Обратные задачи динамики подводных и летательных аппаратов

Актуальность работы.

Обратные задачи занимают важное место в исследовании теоретико-механических моделей. Математически строгая формулировка понятия обратных задач динамики была дана A.C. Галиуллиным. Соответствующая тематика получила интенсивное развитие в работах его последователей, прежде всего, И. А. Мухаметзянова и Р. Г Мухарлямова, причем, начиная с работы И. А. Галиуллина, стало возможным исследовать подобные задачи не только в евклидовых пространствах, но и на произвольных дифференцируемых многообразиях.

Многие обратные задачи динамики связаны с условиями программного движения аэрогидродинамических или космических аппаратов, т. е. с выбором функций управления или параметров аппарата, обеспечивающих его движение по траектории с заданными свойствами. Типичным примером такого рода является решённая В. Т. Грумондзом задача о движении по винтовой линии центра динамически симметричного подводного аппарата.

Важной проблемой является устойчивость соответствующего программного движения относительно параметров процесса. Разные классы подобного рода обратных задач механики рассматривались в работах A.C. Галиуллина, Р. Г. Мухарлямова, О. М. Алифанова, Е. А. Гребеникова и Ю. А. Митропольского. В частности, задача о движении геостационарного спутника решена Е. А. Гребениковым, Ю. А. Митропольским и Ю. А. Рябовым. Общим вопросам динамики космических аппаратов посвящены работы В. В. Белецкого. Устойчивость движения спутников изучалась А. П. Маркеевым и О. В. Холостовой. В монографии Ю. А. Митропольского, О. Б. Лыковой определяется эволюция свободных (при отсутствии всех возмущений кроме влияния силы тяжести) орбит спутников и исследуется устойчивость этих орбит. Перспективное направление, связанное с малыми космическими аппаратами как эволюционной ступенью перехода к микро и наноспутникам в последнее время развивается О. М. Алифановым.

В работах И. А. Мухаметзянова рассматривался вопрос о приближённом программном движении в механических системах и об оценке его отклонения от точного движения. Фактически, задачи определения управляющих элементов, обеспечивающих наиболее точное приближенное движение по заданному дискретному набору характеристик программного движения, являются как обратными, так и аппроксимационными.

Большое значение имеет задача аналитического приближения программного движения и оценки его погрешности, решаемая с помощью тех или иных методов анализа обыкновенных дифференциальных уравнений. Одной из наиболее эффективных процедур для решения подобных задач является версия метода гармонического баланса, описанная в работах Б. Деламотта и Д. Поланда. Весьма важной является задача выбора управления, обеспечивающего устойчивое периодическое движение механического объекта в том или ином фазовом пространстве, что в математической формулировке означает существование устойчивого предельного цикла для соответствующей системы дифференциальных уравнений. Методы решения данной задачи на плоскости хорошо известны, однако уже в размерности 3 возникают существенные трудности. С этой точки зрения весьма полезен восходящии к Н. М. Крылову, H.H. Боголюбову метод интегральных многообразий и, как его обобщение, развитый Р. Смитом, М. Миклавчичем, A.B. Романовым метод инерциальных многообразий, позволяющий в ряде случаев сводить изучение стационарных режимов исходной пмерной динамической системы к аналогичной двумерной задаче. Упомянутый выше метод гармонического баланса обычно применяется к дифференциальным уравнениям второго порядка, и представляет интерес его обобщение на уравнения более высоких порядков.

Ряд обратных задач аэродинамики сводится к интегральным или интегро-дифференциальным уравнениям. Эффективным инструментом решения таких уравнений, служит, как отмечено в работах А. И. Задорина, метод сплайн-коллокации.

Таким образом, получение условий, обеспечивающих движение подводного аппарата по желаемой траектории, космического аппарата по замкнутой орбите, определение аэродинамических характеристик крыла при сверхзвуковом обтекании методами обратных задач динамики с применением методов инерциальных многообразий, гармонического баланса, сплайн-функций является актуальным с точки зрения теории и практики.

Целью работы является развитие и исследование применимости методов теории обратных задач в моделировании некоторых стационарных процессов динамики:

1. применительно к движению подводных аппаратов по заданной траектории;

2. в исследовании движения космического аппарата при облете материального или геометрического центра по траектории, асимптотически приближающейся к замкнутой орбите, причём в этой связи развивается и теория дифференциальных уравнений в той ее области, которая изучает предельные циклы и их устойчивость в фазовом пространстве;

3. при определении аэродинамических характеристик прямоугольного крыла летательного аппарата в сверхзвуковом потоке.

Методы исследования. В работе используются: методы построения уравнений программного движенияметоды качественного исследования систем дифференциальных уравнений, в том числе метод инерциальных многообразийаппроксимационные методы решения систем дифференциальных уравненийаппроксимационные методы решения интегро-дифференциальных уравнений на основе теории сплайн-функций.

Научная новизна. В диссертации представлены следующие основные результаты, имеющие научное и прикладное значение.

1. На основе методов обратных задач динамики получены условия в форме системы алгебраических уравнений, при которых геометрический центр подводного аппарата со смещенным центром масс движется по винтовой линиипоказано, что заданного движения можно достичь, варьируя лишь углы отклонения элеронов.

