Гибридная вычислительная система для решения задач противообледенительной защиты летательных аппаратов

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 годе», принятых на ХХУ1 съезде КПСС, намечается: ." осуществить меры по значительному снижению удельного расхода топлива за счет рациональной эксплуатации авиационной техники, сокращения потерь горючего, а также повышения экономичности двигателей, улучшения весовых и аэродинамических характеристик самолетов и вертолетов" /I/. Также предусматривается решение проблемы обеспечения высокого уровня регулярности и безопасности полетов.

Решение этих проблем, как правило, связано с проведением исследований, требующих больших объемов инженерных расчетов. В этой связи представляет интерес проблема автоматизации самих расчетов, что в свою очередь, позволило бы, с одной стороны, сократить время решения задач, с другой — проводить исследования более многовариантно.

Решение многих проблем ствло возможным благодаря широкому использованию высокопроизводительных средств вычислительной техники и переработки информации. Наличие задач, которые не могут быть достаточно эффективно решены только на ЦШ или АВМ, привело к появлению и развитию средств гибридной вычислительной техники и созданию специализированных вычислительных систем и комплексов, ориентированных на решение класса задач или отдельной задачи. Это позволяет более рационально подойти к вопросу использования аналоговой и цифровой вычислительной техники в комплексе /15,20,34,47,54/.

Одной из основных проблем на всех этапах развития авиационного транспорта является обеспечение безопасности полетов в сложных метеорологических условиях /28,38,43/.

Многолетний опыт эксплуатации авиационной техники свидетельствует о том, что обледенение несущих поверхностей ЛА составляет существенный процент тяжелых аварийных ситуаций при полетах в сложных метеорологических условиях, И хотя в настоящее время вопрос обледенения изучен, выработаны критерии оценок, разработаны способы и средства борьбы с ними, проблема защиты от обледенения остается актуальной. Имеющиеся системы и средства защиты от обледенения еще недостаточно экономичны и, более того, не являются эффективными в экстремальных условиях полета /37,65,66,72/.

Основное место среди способов защиты от обледенения в настоящее время занимает тепловой /38,68/. Но этот способ защиты требует отбора мощности от основных двигателей в размерах, порой ухудшающих летные характеристики ЛА. Кроме того, летные характеристики ухудшаются еше и от собственно обледенения несущих поверхностей. Отложение льда на них нарушает процессы обтекания, в результате чего ухудшаются устойчивость и управляемость, уменьшается подъемная сила, растет сопротивление несущих поверхностей, уменьшается критический угол атаки /28,38,68,69,75/.

Разработка экономичных систем противообледенительной защиты (ПОЗ), обеспечивающих эффективную защиту поверхностей летательного аппарата и бортовых изделий, имеющих выход наружу, позволит решить проблему обеспечения безопасности и регулярности полетов в сложных метеорологических условиях. В настоящее время работы в этом направлении проводятся как в ведущих организациях МАП (ЛИИ, ЦАГИ и конструкторских бюро), так и МГА (ГосНИИ ГА, КНИГА, РИИГА, ШШГА). Основными вопросами исследования при создании систем ПОЗ являются условия, при которых возможно обледенение. Они определяются, в свою очередь, формой льда, образующегося не поверхностях конструкций JIA, параметрами противообледенителя и эффективностью работы системы. Довольно сложным процессом характеризуется теплообмен на защищаемых от обледенения поверхностях НА при полете последнего в аэрозольном облаке. Тепловой пограничный слой, образуемый теплом, подводимым к поверхностям от системы ПОЗ, динамический пограничный слой, возникающий при обтекании поверхности потоком, и растекающаяся по поверхности под воздействием гидродинамических сил жидкая пленка — все это вместе взятое составляет сложную физическую картину структуры обледенения /68,69/. Параметры, образующие структуру обледенения, являются исходными для определения характеристик противообледенителя. Расчет же этих параметров составляет предмет так называемой «внешней задачи», представляющей в свою очередь ряд частных задач. К ним относятся:

— расчет поля воздушных скоростей обтекания ЛА в целом или элементов конструкций, подлежащих защите от обледенения;

— расчет зоны оседания влаги (льда) и локального коэффициента оседания, характеризующего интенсивность указанного процесса;

— расчет характеристик водяной пленки, появляющейся на поверхности в зоне оседания;

— расчет характеристик динамического и теплового пограничного слоя на защищаемой поверхности.

