Кохштедт, Германия (SPX), 21 августа 2023 г. –

Группе исследователей в Европе удалось преодолеть важную проблему аэроупругости – подавление явления флаттера в конструкции самолета с помощью активной системы управления. Этот подвиг был продемонстрирован в летной кампании с использованием специально сконструированного беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Команда, состоящая из Немецкого аэрокосмического центра, Института компьютерных наук и управления (SZTAKI) из Венгрии, Французской аэрокосмической лаборатории (ONERA) и Мюнхенского технического университета (TUM) из Германии, получила финансирование в рамках программы EU Horizon 2020. Успешные летные испытания прошли в Национальном экспериментальном испытательном центре беспилотных авиационных систем, принадлежащем DLR и расположенном в Кохштедте, Германия.

Флаттер в самолетах
Самолеты проектируются с использованием технологий, которые позволяют сделать конструкцию легкой и сократить выбросы углекислого газа за счет снижения расхода топлива. Следовательно, конструкции самолетов являются гибкими, то есть деформируются под воздействием аэродинамических нагрузок. Тенденции в области улучшения материалов и конструкции позволят будущим самолетам стать еще легче, что еще больше повысит их гибкость.

Это взаимодействие между структурной деформацией и аэродинамикой называется аэроупругостью. С ростом гибкости в определенных явлениях начинает участвовать структурная динамика самолета, то есть характеристики его вибрации. При определенных условиях взаимодействие между вибрациями конструкции самолета и окружающим его потоком воздуха может стать нестабильным.

Это хорошо известное аэроупругое явление, называемое «флаттером», может привести к катастрофическому отказу из-за быстрого увеличения амплитуды вибрации. Следовательно, конструкция самолета должна быть спроектирована таким образом, чтобы флаттер никогда не мог возникнуть на максимальной эксплуатационной скорости или ниже ее со значительным запасом. Это важнейшее требование накладывает значительные ограничения на облегчение конструкции самолета.

В рамках проекта «Аэро-серво-упругие методы проектирования самолетов, адаптивные к фазе полета» (FliPASED) одной из основных целей было подавление флаттера активными средствами за счет использования бортовых поверхностей управления, датчиков и алгоритмов интеллектуального управления. Целью было выяснить, в какой степени этот принцип активного подавления флаттера обеспечивает новую свободу проектирования для дальнейшего снижения структурного веса самолета.

Реализация этой цели включала в себя следующие ключевые задачи: i) разработка методов и инструментов для точного гибкого моделирования самолетов, ii) разработка алгоритмов управления самолетом, обеспечивающих возможность полета за пределами расчетной скорости флаттера, и iii) апробация разработанных инструментов и методов на безопасном и безопасном уровне. доступная экспериментальная испытательная платформа.

БПЛА T-FLEX и P-FLEX
БПЛА T-FLEX был разработан в рамках более раннего европейского исследовательского проекта — Flutter Free Flight Envelope eXpansion (FLEXOP). Смысл создания такого демонстратора заключается в том, что различные технологии можно протестировать относительно быстро и безопасно на испытательном стенде, за небольшую часть затрат на адаптацию летающего коммерческого самолета и без риска для человеческой жизни. Вторая версия БПЛА, P-FLEX, использовалась для тестирования активного управления флаттером. В качестве дополнительного устройства безопасности во время летных испытаний была также реализована система флаттера, управляемая пилотами, как важная функция безопасности.

Летные испытания в Кохштедте
Летные испытания на флаттер - это критическая оценка самолета для оценки его аэроупругой устойчивости. Он включает в себя проведение контролируемых и систематических испытаний самолета для оценки его характеристик в различных условиях полета. Испытание на флаттер является важной вехой в сертификационной кампании каждого самолета, поскольку оно помогает выявить и снизить риск флаттера, который, если не принять меры, может привести к катастрофическому разрушению конструкции.

Целью кампании летных испытаний флаттера было подтверждение прогнозируемой скорости флаттера с разомкнутым контуром (скорость флаттера без использования активных контроллеров флаттера) и демонстрация двух активных контроллеров подавления флаттера, превышающих эту скорость флаттера с разомкнутым контуром. Команды всех партнеров проекта присутствовали на неделе испытаний, поскольку было ясно, что успех летных испытаний флаттера будет возможен только благодаря усилиям междисциплинарной команды.

