بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به موضوع چگونگی شبیهسازی 6 درجه آزادی هلیکوپتر برمبنای تئوری مومنتوم کلاسیک و المان پره براساس محاسبات لحظهای پرداخته شده است. این روش به منظور تولید تراست مورد نیاز برای هلیکوپتر جهت انجام هرگونه مانور تعریف شده انجام گرفته است. بهطوری که با استفاده از تئوریهای بیان شده امکان تولید تراست مناسب برای انواع ماموریتهای قابل تعریف برای هلیکوپتر از جمله مانور هاور، حرکت رو به جلو و حرکت جانبی ایجاد شده است.
برای رسیدن به این هدف، ابتدا روش محاسبه تراست برگرفته از تئوری المان پره و در ترکیب با تئوری مومنتوم برای هلیکوپتر به طور کامل جهت شبیهسازی ارائه میگردد. شبیهسازی 6 درجه آزادی برای هلیکوپتر در دستگاه بدنی به صورت غیرخطی انجام شده است. سپس تئوریهای بیان شده به منظور تولید تراست لحظه-ای مطابق با مانور تعریف شده برای هلیکوپتر به شبیهسازی 6 درجه آزادی اضافه میشود. مطابق نتایج اثر استفاده از دو تئوری بیان شده بر شبیهسازی هلیکوپترکاملا مشهود است.
.1 مقدمه
هلیکوپتر از جمله وسایل هوایی بهشمار میآید که شبیهسازی آن نسبت به وسایل هوایی دیگر مانند هواپیما و ریزپرندههایی چون کوادروتور و داکتدفن دارای پیچیدگیهای خاصی است. چراکه در شبیهسازی هواپیما و دیگر وسایل پرنده از ضرایب آیرودینامیکی و پایداری برای مدل کردن نیروها و گشتاورهای وارد بر آن استفاده میشود. این در حالی است که برای مدلسازی هلیکوپتر از دو تئوری مومنتوم و تئوری المان پره برای شبیهسازی استفاده میشود همین عوامل باعث پیچیدگیهایی در مدلسازی و شبیهسازی هلیکوپتر میشود.
با بررسی کارهای صورت گرفته شده برای مدلسازی هلی-کوپتر مشاهده میشود که اصولا مدلسازی هلیکوپتر براساس تئوری المان پره به همراه در نظرگرفتن نیروها و گشتاورها بهصورت ضرایب آیرودینامیکی، که از تست تونل باد حاصل میشود، بهدست میآید. این روش باعث سهولت در مدلسازی هلیکوپتر میشود. اما در صورتی که از ضرایب آیرودینامیکی استفاده نشود، روش فوق دارای پیچیدگیهایی در پیادهسازی میباشد. روش دیگر در مدلسازی استفاده از تئوری مومنتوم برای شبیهسازی میباشد. بهطوری که شبیهسازی نسبت به روش قبل دارای پیادهسازی راحتتر میباشد. روش دیگر ترکیب دو تئوری بیان شده برای مدلسازی می باشد؛ بهطوری که مدلسازی نسبت به حالت قبل دقیقتر شده و استفاده از مدلسازی در تمام فازهای پروازی برای هلیکوپتر امکانپذیر میباشد.
مدلسازی براساس تئوری المان پره و ضرایب آیرودینامیکی در [2] ارائه شده است. در [1] مدلسازی تراست براساس تئوری مومنتوم و استفاده از ضرایب آیرودینامیکی برای هلیکوپتر جهت شبیهسازی به منظور سادهسازی انجام شده است. مدلسازی براساس تئوری مومنتوم برای یک مانور خاص برای تراست براساس یک سیستم مرتبه یک ساده در [3] شبیه-سازی شده است. در [4] مدلسازی هلیکوپتر براساس تئوری مومنتوم و تئوری المان پره بدون انجام محاسبات تصحیح شونده - محاسبات لحظهای - برای محاسبه سرعت القایی به عنوان دقیقترین روش انجام شده است.
از مشکلات کارهای بیان شده میتوان به محدود بودن شبیهسازی هلیکوپتر برای یک مانور خاص، پیچیدگی در پیادهسازی و مشکل بودن بهدست آوردن ضرایب آیرودینامیکی برای هلیکوپتر به منظور سادهسازی میباشد. از مشکلات روش ارائه شده در [4] نیز به ثابت بودن سرعت القایی مطابق با شرایط اولیه میباشد.
برای حل مشکلات بیان شده، در مقاله حاضر به شبیهسازی 6 درجه آزادی هلیکوپتر براساس ترکیب تئوری مومنتوم کلاسیک و المان پره برمبنای محاسبات آنی جهت محاسبهی سرعت القایی وارد بر پرهها به منظور تولید تراست مناسب برای هرگونه مانور تعریف شده برای هلیکوپتر پرداخته شده است.
ابتدا مدلسازی 6 درجه آزادی برای هلیکوپتر در دستگاه بدنی بیان میشود، همچنین تئوری مومنتوم کلاسیک و المان پره برای تولید تراست و چگونگی تغییرات زوایای پرهها براساس دینامیک مرتبه دوم ارائه میگردد. سپس با استفاده از برنامه MATLAB مدلسازی ارائه شده شبیهسازی میشود و نهایتا در مورد روش ارائه شده نتیجهگیری میشود.
.2 مدلسازی ریاضی
مدلسازی بهمنظور شبیهسازی هلیکوپتر عموما در دستگاه بدنی انجام میشود. بهطوری که مرکز آن در مرکز جرم هلیکوپتر، محور x آن به سمت خارج دماغه هلیکوپتر، محور z آن به سمت پایین هلیکوپتر و محور y آن مطابق با قانون سمت راست میباشد.
شکل 1 جهت محورهای دستگاه بدنی در هلیکوپتر را نمایش میدهد.
شکل - 1 معرفی دستگاه بدنی و دستگاه اینرسی
مدلسازی هلیکوپتر به سه قسمت اساسی تقسیم میشود که عبارتاند از: معادلات جسم صلب، معادلات نیروها و گشتاورها و معادلات تولید تراست و زوایای پرهها. شکل 2 سه قسمت عمده برای مدلسازی هلیکوپتر و ورودی و خروجی هر یک را به صورت بلوک دیاگرام نشان میدهد.
شکل - 2 قسمتهای تشکیل شده برای مدلسازی هلیکوپتر
اکنون به ارائه معادلات هر یک از قسمتهای بیان شده در شکل 2 پرداخته میشود.
.1-2 معادلات جسم صلب
معادلات مدل ریاضی هواپیما شامل معادلات دیفرانسیل مرتبه اول، غیر خطی، وابسته به زمان میباشد که بهصورت زیر بیان میشود.
که در معادله فوق X - t - حالتهای سیستم و U - t - ورودی سیستم میباشد و T r q p مولفههای سرعت زاویهای هلیکوپتر، T مولفههای زوایای اویلر و T w v u مولفههای سرعت هلیکوپتر در دستگاه بدنی میباشد. ulat ورودی هلیکوپتر جهت تغییرات حرکت جانبی، ulong ورودی هلی- کوپتر جهت تغییرات حرکت طولی، ucol ورودی هلیکوپتر جهت تغییرات در ارتفاع و u ped ورودی هلیکوپتر جهت تغییرات در زاویهی سمت میباشد