При исследовании средств защиты от обледенения и выборе наилучших режимов работы систем ПОЗ большое место отводится вопросу изучения механизма образования льда и его формы на подвергающихся обледенению поверхностях. Решение указанной проблемы ищется по нескольким направлениям. К основным следует отнести проведение исследований путем:

— математического моделирования;

— моделирования аналогиями;

— физического моделирования;

— натурного испытания.

Каждое из указанных направлений в отдельности не является ¦исчерпывающим, а потому решение указанной проблемы осуществляется на основе комплексного использования методов и средств, дальнейшее развитие которых является важной научно-технической задачей. Следует отметить, что в настоящее время большое развитие получило направление исследования указанной проблемы путем моделирования, как наиболее выгодно отличающееся от других направлений на этапах эскизного и рабочего проектирования системы /25,64,73/. Предпочтительность моделирования аналогиями заключается в полной безопасности проведения эксперимента, в сравнительно малых аппаратурных и временных затратах, доступно более широкому кругу исследователей.

Цель работы заключается в разработке принципов связи аналоговой моделирующей установки с ЦВМ, с целью повышения производительности и расширения возможностей их отдельно взятых при решении задач математической физики. Эффективность объединения установки типа ЭГДА и ЦВМ в ГВС показана на примере расчета основных параметров системы ПОЗ ЛА.

Программа достижения ее может быть сформулирована в виде ряда пунктов, основными среди которых являются:

— разработка принципов построения специализированной ГВС на базе установки типа ЭГДА и ЦВМ для решения указанных задач;

— разработка математического обеспечения ГВС для решаемых задач;

— разработка устройств связи и преобразования формы представления информации в системе ЭГДА-ЦВМ;

— построение макетного варианта ГВС;

— решение с использованием ГВС задач по расчету поля скоростей вокруг профиля крыла JIA и интенсивности оседания частиц влаги на нем;

— оценка эффективности применения специализированной ГВС в исследованиях, проводимых при создании противообледе-нительной защиты ЛА;

— внедрение результатов разработок в инженерную практику.

Душ решения поставленных в диссертационной работе вопросов были рассмотрены существующие методы и средства решения указанных задач аэродинамики, а также проанализированы возможные пути усовершенствования их на базе современных достижений в области вычислительной техники.

В последние годы широкое развитие получили ГВС, значительный вклад в развитие которых внесли ученые нашей страны: С. А. Гинзбург, Г. И. Грездов, Э. И. Гитис, Б. Я. Коган, Э. В. Евреинов, А. И. Кондалев, Л. А. Коздоба, И. Д. Коноплев, В. Н. Малиновский, Г. Е. Пухов, Г. М. Петров, В. И. Панчишин, В. Б. Смолов, А. Е. Степанов, А. П. Спалвинь, зарубежные ученые: Д. Бекки, УДарплтос, Г. Корн и др.

При выполнении работы были использованы известные теории коммутации, преобразования форм информации и конечных автоматов, приближения функций и дифференциальных уравнений в частных производных, применялись численные методы решения обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений.

Для решения контрольных задач использовались интегратор электрогидродинамической аналогии типа ЭГДД-9/60 и современные ЦВМ. Разработка специализированной ГВС сопровождалась макетированием. Результаты расчетов, полученные при решении задач на ГВС, сравнивались с экспериментальными данными.

Основные результаты работы?

Основным результатом работы является принцип построения ГВС и методика организации вычислительных процессов в системе электропроводная среда — ЦВМ. Результаты работы представляют теоретическую и практическую ценность для развития специализированных ГВС, нацеленных на класс задач аэродинамики, а также и других задач, решаемых на интеграторах с различными моделирующими средами, и требующих автоматизированного съема и регистрации больших объемов результатов. Кроме того сделано следующее.

