DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-961-996


УДК533.65

О СОВРЕМЕННОМ ПОДХОДЕ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ САМОЛЕТНОГО ТИПА С КОРОТКИМ ВЗЛЕТОМ И ПОСАДКОЙ

Булат П. В., Минин О. П.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Булат П.В., Минин О.П. О современном подходе к проектированию беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с коротким взлетом и посадкой // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 6. С. 961–996. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-961-996

Аннотация

Настоящая публикация посвящена актуальным задачам проектирования беспилотных летательных аппаратов следующего поколения, появления которых стоит ожидать в период с 2025 г. по 2035 г. Одной из них является концептуальное аэродинамическое проектирование летательных аппаратов с коротким взлетом и посадкой, имеющих на крейсерском участке полета технико-экономические характеристики не хуже, чем у традиционных воздушных судов, базирующихся на аэродромах с длинными взлетно-посадочными полосами. Рассмотрены традиционные линейные методы анализа аэродинамической схемы, а также весовой анализ. Приведены основные соотношения и ссылки на работы, позволяющие выполнить параметрический анализ аэродинамической компоновки. Рассмотрены простые и эффективные аналитические, полуэмпирические и численные методы, основанные на идеях вихревой несущей поверхности, позволяющие выполнять полноценный параметрический анализ летательных аппаратов, имеющих весьма сложную аэродинамическую форму крыла. Приведены примеры расчетов прямого, стреловидного и треугольного крыла малого, умеренного и большого удлинения. Изучен вопрос, связанный с реализацией подсасывающей силы и ее вихревого аналога. Сделан вывод, что одним из самых перспективных направлений в области летательных аппаратов с коротким взлетом и посадкой является разработка аэродинамических схем построенных по типу «летающее крыло» малого удлинения и большой строительной высоты.


Ключевые слова: Национальная технологическая инициатива, «Аэронет», беспилотный летательный аппарат, вертикальный взлет и посадка, короткий взлет и посадка, конвертоплан, аэродинамика, линейная теория крыла Прандтля, крыло малого удлинения

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Соглашение №14.578.21.0203, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57816X0203).

