена разработке и исследованию устройства, обеспечивающего штамповку деталей с нагревом обрабатываемой заготовки. Устройство содержит матрицу и рабочий цилиндр, между которыми располагается штампуемая заготовка, а также камеру сгорания, отделённую от рабочего цилиндра поршнем. Нагрев листовой заготовки и её штамповка осуществляются в два этапа в течение 1…2 с   воздействием на неё продуктов сгорания газовых смесей. На первом этапе нагрев и деформирование заготовки производится воздействием продуктов сгорания, образующихся в полости матрицы  и рабочем цилиндре, а на втором – за счёт энергии продуктов сгорания, образующихся в камере сгорания. Проведено исследование рабочего процесса разработанного устройства. Установлены закономерности изменения давления и температуры газа, осуществляющего нагрев и деформирование штампуемой заготовки. Найдены оптимальные соотношения объёмов камеры сгорания и рабочего цилиндра. В разработанном устройстве, благодаря нагреву заготовки, обеспечивается штамповка деталей сложной формы за одну технологическую операцию. По сравнению с существующими аналогами в данном устройстве давление на поверхности обрабатываемой заготовки в 2…3 раза выше, что обеспечивает штамповку деталей большой толщины, а также деталей из труднодеформируемых сплавов.

Приведён обзор отечественных и зарубежных методик расчётной оценки тепловыделения в радиально-упорных шарикоподшипниках. Рассмотрены методики для подшипников общего применения и методики определения тепловыделения в авиационных шарикоподшипниках. Для подшипников общего применения рассмотрены методики, принятые на фирмах-производителях подшипников FAG (Германия) и SKF (Швеция). Для авиационных подшипников рассмотрены методики, разработанные в КАИ, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и на фирме MTU (Германия). Представлены результаты тепловыделения при испытании подшипников 126206 (30×62×16 мм) и 176126 (130×200×33 мм). Проведено сравнение расчётных значений тепловыделения, полученных по различным методикам, с экспериментальными данными. В результате выполненных исследований определены методики, которые дают наиболее близкие к экспериментальным расчётные значения тепловыделения в щарикоподшипниках и могут быть использованы для оценки тепловыделения в авиационных подшипниках качения при подаче масла через форсунки.

Пористые, в том числе насыпные, материалы широко применяются при очистке жидких и газообразных сред от механических примесей в качестве теплоизолирующих материалов, рабочих тел разнообразных технологий машиностроения, энергетики, металлургии, химии, нефтехимии и т.д. Целью работы является математическое моделирование переноса тепла в дисперсных насыпных средах, их плавления, получение инженерных оценок ряда важных для практики показателей. Рассматривается насыпная дисперсная среда, состоящая из твёрдых частиц (кусков) разной формы, размеров и состава, хаотически расположенных относительно друг друга. Приводятся соотношения для определения эффективной плотности, теплоёмкости, теплопроводности с учётом лучистого теплообмена между частицами (кусками) применительно к насыпным пористым материалам. С использованием полученных зависимостей решается модельная задача о нагреве и последующем плавлении рассматриваемой дисперсной среды. Оцениваются скорость плавления и время релаксации, в течение которого система, состоящая из расплава и кусков, приходит в термодинамическое равновесие. Предложенный подход можно обобщить на двух- и трёхмерные случаи и применить для математического описания теплового поведения неметаллических пористых материалов.

Рассмотрено создание web-приложений на примере разработки многопользовательского
web-интерфейса для автоматизированного поиска решений систем нелинейных уравнений в пакете Django. Автоматизированная система реализована на языке программирования Python. Предлагается создание web-приложения, основанного на технологии «клиент-сервер», где клиентская часть реализует пользовательский интерфейс, формирует запросы к серверу и обрабатывает ответы от него. Серверная часть получает запрос от клиента, выполняет необходимые вычисления и после этого формирует web-страницу и отправляет её клиенту по сети. Показаны преимущества такого подхода перед обычным программным обеспечением. Разработанное приложение позволяет решать системы нелинейных уравнений любой размерности, сохранять решения на сервере и персональном компьютере. В системе заложена возможность визуализации пошагового хода решения и построения графиков. Проведено исследование работоспособности системы на реальных данных для расчёта параметров газотурбинных двигателей и использования полученных результатов для построения их трёхмерных моделей.