1. Показана целесообразность создания и перспективность применения специализированной ГВС на базе аналогового устройства (например, интегратора типа ЭГДА) и ЦВМ, предназначенной для математического моделирования оседания частиц влаги на профиле крыла при полете ЛА в аэрозольном облаке. Отмечается при этом повышение эффективности совместного применения ЭГДА и ЦВМ за счет автоматизации проводимых расчетов.

2. Предложена методика расчета составляющих скоростей на основании результатов моделирования на установке типа ЭГДА обтекания профиля воздушным потоком, позволяющая автоматизировать процесс измерения составляющих скоростей, преобразования их в цифровой код и передачи на ЦВМ.

3. Предложена методика приближения поля скоростей, которая позволяет на основании значений скоростей, измеренных. на модели, вычислять значения их в любой точке области решения.

4. Разработан и построен макет специализированной ГВС для математического моделирования оседания частиц влаги на профиле крыла при полете ЛА в аэрозольной среде.

5. Разработаны методики и алгоритмы расчета зоны оседания и локального коэффициента оседания капель на профиле крыла ЛА с использованием ГВС.

6. Разработанные при непосредственном участии автора способы: объеденения ЭГДА и ЦВМ в ГВС и практического использования ее в исследованиях самолетных систем ПОЗ внедрены на предприятиях п/я А-3395 и ШЗ «Опыт» имени А. Н. Туполева. Отмечается положительный эффект от внедрения.

Результаты научных исследований получены при выполнении научно-исследовательской работы по плану МГА (тема 75 0545 22), выполняемой по заказу ГосНИИ ГА, и использовались при выполне-. нии научно-исследовательской работы (тема 45к-75а) в Киевском институте инженеров гражданской авиации. Практические результаты подтвердили правильность подхода к созданию специализированной ГВС для решения класса задач, рассматриваемого в предлагаемой работе.

Представляемая работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения.

В первой главе рассмотрена постановка задачи оседания частиц влаги на поверхности крыла при полете ЛА в аэрозольной среде и задачи определения поля скоростей вокруг профиля ЛА, обтекаемого воздушным потоком.

Приведена сравнительная оценка существующих методов и средств решения поставленных задач. Отмечено широкое развитие направления исследования проблемы расчета основных параметров оседания по методике построения траекторий движения капель. При расчете параметров оседания по указанной методике задача расщепляется на две: определение составляющих скоростей и решение уравнений движения капель для построения их траекторий, на основании которых затем расчитываются основные параметры оседания. Решать эти задачи нужно одновременно, что связано с определенной сложностью. Отмечена сложность и трудоемкость расчета составляющих скоростей при использовании результатов моделирования поля на установке ЭГДА.

Показана эффективность решения задачи определения поля воздушных скоростей вокруг профиля путем моделирования на сплошных средах, а решение задачи построения траекторий движения капель и расчета на их основании основных параметров оседания — на ЦВМ. Обоснована целесообразность применения специализированной ГВС.

Во второй главе рассмотрены специальные вопросы построения ГВС для решения поставленных задач.

Предложена методика расчета составляющих воздушных скоростей на основании результатов моделирования на ЭГДА. Показана возможность автоматизации процесса расчета составляющих, съема и передачи их в ЦВМ.

Предложена методика приближения составляющих воздушных скоростей на основании значений их, снятых с электропроводной бумаги, позволяющая вычислять значения составляющих воздушных скоростей в любой точке области решения.

Приведены структурная схема специализированной ГВС на базе электропроводная среда — ЦВМ и этапы решения задачи исследования систем ПОЗ с использованием ее. Обоснованы технические условия на устройства, составляющие ГВС, и приведен сравнительный анализ их. Предложена модернизация установки ЭГДА-9/60 и разработано коммутирующее устройство.

В третьей главе рассмотрены вопросы построения макетного варианта ГВС. В соответствии с требованиями и теоретическими выкладками, приведенными во второй главе, осуществлена практическая реализация и проверка работоспособности устройств, составляющих ГВС. Приведены схемные решения, по которым изготовлены устройства, такие как коммутирующее, регистр буферной памяти, схемы перекодировки и согласования, устройство управления выводом, а также дано описание их работы. Приведено описание работы ГВС в режиме автоматизированного съема аналоговой величины с электропроводной бумаги, преобразования ее в цифровой код и регистрации на перфоленте.

