Анализ и выбор рациональной аэродинамической компоновки экраноплана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Антипин, Максим Иванович

• Антипин, Максим Иванович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антипин, Максим Иванович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКРАНОПЛАНОВ РАЗЛИЧНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КОМПОНОВОК.

1.1 Экранопланы в транспортной системе мира. Эффективность. применения экранопланов.

1.2 Экранопланы, классификация, уровень технического развития.

1.3 Проблемы создания экранопланов.

1.3.1 Компоновки экранопланов.

1.4 Исследования и методы выбора рациональной компоновки. экраноплана.

1.5 Цель и задачи исследования.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ НЕСУЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПЛАНЕ И ИХ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

2.1 Вихревая теория и метод дискретных вихрей применительно к задачам околоэкранной аэродинамики экранопланов различных аэродинамических схем.

2.2 Влияние формы несущих поверхностей в плане на аэродинамические характеристики вблизи экрана.

2.3 Влияние взаимного положения несущих поверхностей конечного размаха на аэродинамические характеристики вблизи экрана.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛИКА ЭКРАНОПЛАНА НА ЭТАПЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

3.1 Массовые характеристики.

3.2 Аэродинамические характеристики.

3.3 Балансировочные характеристики.

3.4 Характеристики силовой установки.

3.5 Расчетная модель функции локальной эффективности экраноплана.

3.6 Методика выбора рациональных параметров. аэродинамической компоновки экраноплана.

3.6.1 Алгоритм выбора рациональных параметров. аэродинамической компоновки.

3.6.2 Формирование таблицы испытаний.

3.6.3 Целевые функции.

3.6.4 Критериальные ограничения.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ НЕСУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

4.1 Методы исследования движения вблизи опорной поверхности.

4.2 Конструктивная схема экспериментальной установки.

4.3 Аэродинамический эксперимент.

4.4 Методика аэродинамического эксперимента.

4.4.1 Расчет тарировочных коэффициентов тензовесов.

4.4.2 Оценка погрешности эксперимента.

4.5 Результаты по главе.

5 ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ ПОСТРОЕНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ.

5.1 Результаты по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и выбор рациональной аэродинамической компоновки экраноплана»

Актуальность темы исследования. В настоящий момент с возрастанием потребностей в скоростной транспортировке грузов, с необходимостью освоения труднодоступных районов, со снижением запасов энергоресурсов возникает потребность в экономичном, экологичном, высокоскоростном виде транспорта непосредственно каковым является экраноплан.

Экраноплан - это летательный аппарат, полет которого в основном эксплутационном режиме осуществляется за счет использования экранного эффекта над водой или какой- либо другой поверхностью без постоянного контакта с такой поверхностью; ЭП поддерживается в воздухе, главным образом, благодаря аэродинамической подъемной силе, возникающей на крыле (крыльях), корпусе или частях, приспособленных для использования экранного эффекта [109].

Экранный эффект проявляется в образовании динамической воздушной подушки между крылом и подстилающей поверхностью. В результате увеличивается аэродинамическая подъемная сила, снижается аэродинамическое сопротивление и как следствие возрастает аэродинамическое качество аппарата. Увеличение подъемной силы и качества экраноплана, по сравнению с самолетами, вертолетами и другими JIA позволяет увеличить грузоподъемность, уменьшить расход топлива и увеличить дальность полета, что приведет к повышению экономической эффективности по сравнению с другими летательными аппаратами.

Аэродинамическое сопротивление экраноплана намного меньше полного (гидродинамического плюс аэродинамического) сопротивления обычного водоизмещающего судна, СПК или СВП, это дает возможность увеличить скорость аппарата более чем в два раза при той же мощности энергетической установки.

Долгое время работы по экранопланам носили только либо научно-исследовательский характер, либо представляли собой опытно-конструкторские работы по поиску компоновки экраноплана способной обеспечить требования безопасности движения. Мешали этому разрозненность проводимых исследований, отсутствие единого исследовательского центра, сложность решения проблемы старта и преодоления гидродинамического «горба» сопротивления для экранопланов базирующихся на воде, обеспечения устойчивости во всем диапазоне полетных скоростей и отстояний, получения высокого аэродинамического качества летательного аппарата.

В большинстве развитых стран мира конструкторские бюро: Techno Trans, АО Roks-Aero, MARIC, Advanced Technology Concepts (АТС), Fischer Flugmechanik (FF),

Aerocon, Airfoil Development GmbH (AFD), Strahl, Homebuilts, China Academy of Science and Technological Development (CASTD), China Ship Scientific Research Centre (CSSRC), Flying Dragon Technology Ltd, ATT, Seabus, Delta V, Botec и др. при создании экранопланов отдают предпочтение определенной компоновочной схеме в силу сложившихся традиций. Задачи исследования:

- анализ влияния формы крыла в плане малого удлинения на аэродинамические характеристики вблизи экрана; анализ влияния взаимного положения несущих поверхностей на аэродинамические характеристики вблизи экрана;

- разработка модели формирования облика экраноплана;

- разработка методики выбора рациональных параметров аэродинамической компоновки экраноплана;

- экспериментальная оценка результатов расчетов;

- разработка программы выбора рациональных параметров экраноплана. Объектом исследования в работе является математическая модель облика экраноплана.

Предмет исследования - аэродинамические характеристики крыльев различной формы в плане с углом поперечного V, различных аэродинамических компоновок экранопланов: «Утка», «Самолетная», «Триплан», весовые и технико-экономические показатели проектируемого экраноплана.

Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных авторов в области аэродинамики крыла вблизи экрана: Я.М. Серебрийского, Л.И. Седова, P.E. Алексеева, Р.Д Иродова [42], Синицына Д.Н. [109], Н.И. Белавина [15], Н.Б. Плисова[71], К.В. Рождественского, М.А. Басина, В. П. Шадрина, В.М. Гадецкого, В.Н. Архангельского, A.B. Небылова, В.И. Жукова [39], А.Н. Панченкова [64,67], в области численного моделирования методом дискретных вихрей (МДВ) - С.М. Белоцерковского [11,17,62], И.К. Лифанова [50], также работы в области оптимизации и теории принятия решений и оптимального проектирования И.М.Соболева [25], В.В. Подиновкого[73,74], B.C. Брусова [59], А.Н. Панченкова [65,66] , А.И. Маскалика, Б.А Колызаева [110].

Методы исследований. В расчетной методике вычисления аэродинамических характеристик системы .несущих крыльев произвольной формы вблизи экрана использован метод аппроксимации и сглаживания данных по результатам численного моделирования. При тарировке аэродинамических тензовесов использовался план многофакторного эксперимента. Погрешность аэродинамического эксперимента оценивалась применением метода наименьших квадратов.

Научная новизна заключается в том, что в работе:

- предложена методика расчета аэродинамических характеристик крыльев произвольной формы в плане и системы несущих поверхностей экраноплана в зависимости от формы и расположения относительно друг друга;

- предложна модель формирования облика экраноплана и методика выбора рациональных параметров аэродинамической компоновки экраноплана методом зондирования пространства параметров.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- рационализации формы крыла в плане экраноплана для обеспечения продольной устойчивости вблизи опорной поверхности и получения более высокого аэродинамического качества при высокой несущей способности. Создании методики расчета аэродинамических характеристик крыла произвольной формы в плане;

- рационализации несущей системы экраноплана для обеспечения продольной устойчивости вблизи опорной поверхности и получения более высокого аэродинамического качества при высокой несущей способности. Создании методики расчета аэродинамических характеристик несущей системы экраноплана; рационализации параметров экраноплана на стадии технического проектирования. Создании методики расчета рациональных параметров экраноплана удовлетворяющего поставленному заданию на проектирование и позволяющей получить аппарат совершенный не только в аэродинамическом смысле, но ив весовом и экономическом;

- автоматизации процесса выбора параметров экраноплана на этапе технического предложения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на заседании кафедры «Самолетостроение и эксплуатация авиационной техники» Иркутского государственного технического университета 2006-2008г., на научных конференциях: «Наука, технологии, инновации», Новосибирск, 2006, Международная научная конференция «Решетневские чтения», Красноярск, 2006-2008г., «Туполевские чтения», Казань, 2006,2009г.

Содержание работы

В главе 1 рассматриваются: эффективность транспортных средств; аэрогидродинамические компоновки экранопланов, на основе обзора известных аппаратов. Дан анализ основных теоретических и практических научных работ по влиянию формы крыла в плане и взаимного положения несущих поверхностей вблизи опорной поверхности на его аэродинамические параметры. Обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследования

В главе 2 представлена методика расчета аэродинамических характеристик крыльев малого удлинения различной формы в плане и систем несущих поверхностей в зависимости от геометрических параметров.

В главе 3 предложена модель формирования облика экраноплана и алгоритм выбора рациональных параметров экраноплана. Представлены результаты расчетов.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию аэродинамических характеристик несущих систем вблизи экрана. Представлена методика проведения аэродинамического эксперимента: определение аэродинамических характеристик модели; расчет тарировочных коэффициентов для внешних трехкомпонентных тепзовесов при совместном нагружении измерительных каналов; оценка погрешностей измерений. Представлены результаты экспериментов.

В главе 5 посвящена сравнению теоретических и экспериментальных результатов, установке адекватности построенной математической модели, программе выбора рациональных параметров компоновки экраноплана реализующий алгоритм зондирования пространства параметров.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Самолетостроение и эксплуатации авиационной техники»; научному руководителю - к.т.н., доценту Гусеву И.Н -за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Антипин, Максим Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных в работе исследований получены следующие результаты:

1 Разработана методика расчета и получены функциональные зависимости для определения аэродинамических характеристик: коэффициента подъемной силы Су — /(а, к), коэффициента продольного момента = /(а, к), безразмерной координаты аэродинамического фокуса крыла хи=/(а,К)^ коэффициента индуктивного сопротивления = /М как всей системы так и для отдельных несущих элементов, для профилей и крыльев конечного размаха, учитывающих вид несущих поверхностей в плане в частности прямоугольных, треугольных с углом поперечного У<0 или У>0

2 Разработана методика расчета и получены функциональные зависимости аэродинамических характеристик несущих поверхностей различной формы.

2.1 Решены линейные стационарные задачи безотрывного обтекания для крыла прямоугольной формы в плане, крыла треугольной формы в плане с углом поперечного У>0 и У<0, получены численные значения аэродинамических коэффициентов су (а,Ь) и т2 (а,И), относительной координаты аэродинамического фокуса х^с^И).

2.2 Построены функциональные зависимости су=Г(а,Ь), ш^^а.Ь), хрДа,!!) для различных удлинений.

2.3 Получены многочлены, позволяющие определить диапазон углов атаки и относительных высот устойчивого движения несущей поверхности вблизи экрана. Кроме этого сделаны выводы, что для крыльев треугольной формы в плане с углами поперечного У<0 или У>0 наблюдается меньшее смещение аэродинамического фокуса при изменении высоты движения, однако отсутствие шайб на крыльях с углом поперечного У>0 приводит к их худшей несущей способности.

3 Разработана математическая модель выбора параметров экраноплана, методика выбора рациональных параметров методом зондирования гипероктанта варьируемых параметров.

4 Изготовлены трех(двух)компонентные тензовесы, блок измерения и усиления, модели несущих поверхностей. Определены тарировочные коэффициенты и погрешности измерений для каждого типа тензовесов.

5 Построенная математическая модель в диапазоне углов атаки несущих поверхностей 0. .8 градусов дает расхождение с опытными данными менее 0,18 .

6 Создан программный модульный комплекс «Проектирование экраноплана» для расчета взлетной массы, компоновки, аэродинамических характеристик, экономических показателей малых экранопланов типа А с единой силовой установкой с двигателями ПД, ТВД с целью обеспечения выбора рациональных параметров. Позволяющий проводить проектирование и анализ получаемых решений на этапе технического предложения, что позволит не только экономить время на разработке эскизного проекта и рабочего, но и максимально приблизить решение к конечному результату. Кроме того данная программа позволит проводить аэродинамический анализ проекта уже на этапе эскизного проектирования.

7 Используя программный комплекс и разработанный метод выбора рациональных параметров спроектирован экраноплан аэродинамической компоновки «Утка» грузоподъемностью 150 кг и дальностью полета 250км способный двигаться не только в заданном режиме (0,1-0,2Ьа), но и вне экрана. Получены следующие рациональные параметры экраноплана:

- удлинение крыла >>жр=1,9;

- удлинение ПГО Хпго=1,7;

-относительная площадь ПГО Snro/Sro=0,43;

-угол установки крыла 1град;

-угол установки ПГО относительно крыла 3 град;

-вынос оперения по высоте 0,04Ьа;

- плечо ПГО Lnro=2,9.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антипин, Максим Иванович, 2009 год

1. Амосов A.A. Вычислительные методы для инженеров Текст./ Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В.-М.: ФМЛ, 1994- 546с.

2. Антипин М.И. Анализ и выбор аэрогидродинамических компоновок экранопланов Текст. / М.И. Антипин, И.Н. Гусев // Решетневские чтения. Материалы X международной научной конференции. Красноярск: СибГАУ, 2006 с.5-6

3. Антипин М.И. Анализ несущих комплексов экранопланов методом дискретных вихрей Текст./ М.И. Антипин// XV Туполевские чтения Материалы международной молодежной научной конференции. Казань: КГТУ, 2007 с.90-91

4. Антипин М.И. Постановка задачи выбора рациональных параметров экранопланов методом ИПП Текст./ М.И. Антипин// Наука, технологии, инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. Новосибирск: НГТУ, 2006 с. 91-93

5. Антипин М.И. Анализ несущих поверхностей экранопланов Текст. /М.И. Антипин, И.Н.Гусев //Решетневские чтения Материалы XI международной научной конференции. Красноярск:СибГАУ,2007 с.5-6

6. Антипин М.И. Анализ несущих поверхностей экранопланов Текст./ М.И. Антипин, И.Н. Гусев // ВЕСТНИК Сибирского государственного аэрокосмического университета имени М.Ф. Решетнева. Красноярск, СибГАУ 2008 с.101-105

7. Антипин М.И. Математическая модель выбора параметров при эскизном проектировании экраноплана Текст./ М.И. Антипин, И.Н. Гусев // Решетневские чтения Материалы XII международной научной конференции. Красноярск: СибГАУ, 2008 с. 171-173

8. Антипин М.И. Трех- двухкомпонентные тензовесы Текст. / М.И. Антипин// XVI Туполевские чтения Материалы международной молодежной научной конференции. Казань: КГТУ, 2009 с.92-93

9. Арушанян И.О.Численное решение интегральных уравнений методом квадратур Текст./ Арушанян И.О. -М.: ФМЛ,1999-71с.

10. Аубакиров Т.О. Нелинейная теория крыла и ее приложения Текст./ Аубакиров Т.О., БелоцерковскийС. М., Н и ш т М. И. -Алматы:Гылым,1997.-448с.12