Выбор рациональных параметров экраноплана схемы "утка" с учётом интерференции несущих поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Бобарика, Игорь Олегович

• Бобарика, Игорь Олегович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бобарика, Игорь Олегович

Условные обозначения и сокращения

Введение

1. Общее состояние вопроса и постановка задачи

1.1 Основные проблемы и пути их решения

1.2 Учёт интерференции различных частей экраноплана. Методы и исследования

2. Выбор рациональных параметров взаимного расположения несущих поверхностей схемы «утка» в зоне действия экранного эффекта 29 2.1. Исследование возможности применения факторного эксперимента и регрессионного анализа как метода поиска решения

2.1.1 Факторный эксперимент

2.1.2 Построение математической модели

2.1.3 Статическая проверка результатов эксперимента

2.1.4 Гипотеза о наличии закономерности изменений аэродинамического качества системы несущих поверхностей при изменениях значений варьируемых параметров

2.2 Определение поведения потока вблизи несущих поверхностей в зоне действия экранного эффекта

2.2.1 Определение угла скоса потока за несущей поверхностью

2.2.2 Определение угла отклонения потока перед несущей поверхностью

2.3 Определение поведения потока в межкрыльевом пространстве

2.4 Обеспечение положительной интерференции несущих поверхностей

2.4.1 Подсасывающая сила. Сопротивление несущей поверхности

2.4.2 Обеспечение безударного обтекания задней несущей поверхности

2.4.3 Определение коэффициента интерференции несущих поверхностей

3. Экспериментальные исследования системы несущих поверхностей схемы утка»

3.1 Цель эксперимента

3.2 Описание экспериментального комплекса

3.3 Методика проведения испытаний

3.3.1 Этап 1. Исследование изолированных несущих поверхностей в зоне влияния экрана

3.3.2 Этап 2. Определение рациональных взаимных расположений несущих поверхностей

3.3.3 Этап 3. Формирование поля данных

3.4 Анализ и качественные оценки на основе результатов эксперимента 99 4. Рекомендации по выбору конструктивных параметров экранопланов схемы утка»

4.1 Фюзеляж

4.2 Система несущих поверхностей 109 Заключение 112 Список литературы 114 Приложение А 128 Приложение Б 144 Приложение В 157 Акты внедрения

Условные обозначения и сокращения

Условные обозначения: ос - угол атаки; апр — предельный угол атаки НП Ь - хорда несущей поверхности;

ЬА — средняя аэродинамическая хорда несущей поверхности; Ь0 - корневая хорда несущей поверхности; Ь; - коэффициент регрессии; Г - циркуляция скорости;

1 — количество определяемых коэффициентов уравнения регрессии; б - угол скоса потока; — угол скоса потока за передней НП в присутствии задней НП (определённый по потоку); е1 — угол отклонения потока перед задней НП в присутствии передней НП определённый против потока); °1из ~ коэффициент подсасывающей силы изгиба; св — коэффициент волнового сопротивления; сд - коэффициент сопротивления давления; сшд ~ коэффициент индуктивного сопротивления; стр ~ коэффициент сопротивления трения; с( - коэффициент подсасывающей силы; с( — коэффициент подсасывающей силы разряжения; сх - коэффициент продольной силы; сха — коэффициент полного аэродинамического сопротивления; суа - коэффициент подъёмной силы;

Су - производная коэффициента подъёмной силы по углу атаки; Вф - диаметр фюзеляжа; Р — Б-критерий Фишера;

Ркр — критическое значение Б-критерия Фишера;

НПго2 ~ абсолютная высота задней кромки передней несущей поверхности над экраном;

Я - абсолютная высота носка крыла над экраном.

