Стенд для наземной отработки несущей системы беспилотного вертолёта с соосными винтами

Введение 

24 февраля 2017 года акционерное общество «Конструкторское бюро промышленной автоматики» (АО «КБПА») отметило 70-летний юбилей с момента своего образования. Основная деятельность организации связана с проведением НИОКР по разработке пилотажных комплексов и навигационных систем для летательных аппаратов самолётного и вертолётного типов, самолётов- и ракет-мишеней, дирижаблей и судов на воздушной подушке. 
Наибольшее число разработок предприятия выполнено в интересах компаний «Миль» и «Камов». 
Для компании «Миль» коллективом предприятия разработаны автопилоты и пилотажные комплексы вертолётов Ми-14, Ми-24, Ми-26, Ми-28Н, Ми-8/17, беспилотного варианта вертолёта Ми-4 и др. 
Практически все машины фирмы «Камов», начиная с вертолёта Ка-25, также оснащены САУ разработки АО «КБПА». Для вертолёта Ка-50 «Черная акула» впервые в стране был создан отечественный цифроаналоговый вертолётный пилотажно-навигационный комплекс ПНК-800. Позже он стал основой при создании САУ-800 вертолёта Ка-52 «Аллигатор», принятого на вооружение и выпускаемого в настоящее время серийно (рис. 1).

Разработанная система автоматического управления САУ-37Д вертолёта Ка-31 обеспечивает управление и стабилизацию вертолёта с вращающейся в полете антенной радиолокационного дозора. Она производится в организации серийно и поставляется в составе вертолёта как отечественным, так и зарубежным заказчикам.
Принципиальным шагом в развитии предприятия явились разработка, производство, испытания и сертификация базового навигационного пульта-вычислителя ПВН-1 как комплектующего изделия. На базе данного оборудования построены навигационные системы вертолётов Ка-226Т, Ка-226МС, Ми-171А2. 
В настоящее время в конструкторском бюро завершены разработки изделий САУ-32-226М и ПВН-1-04 вертолётов серии Ка-226Т, ПКВ-М24(А) вертолётов серии Ми-24 и Ми-28Н «Ночной охотник», базового ПКВ-8 вертолётов серии Ми-8/17, ПКВ-26ДЭ вертолёта Ми-26Т2, СУУ-А вертолёта «Ансат» и др.
Созданы новые дублированные пилотажные комплексы и системы вертолётов Ми-38, Ми-171А2, Ка-62, находящиеся на стадии лётных испытаний.
Особо следует сказать о вертолёте Ми-171А2, комплекс бортового оборудования которого построен на основе дублированного пилотажного комплекса вертолёта ПКВ-171А и двух навигационных вычислителей на базе навигационного пульта-вычислителя ПВН-1-03. Благодаря решениям, воплощённым в комплексе бортового оборудования КБО-17, Ми-171А2 получил возможность безопасно осуществлять полёты в любое время суток, в том числе в сложных метеоусловиях. Кроме этого, посредством изделий ПКВ-171А и ПВН-1-03 обеспечивается выполнение ряда авиационных работ, в том числе в режимах висения и полёта по специальным траекториям. Одновременно за счёт оптимального навигационного расчёта и плана полёта происходит снижение расхода топлива.
Большое количество разработок выполнено АО «КБПА» по созданию систем автоматического управления для беспилотных летательных аппаратов.
В 1970–80-х годах были созданы такие системы, как автоматика самолёта-мишени МиГ-21М, навигационно-пилотажный комплекс беспилотного тактического ударного самолёта «Коршун», пилотажные комплексы для беспилотных летательных аппаратов типа «Дань» и «Крыло», пилотажный комплекс беспилотного самолёта на базе летательного аппарата Л-29М, ряд систем автоматического управления ракет-мишеней и др.
В последние годы активно проводятся исследования в области создания интегрированных пилотажно-навигационных комплексов для беспилотных летательных аппаратов вертолётного типа взлётной массой более 300 кг. Важную роль в этих исследованиях выполняет интегрированный стенд для наземной отработки несущей системы беспилотного вертолёта (рис. 2) с соосными винтами (далее по тексту – стенд).

Назначение, состав и основные функции стенда

Стенд предназначен для наземной отработки пилотажно-навигационного комплекса, системы управления силовой установки и бортовой системы электроснабжения летательного аппарата с использованием технологической колонки несущих винтов.
Состав стенда показан на рис. 3, 4.

Условные обозначения: 1 – каркас фюзеляжа, 2 – двигатель внутреннего сгорания, 3 – редуктор, 4 – выходные соосные валы, 5 – соосные винты, 6 – муфта.

Условные обозначения: 7 – пилотажный комплекс с приводами управления автоматами перекоса, 8 – защитные экраны, 9 – устройство отвода отработавших газов, 10 – система приточно-вытяжной вентиляции, 11 – видеокамеры, 12 – пульт управления, 13 – устройство электропитания.

На каркасе фюзеляжа установлены следующие элементы силовой установки: системы смазки, водяного охлаждения, воздушного охлаждения, топливная система, устройство пожаротушения, система управления двигателем, электроснабжения, выхлопная система, устройство измерения вибрации, средства пожаротушения и т.д.
Функции стенда:

• проверка конструктивных решений, качества изготовления и сборки несущей системы;
• проверка работы двигателя на всех режимах эксплуатации;
• определение параметров и отработка силовой установки при изменениях нагрузки в системе электроснабжения и на несущих винтах;
• определение параметров и отработка привода дроссельной заслонки двигателя по командам от пилотажно-навигационного комплекса;
• отработка электромеханических приводов управления автоматами перекоса по командам от пилотажно-навигационного комплекса;
• моделирование на управляющем ком­пьютере режимов полёта летательного аппарата;
• отработка алгоритмов функционирования пилотажно-навигационного комплекса в зависимости от режимов полёта летательного аппарата;
• определение параметров и проверка работоспособности системы охлаждения двигателя и редуктора путём измерения температур;
• определение характеристики расхода топлива в зависимости от изменения условий применения летательного аппарата;
• измерение тепловых полей силовой установки и несущей системы;
• измерение собственных частот конструкции;
• измерение уровней вибрации при работе двигателя;
• имитация вибронагружения от несущих винтов, проверка автоколебаний в проводке управления автоматами перекоса и т.д.

Пульт управления

Основным элементом стенда является пульт управления (рис. 5), оснащённый двумя компактными безвентиляторными 1U промышленными компьютерами AdvantiX IPC-SYS8FN, клавиатурами, манипуляторами мышь, устройствами документирования HP LazerJet M452dn, промышленными ЖК-дисплеями Sharp LQ231U1LW32, комплектом органов управления и индикации, устройствами видеонаблюдения и регистрации, индикации и регистрации, согласования дискретных сигналов.

Устройство электропитания

Преобразование и коммутацию электроэнергии для обеспечения работоспособности стенда выполняет устройство электропитания (рис. 5), состоящее из источника бесперебойного питания INELT Monolith II 3000RMLT, батарей­ных блоков BFR96-9, предназначенных для увеличения времени автономной работы ИБП INELT, коммутатора,  вторичных источников питания Genesys GEN 100-50-LAN, устройств преобразования интерфейсов CN2650I-8 и аварийного отключения, устройства программирования. 
ИБП серии Monolith II представляют собой высокоэффективные ИБП структуры on-line (двойное преобразование) и специально разработаны для защиты и обеспечения стабильным и качественным питанием компьютерного оборудования. 
Блоки питания GenesysTM – это высокоэффективные импульсные источники питания с широким диапазоном выходного напряжения. Серия GenesysTM оснащена корректором коэффициента мощности и обеспечивает работу от сетей переменного тока в любой точке земного шара без переключения. Выходные напряжение и ток постоянно отображаются на передней панели, а светодиодные индикаторы дают исчерпывающую информацию о рабочем состоянии источника питания. 
Органы настройки на передней панели позволяют пользователю установить выходные параметры и уровни защиты (максимальную защиту от перенапряжения, нижний предел напряжения и перегрузку), а также просмотреть настройки. 
На задней панели находятся ручки, необходимые для регулировки и мониторинга работы источника питания посредством внешних аналоговых сигналов или встроенной последовательной связи (RS-232/485). 
Возможно осуществление программирования через GPIB-порт или изолированного аналогового программирования/контроля.

Устройство программирования

Устройство программирования состоит из ноутбука Getac X500G2 с модифицированным блоком расширения PCI Express. Getac X500 является защищённым и полностью укомплектованным ноутбуком военного назначения с высокопрочными байонетными металлическими разъёмами, данная модель соответствует стандартам MIL-STD-810G, MIL-STD-461F, IP65, диапазон рабочих температур составляет –20…+60°C. 
Модификация блока расширения представляет собой его дооснащение платой сопряжения с интерфейсом CAN Advantech CAN-200PCI, модулем АЦП PCI-1713U-BE и модулем цифрового осциллографа для осуществления контроля срабатывания проверяемых устройств (форсунок). 