Список литературы
 1.     Национальная технологическая инициатива [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nti.one/nti/, свободный. Яз. рус. (Дата обращения 16.06.2017).
2.     Аэронет 2017 - Мы все еще верим в НТИ, и ждем от власти конкретных действий [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://aerbas.ru/news/2017_06_15_aeronet_2017_-_my_vse_eshche_verim_v_nti, свободный. Яз. рус. (Дата обращения 16.06.2017).
3.     AeroNet. Распределенные системы беспилотных летательных аппаратов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nti.one/markets/aeronet, свободный. Яз. рус. (Дата обращения 16.06.2017).
4.     Булат П.В. На пути к пятому и шестому поколению. Цикл статей. Части 1-10. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://kb-dinamika.ru/publishing-dinamika/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 5.07.2017).
5.     KuüchemannD. The Aerodynamic Design of Aircraft / Ed. J.A. Schetz. Virginia, 2012. 555 p.
6.     FlandroG.A., McMahon H.M., Roach R.L. Basic Aerodynamics: Incompressible Flow. Cambridge University Press, 2012. 432 p.
7.     Drela M. Flight Vehicle Aerodynamics. Cambridge:MIT Press, 2014. 279 p.
8.     Воробьев Н.Ф. Аэродинамика несущих поверхностей в установившемся потоке. Новосибирск: Наука, 1985.239 с.
9.     Белоцерковский С.М. Тонкая несущая поверхность в дозвуковом потоке газа. М.: Наука, 1965. 244 с.
10.  Воронов В.В. Беспилотные грузовые авиаперевозки: потенциал и перспективы // Индустрия беспилотных авиационных систем. Москва, 2016.
11.  Барсук В.Е., Анохин Г.Г. Предложения по организации производства самолетов для местных воздушных линий. Новосибирск, СибНИА им. С.А. Чаплыгина,2012.
12.  Гребеников А.Г., Парфенюк В.В., Парфенюк О.И., Удовиченко С.В. Анализ и выбор комбинированной схемы скоростного беспилотного летательного аппарата // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2010. № 48. С.51–63.
13.  Executive Summary XV-58 Manta // 31st Annual American Helicopter Society International Student Design Competition. Georgia Institute of Technology, 2014.
14.  Cabrit P. Fast rotorcraft LifeRCraft IADPD // Clean Sky 2. Information Day dedicated to the 1st Call for Proposals. Paris, 2015.
15.  Самойлов И.А., Страдомский О.Ю., Фридлянд А.А., Шапкин В.С. Состояние авиационного траспортного комплекса в современных экономических условиях // Комиссия по транспорту и транспортной инфраструктуре Российского союза промышленников и предпринимателей. Москва, 2016.
16.  Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и на дальнейшую перспективу / Под. ред. Д.В. Мантурова, Б.С. Алешина, В.И. Бабкина и др. Москва, ФГУП "ЦАГИ", 2014. 280 с.
17.  Schetz J.A. Boundary Layer Analysis. London: Prentice-Hall, 1993. 586 p.
18.   Schlichting H.Boundary-Layer Theory. New York: McGraw-Hill, 1979. 419 p.
19.  Osterlund J.M. Experimental studies of zero pressure-gradient turbulent boundary-layer flow. Technical Report. Stockholm, Royal Institute of Technology,1999.
20.  Gundlach J. Designing Unmanned Aircraft Systems: A Comprehensive Approach / Ed. Schetz J.A. AIAA, 2012. 869p.
21.  van Es G.W.H.Rapidestimationof the zero-lift drag coefficientof transport aircraft // Journal of Aircraft. 2002.V. 39. N 4. P. 597–599. doi: 10.2514/2.2997
22.  Bolsunovsky A.L., Buzoverya N.P., Gurevich B.I., Denisov V.E. et al. Flying wing: problems and decisions // Aircraft Design. 2001. V. 4. N 4. P. 193–219. doi: 10.1016/S1369-8869(01)00005-2
23.  Kuchemann D. Fluid mechanics and aircraft design // JASI. 1970. V. 22. P. 141.
24.  Küchemann D., Weber J. Analysis of some performance aspects of various types of aircraft designed to fly over different ranges at different speeds // Progress in Aeronautical Sciences. 1968. V. 9. P. 329–456. doi: 10.1016/b978-1-4831-9985-6.50008-4
25.  Lee G.H. Possibilities of cost-reduction with all-wing aircraft // Journal of the Royal Aeronautical Society. 1965. V. 69. P. 744–749.doi: 10.1017/s0368393100081657
26.  Степанов Г.Ю. Теория крыла в трудах Н.Е.Жуковского и С.А. Чаплыгина // Ученые записки ЦАГИ. 1997. Т. 28. №1. С. 6–27.
27.  Anderson J.D., Jr. Fundamentals of Aerodynamics. 5th ed. NY: McGraw-Hill, 2011. 1106 p.
28.  Prandtl L. Theorie des Flugzeügtragflugels im zusammendrückbaren Medium // Luftfahrtforschung. 1936. V. 13. P. 313.
29.  Blenk H. Der Eindecker als tragende Wirbelfläche // ZAMM. 1925. V. 5. N 1. P. 36–47. doi: 10.1002/zamm.19250050104
30.  Голубев В.В. Лекции по теории крыла. М.: Гостехиздат, 1949. 482 с.
31.  Жуковский Н.Е. Теоретические основы воздухоплавания. Т. 5. М.: Гостехиздат, 1950.
32.  Чаплыгин С.А. О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела (к теории аэроплана). Собрание сочинений. Т. 2. М.: Гостехиздат, 1948.