И - отстояние от опорной поверхности; к - относительное отстояние от опорной поверхности; гу- - относительное отстояние точки фокуса НП по углу атаки от экрана; ка — относительное отстояние вихревой пелены от экрана в рассматриваемой точке; J — коэффициент Кохрена;

Зкр — критическое значение коэффициента Кохрена;

К — аэродинамическое качество несущей системы; к — число факторов; к — отношение размаха несущей поверхности к расстоянию между свободными вихрями;

Кинт - коэффициент интерференции; ^—коэффициентинтерференции силы сопротивления; К у — коэффициент интерференции подъёмной силы;

Ь — расстояние по горизонтали от крыла до рассматриваемой точки А, лежащей в плоскости сходящих вихрей; Ьф - длина фюзеляжа;

Ь — расстояние между задней кромкой передней несущей поверхности и носком задней несущей поверхности, отнесённое к хорде передней несущей поверхности;

Ь/ — расстояние между фокусами передней и задней НП, отнесённое к хорде задней НП;

ЬРЧ— ширина рабочей части аэродинамической трубы; / - полуширина вихревого следа; 1нп — размах несущей поверхности; Лф — удлинение фюзеляжа;

ЛЛф — изменение удлинения фюзеляжа;

X - удлинение несущей поверхности; т — масштабный коэффициент; т0— полная масса экраноплана; тф — масса конструкции фюзеляжа;

Атф — изменение массы конструкции фюзеляжа;

N - число опытов; п - число параллельных опытов;

77 - сужение несущей поверхности; у - число уровней варьирования факторов;

А и — интервал варьирования фактора; р - давление;

РГХ) — давление набегающего потока; Рвозм - давление в возмущённом потоке; Ртш - давление в центре вихря; р - плотность; q — коэффициент значимости; Яе — число Рейнольдса; г - радиус вихря;

Б — площадь несущей поверхности; о,- - среднеквадратичная дисперсия 1-го опыта; $ад ~ среднеквадратичная дисперсия адекватности; оваспр - среднеквадратичная дисперсия воспроизводимости; шах— наибольшая среднеквадратичная дисперсия, определённая по результатам параллельных опытов; тжр ~ коэффициент экранирования; и — интенсивность вихря; и«, — скорость набегающего потока; ивозм — скорость возмущённого потока; Ха - сила сопротивления несущей системы; х - фактор в безразмерной системе координат;

X1/ ~ угол стреловидности несущей поверхности по линии 14 хорд;

Хз.к.пго ~ угол стреловидности ПГО по задней кромке;

Хп.к.КР ~ угол стреловидности крыла по передней кромке;

Уа — подъёмная сила несущей системы; у - параметр рационализации; уср—- среднее арифметическое функции отклика из параллельных опытов; у1п— значение функции отклика в п-ном параллельном опыте ьтой комбинации значений факторов; у1— значение функции отклика при ьтой комбинации факторов, предсказанное уравнением регрессии; со — завихрённость; О — угловая скорость;

Сокращения:

АДП - аппарат с динамической воздушной подушкой; АДТ — аэродинамическая труба;

АТТК - Арктическая торгово-транспортная компания;

ЗАО — закрытое акционерное общество;

ИВВАИУ (ВИ) — Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище военный институт); ИрГТУ - Иркутский государственный технический университет; КГТУ — Казанский государственный технический университет имени А.Н.

Туполева; ЛА — летательный аппарат; МАИ - Московский авиационный институт;

МГИУ - Московский государственный индустриальный университет;

МДВ — метод дискретных вихрей;

МКЭ - метод конечных элементов;

ММО - международная морская организация;

НИР - научно-исследовательская работа;

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская разработка;

НП — несущая поверхность;

ПГО — переднее горизонтальное оперение;

ПФЭ - полный факторный эксперимент;

САПР - система автоматизированного проектирования;

СибГАУ - Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнёва; ТЗ - техническое задание; ТПМ - теория Прандтля-Мунка; ФТС - факультет транспортных систем; ЦТ — центр тяжести;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор рациональных параметров экраноплана схемы "утка" с учётом интерференции несущих поверхностей»

В условиях современной мировой экономики, когда возможности существующей транспортной системы практически исчерпаны, существует острая необходимость в более совершенной транспортной системе, способной обеспечить круглогодичное скоростное сообщение с труднодоступными районами Восточной Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока в условиях всё более ужесточающихся экологических норм, норм безопасности и требований повышенной коммерческой эффективности. Основным элементом такой транспортной системы должны стать перспективные транспортные средства, специально спроектированные для выполнения поставленных задач. Транспортные средства, использующие эффект опорной поверхности и обладающие важным свойством амфибийности представляются наиболее приоритетными.