Результаты испытаний макетного варианта ГВС подтвердили правильность положений, взятых за основу при создании ее.

В четвертой главе рассматриваются вопросы решения задачи оседания частиц влаги на профиле крыла ЛА с применением ГВС. Приведена техника моделирования поля скоростей вокруг профиля. Результаты моделирования, снятые с области решения, передавались в ЦВМ. На ЦВМ решались частные задачи:

— статистической обработки результатов эксперимента;

— аппроксимации поля скоростей;

— расчета траекторий движения капель;

— расчета основных параметров оседания капель. Дана оценка полученных результатов решения.

В приложении представлены акты внедрения разработок и программы расчетов на ЦВМ.

Аппробация. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на:

— III Всесоюзном семинаре по Гибридной вычислительной технике, г. Житомир, 1973 г.;

— республиканских семинарах «Гибридные вычислительные машины и комплексы», г. Житомир, 1974 г., г. Одесса, 1976 г.;

— республиканском семинаре «Методы и средства решения краевых задач», г. Рига, 1978 г,;

— 1У Всесоюзной конференции «Однородные вычислительные системы и среды? г. Киев, 1975 г.;

— Всесоюзной научно-технической конференции «Применение машинных методов для решения инженерных задач теории поля», г. Харьков, 1976 г.;

— I Всесоюзной научно-технической конференции «Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий», г. Киев, 1981 г.;

— научных семинарах «Математическое моделирование на сплошных и дискретных средах» института Математики АН УССР, г. Киев, 1975;1977 г. г.

Публикации. Материалы диссертации нашли свое отражение в девяти печатных работах /7,8,9,10,11,12,60,61, 62/, четыре из которых выполнены лично автором.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана структура ГВС на основе установки типа ЭГДА. и ЦВМ, область применения которой определяется классом задач, требующих совместного применения интегратора со сплошной моделирующей средой и ЦВМ, целесообразность создания и перспективность применения которой показана на примере исследования движения облачных капель в воздушном потоке, обтекающем профиль крыла.

На основе анализа предложенной в работе исследования систем ПОЗ ЛА целесообразно проводить на моделях ЭГДА. и ЦВМ, объединенных в ГВС устройствами автоматизированного вычисления, съема и передачи информации, что повышает эффективность проведения исследований и использования вычислительных средств.

2. Разработаны принципы последовательной обработки в ЦВМ потока параллельной информации, получаемой на моделирующей аналоговой установкес аппаратно-программной реализацией, обеспечивающие более эффективное использование вычислительных средств в научно-технических исследованиях.

3. Разработана методика измерения функции и частных производных от потенциала, полученного на моделирующей установке со сплошной моделирующей средой, которая позволила упростить процесс моделирования, автоматизировать измерение значений аналоговой величины, преобразование ее в цифровой код и передачу в ЦВМ.

4. Разработана методика приближения функций двух переменных и их частных производных, имеющих широкий диапазон изменения и сложную область задания. Методика позволяет найти приближающие функции полиномиального вида, по которым можно вычислить значения приближаемой функции в любой точке области ее задания с наперед заданной точностью.

5. Приведены технические условия и сравнительный анализ устройств, составляющих ГВС, на основании чего произведена реконструкция установки ЭГДА-9/60 и разработаны устройства связи, преобразования и передачи информации в ЦВМ. Разработанная ГВС и методика использования ее внедрены в практику. Разработка показала возможность создания такой ГВС с реальными характеристиками.

6. Внедрение в практику разработанной ГВС и методик ее использования при расчете параметров обледенения несущих и управляющих поверхностей снижает трудоемкость проектирования систем ПОЗ и сокращает время трубных и летных испытаний, за счет чего достигается экономическая эффективность.

Разработки диссертационной работы могут быть использованы при решении задач аэродинамики, гидродинамики, энергетики и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ.