Способ определения теплового баланса летательного аппарата Российский патент 2023 года по МПК G01K17/06 G05D23/00 B64C1/40 

Изобретение относится к области авиации, а именно к способу определения теплового режима работы бортового оборудования самолета для исключения перегрева и последующего отказа системы оборудования однодвигательного самолета в целом или отдельных ее блоков.

В настоящее время летательные аппараты в своем составе содержат расширенную номенклатуру сложного бортового оборудования. Для обеспечения нормальной работы оборудования, а также основных самолетных систем требуется создавать оптимальный тепловой режим их работы. В качестве источника охлаждения различных систем и исключения их перегрева - достижения схождения теплового баланса летательного аппарата (ЛА), используется топливо, которое забирает необходимое тепло и уже нагретым отправляется на двигатель. Таким образом, часть топливной системы, связанная с другими системами через теплообменное оборудование, позволяет выполнять функцию хладоресурса на борту ЛА.

Наиболее остро задача обеспечения теплового баланса стоит для однодвигательных ЛА, поскольку прокачка топлива через топливную систему обычно снижена по сравнению с двухдвигательными. При этом комплекс бортового оборудования и основные самолетные системы на однодвигательном ЛА зачастую установлены такие же, как и на двухдвигательном.

Для определения теплового баланса ЛА расчеты самолетных систем проводятся, как правило, отдельно друг от друга по режимам работы каждой системы. Таким образом определяется набор стационарных режимов работы каждой системы и проводятся расчеты таких режимов с целью подтверждения работоспособности данной системы и обеспечения холодопроизводительности для конкретного режима работы ЛА.

Известен способ моделирования взаимодействия различных систем реакторной установки СВБР-100 для проектирования опытно-промышленного энергоблока (журнал «Вопросы атомной науки и техники», серия Ядерно-реакторные констант, ISSN 0207-3668, печатная версия, издательство АО «Государственный научный центр РФ - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского», выпуск 3, 2015 г., статья «Разработка и применение комплексной динамической модели», авторы Паршиков И.А., Петухов В.Н., Тимофеев К.А., Щекатуров A.M., Боровицкий С.А., Шмаков Д.Ю). В статье описан способ моделирования взаимодействия различных систем реакторной установки СВБР-100 для проектирования опытно-промышленного энергоблока и исследуются переходные режимы реакторной установки, а также поведение автоматики и регулирование автоматики на переходных процессах.

Известен способ полетной диагностики авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков (патент RU 2649 715, опубл. 04.04.2018, МПК G01M 15/14), заключающийся в том, что измеряют на стационарном режиме работы двигателя параметры внешней окружающей среды и рабочие параметры двигателя, обрабатывают измеренные параметры, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель, определяют величину тяги двигателя и по ее значению судят о техническом состоянии двигателя, причем в качестве параметров внешней окружающей среды измеряют полную температуру, статическое давление и скорость набегающего потока воздуха на входе в двигатель, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения вала компрессора низкого давления, полное давление во втором контуре, расход топлива, подаваемого в двигатель и положение створок реактивного сопла, характеризующее площадь его критического сечения. Также предварительно измеряют степень неравномерности полного давления потока воздуха на входе в двигатель на всех стационарных режимах полета, при этом для определения величины тяги двигателя на конкретном стационарном режиме полета используют скорректированное значение расхода воздуха на входе в двигатель и осредненное значение полного давления за компрессором низкого давления, рассчитанные с учетом степени неравномерности полного давления потока воздуха на входе в двигатель для конкретного стационарного полетного режима работы двигателя, а техническое состояние двигателя оценивают по отклонению величины определенной тяги двигателя от эталонной величины для указанного режима полета.

Недостатками известных подходов по определению оптимальных параметров работы ключевых систем путем диагностики рабочих процессов на различных режимах является отсутствие взаимоувязки самолетных систем, что не позволяет определить влияние одной системы на другую, выявить как изменения/модернизация агрегатов одной системы могут привести к изменениям в других системах и к улучшению теплового баланса ЛА в целом, а также низкая функциональность таких методик.

Например, при избыточности холодопроизводительности системы кондиционирования воздуха (СКВ) на полетных режимах возможно снижение «вбросов» тепла от СКВ в топливо за счет введения байпасной линии с заслонкой, работающей по выбранному алгоритму. Перераспределение тепла между самолетными системами на различных режимах работы ЛА для обеспечения его теплового баланса позволяет выявлять возможности корректировки/модернизации каждой системы без ухудшения теплового баланса ЛА.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в устранении недостатков уровня техники, а также в определении теплового баланса ЛА, в том числе при проектировании и в целях последующих модернизаций с целью сокращения сроков и затрат на доводку систем ЛА.

Технический результат изобретения состоит в расширении функционала способов диагностики и определения оптимальных параметров работы агрегатов/систем самолета и их влияния на тепловой баланс ЛА в целом.

Заявляемый технический результат достигается изобретением, в котором реализуется способ определения теплового баланса самолета, включающий сбор данных от датчиков топливной системы, системы кондиционирования воздуха, контура гидросистемы, маслосистемы генератора, системы жидкостного охлаждения, обработку полученных данных в блоке анализа и расчета, и получении теплогидравлических и конструктивных параметров указанных систем, при этом в процессе сбора данных от систем имитируются отказные ситуации, как в реальном времени так и по заранее заданным признакам, с отдельными или одновременными отказами нескольких элементов или систем.

Способ характеризуется тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе топлива топливной системы осуществляется от датчиков топливных баков, входе и выходе насоса, входе и выходе трубопроводов, обратных клапанов, заслонок, фильтров.

Способ характеризуется тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе воздуха системы кондиционирования воздуха осуществляется от датчиков турбокомпрессора, теплообменников, входе и выходе трубопроводов, обратных клапанов, заслонок.

Способ характеризуется тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе гидрожидкости гидросистемы осуществляется от датчиков гидронасоса на всасывании, нагнетании и сливе, входе и выходе трубопроводов, гидробаков, обратных клапанов, заслонок, фильтров.

Способ характеризуется тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе масла маслосистемы генератора осуществляется от датчиков на входе и выходе трубопроводов, входе и выходе насоса, бачков заслонок, фильтров.

Способ характеризуется тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе антифриза системы жидкостного охлаждения осуществляется от датчиков на входе и выходе насоса, на входе и выходе трубопроводов, бачков, обратных клапанов, заслонок, фильтров.

В указанном способе определения теплового баланса самолета включаются в расчет следующие системы:

- топливная система (ТС): состоит в частности из топливных баков, насосов, трубопроводов, обратных клапанов, заслонок, фильтров и т.д. Сбор датчиками ТС данных о температуре, давлении, расходах топлива в каждом трубопроводе (на входе и выходе из него), топливном баке, насосе (на входе и выходе из него) позволяет контролировать работу системы, обеспечивать требуемую программу выработки топливных баков, охлаждение других самолетных систем и обеспечить отсутствие перегрева топлива на входе в двигатель;

- система кондиционирования воздуха (СКВ): состоит в частности из турбокомпрессора, теплообменников, трубопроводов, обратных клапанов, заслонок и т.д. Сбор датчиками СКВ данных о температуре, давлении, расходам воздуха в каждом трубопроводе (на входе и выходе из него) и агрегатах СКВ позволяет контролировать холодопроизводительность системы и обеспечивать всех потребителей воздуха;

- контур гидросистемы (ГС): состоит в частности из гидронасосов, трубопроводов, гидробаков, обратных клапанов, заслонок, фильтров и т.д. Сбор датчиками контура ГС данных о температуре, давлении, расходах гидрожидкости в каждом трубопроводе (на входе и выходе из него), гидронасосе (всасывание, нагнетание и слив) позволяет контролировать работу системы, обеспечивать необходимые температуры на входе в агрегаты управления поверхностями ЛА;

- маслосистема генератора (МС): состоит в частности из трубопроводов, насосов, бачков заслонок, фильтров и т.д. Сбор датчиками МС данных о температуре, давлении, расходах масла в каждом трубопроводе (на входе и выходе из него), насосе (на входе и выходе из него) позволяет контролировать работу системы, обеспечивать необходимые температуры для охлаждения генераторов ЛА;

- система жидкостного охлаждения (СЖО): состоит в частности из насосов, трубопроводов, бачков, обратных клапанов, заслонок, фильтров и т.д. Сбор датчиками СЖО данных о температуре, давлении, расходах антифриза в каждом трубопроводе (на входе и выходе из него), насосе (на входе и выходе из него) позволяет контролировать работу системы, обеспечивать не превышение требуемых температур на входе в локатор и блоки БРЭО.