Важное место среди них занимают транспортные аппараты, использующие положительное влияние опорной поверхности (земли, воды, снега, льда и т.д.) на аэродинамические характеристики крыла - экранопланы [12, 13]. Аэродинамическое качество (отношение подъёмной силы к силе полного сопротивления) и, как следствие, коммерческая эффективность экранопланов может быть значительно выше, чем у иных летательных аппаратов, что обусловлено увеличением подъёмной силы и уменьшением индуктивного сопротивления при движении несущей поверхности вблизи экрана. При этом уменьшение потребной тяговооружённости и, как следствие, массы силовой установки, удельного расхода топлива и объёмов топливных баков, позволяет дополнительно увеличить коммерческую эффективность.

Актуальность диссертации состоит в обеспечении высокого аэродинамического качества экраноплана схемы «утка» вблизи экрана для сохранения высокой экономической эффективности, обеспечивающей целесообразность его создания.

Целью работы является выбор рациональных параметров взаимного расположения частей несущей системы экраноплана схемы «утка» с учётом интерференции его несущих поверхностей для обеспечения высокой транспортной эффективности.

Задачи исследования заключаются в следующем:

1. Провести анализ влияния интерференции несущих поверхностей при выборе рациональных параметров экраноплана схемы «утка» для обеспечения максимального аэродинамического качества аппарата вблизи опорной поверхности.

2. Разработать методику определения рациональных параметров с учётом взаимовлияния несущих поверхностей.

3. Провести экспериментальные исследования модели системы НП для подтверждения достоверности разработанной математической модели, оценки влияния конструктивных и эксплуатационных параметров и сравнения их с теоретическими результатами.

4. На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по выбору конструктивных и эксплуатационных параметров при проектирования реальных аппаратов.

Объектом исследования является несущая система экраноплана схемы «утка», движущегося на малых отстояниях от опорной поверхности.

Методы исследования, использованные в работе, сочетали в себе теоретический и экспериментальный подходы для решения поставленных задач. В частности, теоретические исследования основывались на общепринятых теоретических положениях метода скоса потока, метода зеркального отражения, метода максимальных приближений, околоэкранной аэродинамики и элементов теории концентрированных вихрей. Экспериментальные исследования осуществлялись в соответствии с теорией планирования эксперимента и теорией подобия, а обработка экспериментальных данных производилась согласно методу наименьших квадратов и методу регрессионного анализа. Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных авторов в области аэродинамики крыла вблизи экрана: Н.Ф. Краснова, С.М. Кудрявцева, Г.А. Колесникова, Д. Кюхемана, C.B. Алексеенко, П.А. Куйбина, B.JI.

Окулова, А.Н. Панченкова, К.В. Рождественского, А.Н. Секундова, О.В. Яковлевского, Е.М Шахова, Я.М. Серебрийского, Л.И. Седова, P.E. Алексеева, Р.Д Иродова, С.М. Белоцерковского, Н.И. Белавина, Н.Б. Плисова и др., а также научные труды отечественных авторов в области проектирования авиационной техники: С.М. Егера, Д.Н. Синицына, А А. Бадягина, И.Н. Гусева, Е.В. Тарасова, Э. Торенбика, H.H. Фадеева, В.М. Шейнина, В.И. Козловского, В.П. Мишина, В.К. Безвербого, Б.М. Панкратова, В.И. Зернова и др.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель и алгоритм определения траектории потока в межкрыльевой области с учётом интерференции НП;

2. Выполнено развитие метода скоса потока для определения интерференции несущих поверхностей на малых отстояниях от опорной поверхности, а также при исследовании систем несущих поверхностей;

3. Получены экспериментальные данные по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на аэродинамическое качество экраноплана схемы «утка» вблизи опорной поверхности, позволяющие, в свою очередь, производить корректировки массы конструкции и габаритных размеров аппарата, а также сформулировать ряд рекомендаций к его проектированию;

4. Разработано устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, позволяющее обеспечить отсутствие интерференции между измерительными каналами, повысить экономическую эффективность из-за отсутствия необходимости в определении продольной составляющей вектора аэродинамического сопротивления поддерживающего устройства в «пустой» аэродинамической трубе при отсутствии модели на тех же, что и с моделью, режимах испытаний, и, как следствие, повысить точность измерений, а также определять аэродинамические характеристики различных моделей, в том числе и состоящих из нескольких элементов, не имеющих между собой непосредственной физической связи, с учётом их интерференции при различных параметрах их взаимного расположения (изменение установочных углов атаки каждой из НП, изменение отстояния от опорной поверхности для каждой из НП в отдельности и изменение расстояния между НП). Кроме того, поддерживающее устройство адаптировано для возможности навески различных по конфигурации и габаритным размерам НП. Устройство защищено патентом [24].

