Том 21, № 3 (2022)

Описано решение комплексной задачи по определению оптимальных параметров и схемы двигателя для силовой установки перспективного ударного беспилотного летательного аппарата по разработанной авторами методике с использованием авторской комплексной математической модели и известного метода непрямой статистической оптимизации на основе самоорганизации. При этом показаны основные аэродинамические и лётно-технические характеристики исследуемого беспилотного летательного аппарата, рассчитанные по инженерным методикам, а также параметры и характеристики его силовой установки, рассчитанные с использованием авторского алгоритма, реализованного в комплексной математической модели. Также представлены результаты параметрических исследований на примере оценки влияния степени двухконтурности на характеристики силовой установки и параметры исследуемого беспилотного летательного аппарата. Описан процесс проведения оптимизационных исследований системы «беспилотный летательный аппарат – силовая установка» с двухконтурным турбореактивным двигателем со смешением потоков контуров за турбиной. При этом особое внимание уделено постановке задачи оптимизации, выбору критериев и варьируемых переменных, а также анализу полученных результатов путём сравнения эффективности исследуемой системы с разными схемами двигателей по критериям самолётного уровня: максимальной дальности по двум сформированным программам полёта.

Современными методами вычислительной гидродинамики проведено исследование течений с массоподводом в осесимметричных каналах твёрдотопливных зарядов ракетных двигателей. Исследования проводились с целью повышения точности прогнозирования внутрибаллистических параметров для выполнения инженерных расчётов. Проведён анализ изменения внутрибаллистических характеристик в проточной части канального заряда в классической и бессопловой схемах ракетного двигателя твёрдого топлива при различной скорости газоприхода с поверхности горения. Для изобарной камеры сгорания показан характерный профиль скорости по каналу заряда и при наличии внезапного расширения. Показано, что для установившегося косинусоидального профиля продольной скорости после внезапного расширения канала требуется протяжённость более трёх калибров. Для скоростной камеры сгорания проведено сопоставление профиля продольной скорости в зависимости от скорости потока при разных условиях газоприхода и отмечена тенденция влияния скорости потока на характер профиля. Показано, что при числе Маха более 0,5 увеличение газоприхода с поверхности заряда обеспечивает менее наполненный профиль скорости, стремящийся к косинусоидальному. Показаны отличия потерь давления в проточной части канального заряда, рассчитанные в осесимметричном приближении, от потерь, определённых с применением газодинамических функций. Увеличение скорости газоприхода в канале заряда ракетного двигателя твёрдого топлива бессопловой схемы способствует уменьшению потерь давления при числе Маха более 0,8.

Рассматривается задача формирования кольцеобразной вращающейся тросовой группировки, состоящей из трёх наноспутников. Для анализа динамики тросовой системы используется математическая модель, построенная в подвижной орбитальной системе координат методом Лагранжа. С применением метода скользящих режимов предложены две программы управления для развёртывания тросов, в которых в качестве управлений используются силы натяжения тросов и реактивные силы, создаваемые двигателями малой тяги. В первой программе управляющие воздействия непосредственно ограничены допустимыми пределами изменения сил натяжения тросов и реактивных сил, а при построении второй программы в систему управления вводится вспомогательная динамическая система, которая вводит поправки к управлению, учитывающие эффект насыщения. Устойчивость движения тросовой группировки для обеих программ управления исследуется с использованием теории Ляпунова. Приводятся результаты численных расчётов, подтверждающие возможность использования предлагаемых программ управления для формирования тросовой группировки в виде вращающегося правильного треугольника при наличии возмущений и с учётом заданных ограничений.

Представлена инновационная методология мониторинга жизненного цикла поверхностных слоёв с покрытием, нанесённым методом вакуумной ионно-плазменной обработки. Предложена динамическая модель, основанная на гипотезе о том, что шероховатость является как фактором, возбуждающим механические колебания, так и следствием этих колебаний. При этом шероховатость изменяется в результате износа под воздействием локальных динамических сил. Показано, что пара трения представляет нелинейную систему со сложными обратными связями. Её стационарное движение может рассматриваться как странный аттрактор. Рандомность движения в окрестности предельного цикла обусловлена наличием в модели звена постоянного запаздывания, охваченного жёсткой положительной обратной связью. В результате происходит постоянная перенастройка амплитуды и фазы колебаний.

При разработке моделей ответственных изделий машиностроения требуется решение динамических задач с учётом изменения размерных цепей звеньев в процессе функционирования механизмов. Предложена методика расчёта динамических размерных цепей применительно к решению прямых и обратных задач. Решение прямой задачи приводится при условиях, что поле рассеяния замыкающего звена включает погрешности изготовления, связанные с изменением размеров исходных звеньев под действием эксплуатационных нагрузок. Для получения величины скорости изнашивания деталей предложено использовать эмпирические зависимости связи интенсивностей изнашивания и образования водорода в процессе взаимодействия материалов.

Износ боковых поверхностей зубьев редукторов авиационных газотурбинных двигателей является распространённым и наиболее опасным их дефектом. Практика показывает, что наиболее эффективным методом контроля технического состояния роторных машин, в том числе зубчатых зацеплений, является виброакустическая диагностика. Использование широко применяемого диагностического признака износа боковых поверхностей зубьев зубчатого зацепления в виде интенсивности n-мерного вектора гармонического ряда от ряда зубцовых гармоник в рассматриваемом случае затруднительно. Это связано с необходимостью измерения параметров вибрации в широком диапазоне частот и низкой интенсивностью высших зубцовых гармоник. Факторы, влияющие на величину кинематической погрешности, такие как: технологические (погрешности изготовления и сборки), режимные (частота вращения, температура, передаваемая нагрузка), конструктивные (податливость деталей зубчатого зацепления, модификация боковой поверхности зубьев) и износ боковых поверхностей зубьев, приводят к существенному росту ширины зубцовой спектральной составляющей. Это позволило предложить диагностические признаки износа на основе анализа изменения её ширины. На примере дифференциального редуктора турбовинтового двигателя экспериментально подтверждено, что использование автоспектра с шириной фильтра много меньше ширины зубцовой спектральной составляющей малоэффективно при исследовании рассматриваемого дефекта. Более чувствительны к износу характеристики спектральной составляющей первой зубцовой гармоники в виде её ширины на выбранных уровнях относительно максимального значения и их комбинаций, интенсивности зубцовой гармоники, определённой в функции спектральной плотности мощности. Полученные зависимости предложенных параметров от величины износа имеют явно выраженный нелинейный характер. Предложенные диагностические признаки позволяют в несколько раз сократить исследуемый частотный диапазон.