Процедура летных испытаний
Неделя началась с интенсивной командной работы по обновлению аэроупругих моделей с использованием последних данных испытаний на вибрацию земли (GVT). На основе этих моделей были использованы различные методы анализа для проверки ожидаемого поведения флаттера и максимально точного прогнозирования фактической скорости флаттера. В механизме флаттера использовалась обычная изгибно-крутильная муфта, которая, как вполне можно было ожидать, стала нестабильной на скорости 56 метров в секунду. Далее модель использовалась для подготовки контроллеров к летным испытаниям посредством большого количества симуляций.

На основе этих результатов был разработан план летных испытаний. Было решено провести летные испытания по разомкнутому контуру на постоянной высоте с увеличением скорости полета. Самолет был подготовлен, а система автопилота позволяла самолету поддерживать заданные скорости полета. Результаты управляемых данными алгоритмов оперативного модального анализа (OMA) от летных испытаний с разомкнутым контуром на скорости 54 метра в секунду подтвердили возникновение явления связи между режимами симметричного изгиба крыла и кручения крыла, предсказанного имитационными моделями. Кроме того, было замечено, что демпфирование критического режима флаттера уменьшилось до уровня менее одного процента от аэроупругого демпфирования, что указывает на то, что скорость 54 метра в секунду действительно находится на границе диапазона стабильного полета.

Полет сверх скорости флаттера
Следующим логическим шагом было тестирование активных контроллеров флаттера. Были разработаны два различных активных контроллера флаттера — структурированный контроллер H-бесконечности и H2-оптимальная конструкция управления смешанным входом-выходом. Было принято решение провести специальные летные испытания для каждого диспетчера, в ходе которых самолет должен был превысить прогнозируемую скорость флаттера 56 метров в секунду.

Аэропорт, пожарные и команда FliPASED были хорошо подготовлены к такому рассчитанному риску, предусмотрев несколько планов действий на случай возможного сбоя. Самолет взлетел в пятницу, 26 мая 2023 года, в 09:50, и после проверки системы была включена система активного контроля флаттера. Затем самолет благополучно пролетел через флаттер. Оба диспетчера позволяли самолету развивать скорость до 61 метра в секунду, что значительно превышало критическую скорость. Это было решающее достижение для проекта.

Однако оставался еще один важный вопрос. Действительно ли самолет имеет ожидаемое разрушительное явление флаттера на скорости 56 метров в секунду? Затем было принято решение превысить прогнозируемую скорость флаттера без контроллера, чтобы подтвердить результаты имитационных моделей и алгоритмов OMA, управляемых данными. Снова было введено в действие несколько протоколов безопасности.

Во время полета, поскольку из-за сильной турбулентности скорость достигла 56 метров в секунду раньше, чем ожидалось, самолет все же испытал флаттер, что привело к повреждению и потере расположенных в кормовой части крыла балок, которые были установлены для создания флаттера в воздухе. первое место. Это была непреднамеренная отказоустойчивая функция, которая спасла самолет и позволила ему благополучно приземлиться без дальнейших происшествий. Эти заключительные летные испытания подтвердили, что контроллеры работают очень хорошо и что активное управление может быть эффективным средством, помогающим более легким конструкциям самолета предохраняться от нестабильности флаттера.

Перспективы аэрокосмического сообщества
Летные испытания впервые продемонстрировали успешное активное подавление флаттера в полете на БПЛА с характеристиками, близкими к характеристикам коммерческого самолета. Кроме того, это демонстрирует беспрецедентный уровень так называемой технологической готовности, доказывая ее пригодность в качестве эффективной технологии для коммерческих самолетов следующего поколения.

Наконец, поскольку флаттер — явление опасное и крайне нежелательное, данные о реальных явлениях флаттера крайне редки. Таким образом, проект FliPASED имеет целью не только публиковать информацию о летном оборудовании и программных инструментах, демонстрирующих активное управление флаттером, моделирование и прогнозирование в реальном времени, но также предоставить хранилище с открытым исходным кодом с данными всех летных испытаний. Цель состоит в том, чтобы позволить другим инженерам и исследователям разрабатывать и проверять свои инструменты и методы, что приведет к развитию этой области исследований.

Read More