Практическая значимость работы и внедрение. Диссертационная работа выполнена в рамках гос. бюджетной НИР «Разработка перспективных летательных аппаратов и технологии их производства и эксплуатации» (§ 47/109), выполняемой на кафедре «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» Иркутского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы и алгоритмы, разработанные в ней, позволяют решать задачи рационального проектирования несущей системы экраноплана схемы «утка» и использованы в учебной и научной работе кафедры «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» Иркутского государственного технического университета, кафедры летательных аппаратов Иркутского филиала Московского государственного технического университета гражданской авиации и кафедры аэродинамики и конструкции летательных аппаратов Иркутского высшего военного авиационного инженерного училища (военного института).

Публикация и апробация работы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Бобарика И.О. Факторный эксперимент и регрессионный анализ при выборе оптимальных параметров взаимного расположения несущих поверхностей схемы «утка» в зоне влияния экранного эффекта. [Текст] / И.О. Бобарика // Развитие транспорта в регионах России: Проблемы и перспективы: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Кировский филиал МГИУ - Киров, 2007. - С. 90 - 93. Библиогр.: с. 90 - 93.

2. Бобарика И.О. Методика определения угла отклонения потока вблизи несущей поверхности в зоне действия экранного эффекта. [Текст] / И. О. Бобарика // 7-я Международная конференция «Авиация и космонавтика

2008»:Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ ПРИНТ, 2008. - С. 35. Библиогр.: с. 35.

3. Бобарика И.О. Аналитические методы на этапе концептуального аэродинамического проектирования летательного аппарата [Текст] / И.О. Бобарика // Решетнёвские чтения: Материалы XII междунар. науч. конф., посвящ. Памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва; под общ. Ред. И.В. Ковалёва / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. — Красноярск, 2008. — С. 9 — 10. Библиогр.: с. 9 - 10.

4. Бобарика И.О. Интерференция различных частей летательного аппарата. Методы и исследования. [Текст] / И.О. Бобарика // Проблемы Земной цивилизации / Межвуз. сб. науч. тр. / Под общ. ред. В.А. Анохина, Н.М. Пожитного. Вып. 21. — Иркутск, 2008. — С. 185 — 188. Библиогр.: с. 185 — 188.

5. Бобарика И. О. Выбор рационального взаимного расположения несущих поверхностей экраноплана схемы «утка». [Текст] / И.О. Бобарика, И.Н. Гусев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф Решетнёва. Выпуск 1(22) в 2 частях. Часть 1- Красноярск, 2009. С.73 — 77. Библиогр.: с. 73 - 77.

6. Бобарика И.О. Рационализация аэродинамической компоновки экраноплана схемы «утка». [Текст] / И.О. Бобарика // Тезисы XVI Международной научно-технической конференции «Туполевские чтения» -Казань. КГТУ, 2009. С. 19 - 20. Библиогр.: с. 19 -20.

7. Бобарика И.О. Экспериментальные исследования интерференции несущих поверхностей экраноплана схемы «утка». [Текст] / И.О. Бобарика // Тезисы V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ - 09» - Казань. КГТУ, 2009. С.27 - 30. Библиогр.: с. 27 - 30.

8. Бобарика И.О. Проектирование экраноплана схемы «утка» с учётом интерференции его несущих поверхностей [Текст] / И.О. Бобарика // Решетнёвские чтения: Материалы XIII междунар. науч. конф., посвящ. 50летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнёва, 50 - летию ОАО «Информационно -спутниковые системы», 85 — летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва (10 - 12 ноября 2009г.) в двух частях. Часть I; под общ. ред. доктора физ. — мат. наук Ю.Ю. Логинова / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2009. - С. 17-18. Библиогр.: с. 17-18.

9. Бобарика И.О. Проектирование экраноплана схемы «утка» с учётом интерференции его несущих поверхностей. [Текст] / И.О. Бобарика // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф Решетнёва. Выпуск 1(22) в 2 частях. Часть 1.— Красноярск, 2010. С. — . Библиогр.: с.