2. На основе понятия инерциального многообразия решена обратная задача выбора функций управления спутником (представляемым материальной точкой), обеспечивающих его полёт вокруг небесного объекта в заданной плоскости с полярными координатами (г,<�р) по замкнутой устойчивой (в обобщённых координатах (г, г, ф)) траектории. Показано, что в реальных пространственных координатах соответствующее движение будет периодическим или условно-периодическим в зависимости от соотношений между параметрами системы.

3. На основе одной из версий метода гармонического баланса найдены аналитические приближения для замкнутых устойчивых орбит космического аппарата в фазовых координатах (г, г, ф), а также оценки периода обращения. Показано, что геометрическая форма соответствующих приближённых орбит близка к эллипсу. Получены уравнения данных орбит в исходных полярных координатах (г, (р).

4. Решена обратная задача определения динамических характеристик прямоугольного крыла летательного аппарата при сверхзвуковом обтекании по исходной кинематической характеристике, а именно, потенциалу скоростей, который строится с использованием сплайн-функций.

Практическая ценность. Результаты работы имеют теоретический характер и, вместе с тем, могут представлять интерес для оборонной и космической промышленности:

• при проектировании подводных аппаратов;

• при создании систем управления космическим аппаратом на различных участках полета;

• при создании систем слежения и выбора устойчивых траекторий облета космического объекта, например, управление спутником-инспектором для диагностики и устранения причин выхода из строя других космических аппаратов;

• при выборе элементов аэродинамической компоновки летательных аппаратов на стадии предварительного проектирования;

• при изучении вопросов допустимой аппроксимации программного движения, а также вопросов его устойчивости.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и симпозиумах:

• Sixth International Symposium on Classical and Celestial Mechanics, Moscow — Velikie Luki, 2007;

• XI, XII, XIV-XVI Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта: 2002, 2003, 2005;2007.

Достоверность результатов обеспечивается: строгостью постановок задач и утвержденийкорректным использованием математических моделей современной теории обыкновенных дифференциальных уравненийрассмотрением численных примеров, демонстрирующих адекватность полученных теоретических выводов.

Публикации Основные результаты работы опубликованы в научных журналах [17], [18], [34], [35], [36], [37], а также в материалах конференций, указанных выше.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (78 источников), 12 рисунков и 1 таблицы. Объем диссертации — 108 м.п.с.

Основные результаты диссертации.

1. С использованием классических методов обратных задач динамики решена задача о движении подводного аппарата по винтовой линии в предположении, что его центр масс смещён относительно оси динамической симметрии. Найдены условия существования желаемой траектории. Показано, что заданное движение достигается при определенных углах отклонения элеронов.

2. С помощью техники инерциальных многообразий установлено существование устойчивого предельного цикла для класса систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений и показано, что при соответствующем выборе функций управления такие системы описывают плоское движение летательного аппарата вокруг некоторого центра обращения. Тем самым установлена возможность облета спутником исследуемого объекта по плоской траектории в реальном трёхмерном пространстве. Данное движение является Г-периодическим и устойчивым в переменных {г, г, ф), где (г, ср) — полярная система координат в плоскости вращения летательного аппарата. В исходных пространственных координатах движение спутника оказывается периодическим или условно-периодическим в зависимости от аналитических соотношений между величиной периода Т и средней за период угловой скоростью.

3. На примере указанного выше класса систем получил развитие метод гармонического баланса как инструмент приближенного аналитического вычисления периодических траекторий скалярных или векторных дифференциальных уравнений с полиномиальными нелинейностями. Показано, что в рассматриваемом случае периодического движения материальной точки, воспринимаемой как космический аппарат небольшого размера, уже на первых шагах метода удаётся с приемлемой точностью получить аналитические аппроксимации для замкнутой устойчивой (в переменных (г, г, ф)) орбиты спутника и оценить величину периода обращения. Показано, что при определённых условиях приближённые орбиты имеют форму эллипса.

4. Решена обратная задача определения динамических характеристик несущей поверхности летательного аппарата при сверхзвуковом обтекании по исходной кинематической характеристике, а именно, потенциалу скоростей. Метод сплайн-функций рассматривается как эффективный инструмент построения численно-аналитических алгоритмов решения таких обратных задач. Приведен пример расчета аэродинамических характеристик крыла.

Заключение

.

Работа носит теоретический и вместе с тем прикладной характер. Получены результаты, как математического свойства, так и те, что найдут применение в практике, в авиационной и космической областях, а также в проектировании подводных аппаратов. Процессу проектирования должно предшествовать установление аналитических зависимостей между динамическими параметрами, характеризующими движение аппарата и его аэродинамическими или гидродинамическими характеристиками. Только в результате качественного аналитического исследования свойств дифференциальных уравнений движения может быть решена задача выбора динамических характеристик механической системы, т. е. обратная задача динамики.

В диссертации используются методы построения уравнений программного движения, аналитические методы динамики твердого тела, теории устойчивости, качественной теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории краевых задач для уравнений в частных производных, методы сплайн-функций.