Перечисленные выше системы включают в том числе теплообменные агрегаты (теплообменники) посредством которых происходит теплообмен.

Имитация отказных ситуаций для систем (стопорение заслонок, превышение давления/температуры на входе /выходе из установки охлаждения воздуха, выход из строя гидронасоса, приводов, отказ электропитания и т.д.) выполняется как имитацией отказных ситуаций в реальном времени (отключение элементов систем), так и запрограммировано. Под «запрограммировано» следует понимать возможность задания отказа элементов по признаку (реальное / расчетное время, отказ другого элемента и т.д.), таким образом, задается последовательность отказной ситуации (например, отказ заслонки через 10 сек. при наборе высоты 12 км, далее отказ вентилятора через 60 сек. и т.п.) с отдельными или одновременными отказами.

Имитация отказных ситуаций при обмене данными между системами позволяет провести детальный анализ работы систем в комплексе, оценить степень влияния отказов агрегатов одной системы на компоненты другой системы.

Полученные от систем данные передаются в блок анализа и расчета, представляющий собой электронно-вычислительную машину. В результате обработки и программного анализа полученных данных корректируются алгоритмы или технические решения самолетных систем, в частности теплогидравлические и конструктивные параметры. Полученные алгоритмы позволяют, в частности, отводить тепло от гидросистем, маслосистем, системы воздушного охлаждения, системы жидкостного охлаждения, сбрасывая все тепло в топливо. Нагретое топливо в основном отправляется на двигатель, где происходит его сгорание; оставшаяся часть топлива возвращается в баки, при этом перемешиваясь с холодным топливом. Таким образом заявляемый способ позволяет обеспечить тепловой баланс ЛА в целом.

Изобретение относится к области авиации, а именно к способу определения теплового режима работы бортового оборудования самолета для исключения перегрева и последующего отказа системы оборудования однодвигательного самолета в целом или отдельных ее блоков. Способ определения теплового баланса самолета включает сбор данных от датчиков топливной системы, системы кондиционирования воздуха, контура гидросистемы, маслосистемы генератора, системы жидкостного охлаждения. Полученные данные обрабатываются в блоке анализа и расчета. В процессе сбора данных от систем имитируются отказные ситуации как в реальном времени, так и по заранее заданным признакам с отдельными или одновременными отказами нескольких элементов или систем. В результате обработки и программного анализа полученных данных корректируются алгоритмы или технические решения самолетных систем, в частности теплогидравлические и конструктивные параметры. Полученные алгоритмы работы систем позволяют, в частности, отводить тепло от гидросистем, маслосистем, системы воздушного охлаждения, системы жидкостного охлаждения, обеспечивая тепловой баланс ЛА в целом. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ определения теплового баланса самолета, включающий сбор данных от датчиков топливной системы, системы кондиционирования воздуха, контура гидросистемы, маслосистемы генератора, системы жидкостного охлаждения, обработку полученных данных в блоке анализа и расчета и получение теплогидравлических и конструктивных параметров указанных систем, при этом в процессе сбора данных от систем имитируются отказные ситуации как в реальном времени, так и по заранее заданным признакам с отдельными или одновременными отказами нескольких элементов или систем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе топлива топливной системы осуществляется от датчиков топливных баков, на входе и выходе насоса, входе и выходе трубопроводов, обратных клапанов, заслонок, фильтров.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе воздуха системы кондиционирования воздуха осуществляется от датчиков турбокомпрессора, теплообменников, на входе и выходе трубопроводов, обратных клапанов, заслонок.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе гидрожидкости гидросистемы осуществляется от датчиков гидронасоса на всасывании, нагнетании и сливе, входе и выходе трубопроводов, гидробаков, обратных клапанов, заслонок, фильтров.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе масла маслосистемы генератора осуществляется от датчиков на входе и выходе трубопроводов, входе и выходе насоса, бачков заслонок, фильтров.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор данных о температуре, давлении, расходе антифриза системы жидкостного охлаждения осуществляется от датчиков на входе и выходе насоса, на входе и выходе трубопроводов, бачков, обратных клапанов, заслонок, фильтров.