10. Бобарика И.О. Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и аэродинамического момента [Текст]: пат. 89231 Рос. Федерация: МПК7 в01М 9/06; вОЮ 3/12 / авторы и составители И.О. Бобарика, И.Н. Гусев; патентообладатель ФГУП Иркутский государственный технический университет - №2009128091; приоритет 20.07.2009.

Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Ежегодная внутривузовская научно-практическая конференция ФТС ИрГТУ 2006-2009гг;

2. Всероссийская научно-практическая конференция «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы», Кировский филиал МГИУ, Киров, 5.03.2007.

3. 7-я международная научная конференция «Авиация и космонавтика — 2008», МАИ, Москва, 20 - 22.10.2008;

4. XII международная научная конференция «Решетнёвские чтения», СибГАУ, Красноярск, 10 - 12.11.2008;

5. XVI международная научно-техническая конференция «Туполевские чтения», КГТУ. Казань, 11 - 12. 04. 2009;

6. V всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-09», КГТУ, Казань, 12-13.10. 2009;

7. XIII международная научная конференция «Решетнёвские чтения», СибГАУ, Красноярск, 10 - 12.11.2009.

Структура и содержание.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Насчитывает 158 страниц, содержит 12 таблиц, 60 рисунков, библиографии 123 наименований отечественных и зарубежных авторов, копии 3"х актов внедрения, а также распечатку программы.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Бобарика, Игорь Олегович

2. Результаты работы использовались в научной работе ИВВАИУ (ВИ) по направлениям разработки требований к экранопланам и их конструкции, исследования аэродинамических характеристик перспективных компоновок экранопланов, экспериментальному определению оптимальных компоновок экранопланов.

3. Методы планирования аэродинамического эксперимента, разработанные автором, результаты исследований использовались при разработке планов эксперимента исследований в Иркутском ВВАИУ (ВИ) по направлению исследования аэродинамики экранопланов.

Начальник кафедры аэродинамики и конструкции летательных аппаратов кандидат технических наук, доцедт-^подкш "

С. Кривель ^ ^ 2008 г

Преподаватель кафедры аэродинамики и конструкции летательных аппаратов подполковник ¿Лу^ О. Акулов €О 2008 г 1

АКТ внедрения результатов работы на соискание учёной степени кандидата технических наук Бобарика Игоря Олеговича

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКРАНОПЛАНА СХЕМЫ «УТКА» С УЧЁТОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ НЕСУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Результаты диссертационной работы Бобарика И.О., а именно: математическая модель определения рациональных взаимных расположений несущих поверхностей экраноплана схемы «утка»; экспериментальный комплекс, включающий запатентованное устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента; рекомендации по выбору конструктивных параметров экраноплана схемы «утка», используются в процессе обучения студентов 4-5 курсов специальностей 160201 «Самолёто- и вертолётостроение» и «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» по дисциплинам «Аэродинамика» и «Проектирование самолётов» на кафедре «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» Иркутского государственного технического университета.

Заведующий кафедрой «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники»

И.Н. Гусев

О. Горбачев 2010 г

4 О «Л'

Акт*-, внедрения результатов работы на соискание ученой степени кандидата технических наук Бобарика Игоря Олеговича «ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКРАНОПЛАНА СХЕМЫ «УТКА» С УЧЕТОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ НЕСУЩИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ»

Результаты диссертационной работы Бобарика И.О., а именно методика выбора параметров летательного аппарата (экраноплана) на основе методов планирования эксперимента и программное обеспечение для ЭВМ, используются в учебной и научной работе кафедры летательных аппаратов Иркутского филиала Московского государственного технического университета гражданской авиации. В частности, методика планирования вычислительного и физического экспериментов и метод выбора рациональных параметров аэродинамической компоновки экраноплана использовалась в рамках дипломного и курсового проектирования по дисциплинам кафедры. Результаты моделирования экспериментальных, полученные в работе, используются в научной работе кафедры по направлению создания оптимальных аэродинамических компоновок экранопланов.

Заведующий кафедрой летательных аппаратов ИФ МГТУ ГА кандидат технических наук, доцент

С. Кривель ^ 2010 г