Порядок работы стенда

При подаче электропитания от внешних источников на источник бесперебойного питания через вторичные источники питания и коммутатор из состава устройства электропитания рабочее напряжение поступает к потребителям электроэнергии из состава пульта управления. 
Вторичные источники питания обеспечивают преобразование первичной электроэнергии (напряжения переменного тока), поступающей от внешних источников электроэнергии, в напряжение постоянного тока с характеристиками, необходимыми для обеспечения работоспособности потребителей электроэнергии из состава стенда. 
Коммутатор выполняет замыкание/размыкание цепей передачи электроэнергии от вторичных источников питания к потребителям электроэнергии из состава стенда по командам от устройства преобразования интерфейсов и устройства аварийного отключения.
При подаче электроэнергии через замк­нутые цепи коммутатора на вычислительные комплексы, устройства документирования, мониторы, устройство видеонаблюдения и регистрации, устройство индикации и регистрации происходит инициализация предустановленного на них программного обеспечения. При подаче электроэнергии через замкнутые цепи коммутатора на видеокамеры через каналы информационного обмена на устройство видеонаблюдения и регистрации начинает передаваться видеоинформация о состоянии элементов стенда, находящихся в изолированном помещении, где располагается фундамент стенда. Уст­ройство видеонаблюдения и регистрации после инициализации предустановленного программного обеспечения обеспечивает приём, отображение и хранение получаемой информации с привязкой к шкале астрономического времени постоянно на всех последующих этапах работы устройства.
Устройство индикации и регистрации после инициализации предустановленного программного обеспечения и тестирования каналов информационного обмена с оборудованием стенда обеспечивает приём, отображение и хранение данных, получаемых через каналы информационного обмена с оборудованием стенда, с привязкой к шкале астрономического времени постоянно на всех последующих этапах работы устройства.
В соответствии с методиками и алгоритмами работы устройства последовательно или параллельно для вычислительных комплексов из состава пульта управления автоматически, под управлением функционального программного обеспечения, или вручную операторами, в диалоговом режиме «оператор–вычислительный комплекс» с использованием клавиатур, манипуляторов мышь, комплекта органов управления и индикации последовательно осуществляется:

• включение элементов освещения;
• включение системы приточно-вытяжной вентиляции;
• включение устройства отвода отработавших газов;
• выполнение предстартового контроля элементов устройства;
• запуск и работа двигателя внутреннего сгорания;
• раскрутка соосных винтов;
• наземные автономные или комплексные испытания элементов беспилотного вертолёта с соосными винтами;
• останов двигателя внутреннего сгорания;
• приведение элементов устройства в исходное состояние.

Результаты работы

Результаты отработки несущей системы беспилотного вертолёта с соосными винтами отображаются на мониторах (рис. 6) и распечатываются на бумажных носителях с помощью устройств документирования из состава пульта управления.

Это, например, величина оборотов двигателя (рис. 7), положение дроссельной заслонки двигателя (рис. 8), температура и давление масла двигателя (рис. 9), расход топлива двигателя (рис. 10), зависимость положения дроссельной заслонки двигателя от положения исполнительного механизма привода дроссельной заслонки (рис. 11), распределение тепловой энергии между элементами несущей системы (рис. 12), параметры вибрации (линейных ускорений) в районе установки редуктора, конструкции хвостовой балки, моторамы крепления двигателя (табл. 1) и т.д. 

Примечание. В результате измерений установлено, что амплитуда вибрационных ускорений конструкции крепления редукторной рамы не более 0,02 м/с², амплитуда вибрационных ускорений конструкции хвостовой балки не более 0,0336 м/с², амплитуда вибрационных ускорений конструкции крепления моторамы двигателя не более 0,2296 м/с². Конструкция не содержит существенных резонансов.

Заключение

Предложенный вариант реализации стенда наземной отработки несущей системы беспилотного вертолёта с соосными винтами по сравнению с аналогами позволяет:

• осуществлять автономные и комплексные испытания элементов силовой установки (систем смазки, водяного и воздушного охлаждения,  уп­равления двигателем, топливной системы), системы электроснабжения и пилотажного комплекса беспилотного вертолёта с соосными винтами;
• защищать операторов, обслуживающий персонал и само устройство от последствий нештатных ситуаций, которые могут возникать в процессе испытаний элементов беспилотного вертолёта с соосными винтами;
• сократить время и стоимость наземных испытаний беспилотного вертолёта с соосными винтами, обеспечить возможность выявления конструктивных несовершенств в конструкции вертолёта на ранних этапах его проектирования. • 

E-mail: yashinag@mail.ru