33.  von Helmholtz Н. Uber Integrate der hydrodynamischen Gleichungen, welche den Wirbelbewegungen entsprechen // Journal fur die Reine und Angewandte Mathematik. 1858. N 55. P. 25–55. doi: 10.1515/crll.1858.55.25
34.  Kutta M.W. Auftriebskrafter in stromenden Fliissigkeiten // Illustrierte Aero-nautische Mitteilungen. 1902. N6. P.133–135.
35.  Чаплыгин С.А. Результаты теоретических исследований о движении аэропланов. Собрание сочинений. Т. 2. М.: Гостехиздат, 1948.
36.  D’AlembertParadoxe proposé aux Géomètres sur la résistance des fluides // Opuscules Мathématiques.Paris, 1768.V. 5. P. 132–138.
37.  Lanchester W.F. Aerodynamics. London, 1907.
38.  Жуковский Н.Е. О присоединенных вихрях. Собрание сочинений. Т. 4. М.: Гостехиздат, 1949.
39.  Кочин Н.Е. Гидродинамическая теория решеток. М.: Гостехиздат, 1949. 104 с.
40.  Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика, ч. 1. М.: Физматгиз, 1963. 584 с.
41.  Голубев В.В. Теория крыла аэроплана конечного размаха // Труды ЦАГИ. 1931. № 108.
42.  Дородницын А.А. Обобщение теории несущей линии на случай крыла с изогнутой осью и осью, не перпендикулярной потоку // Прикладнаяматематика и механика. 1944. Т. 8. №1.
43.  Белоцерковский С.М., Лифанов И.К. Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях и их применение в аэродинамике, теории упругости, электродинамике. М.: Наука, 1985. 256 с.
44.  Sears W.R. A new treatment of the lifting-line wing theory, with application to rigid and elastic wings // Quarterly of Applied Mathematics. 1948. V. 6. N 3. P. 239–255. doi: 10.1090/qam/27194
45.  Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Гостехиздат, 1950.443 с.
46.   Anderson J.D. Jr., Corda S., Van Wie D.M. Numerical lifting line theory applied to drooped leading-edge wings below and above stall // Journal of Aircraft. 1980. V. 17. N 12. P. 898–904. doi: 10.2514/3.44690
47.  ЛандауЛ.Д., ЛифшицЕ.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
48.  Maskell E.C. Flow separation in free dimensions // RAE R Aero. 1955. V. 2565.
49.  Falkner V.M. The solution of lifting-plane problems by vortex-lattice theory // ARC Report and Memoranda. 1953. N 2591.
50.  Белоцерковский С.М. Подковообразный вихрь при неустановившихся движениях // Прикладнаяматематика и механика. 1955. Т. 19. № 2.
51.  Bertin J.J., Smith M.L. Aerodynamics for Engineers. 2nd ed. London: Prentice-Hall, 1989. 576 p.
52.  Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К. Аэродинамические производные летательного аппарата и крыла при дозвуковых скоростях. М.: Наука, 1975. 424 с.
53.  Воробьев Н.В., Шишкина Г.И. К вопросу о выборе дискретной вихревой схемы крыла / В кн: Задачи обтекания тел пространственной конфигурации. Новосибирск: ИТПМ, 1978.
54.  Johnson F.T. A general panel method for the analysis and design of arbitrary configurations in incompressible flows // NASA CR 3079. 1980.
55.  Ильинский Н.Б., Абзалилов Д.Ф. Математические проблемы проектирования крыловых профилей: усложненные схемы течения; построение и оптимизация формы крыловых профилей. Казань: Казан. ун-т, 2011.
284 с.
56.  Prandtl L. The generation of vortices in fluids of small viscosity // Journal of the Royal Aeronautic Society. 1927. V. 31. P. 720–741. doi: 10.1017/s0368393100139872 
57.  Flax A.H., Lawrence H.R. The aerodynamics of low-aspect-ratio wings and wing-body combinations // Proc. 3rd Anglo-American Aeron. Conf. 1951. V. 363.
58.  Jones R.T. Properties of low-aspect ratio pointed wings at speeds below and above the speed of sound // NACA R 835. 1946.
59.  Чушкин П.И. Расчет распределения циркуляции по прямоугольным крыльям малого удлинения / Сборник теоретических работ по аэродинамике. М.: Оборонгиз, 1957.
60.  Колесников Г.А. Метод расчета распределения циркуляции крыльев малого удлинения / Сборник теоретических работ по аэродинамике. М.: Оборонгиз, 1957.
61.  Струминский В.В., Лебедь Н.К. Метод расчета распределения циркуляции по размаху стреловидного крыла / Сборник теоретических работ по аэродинамике. М.: Оборонгиз, 1957.
62.  Helmbold H.B. Der unverwundene ellipsenflugel als tragende Fläche // Jahrb. 1942.
63.  Kuchemann D. A simple method for calculating the span and chordwise loading on straight and swept wings of any given aspect ratio at subsonic speeds //RAE R Aero.1952.V. 2476.
64.  Betz A., Prandtl L. Schraubenpropeller mit geringstem enegieverlust //Goettnger Nachtrichten. 1919. P. 193–217.
65.  Smith J.H.H. Theoretical work on the formation of vortex sheets // Progress in Aerospace Sciences. 1966. V. 7. P. 35–51. doi: 10.1016/0376-0421(66)90005-4
66.  Polhamus E.C. A concept for the vortex lift of sharp-edge delta wings based on a leading edge suction analogy // NASA TN D-3767 (N67-13171). 1966.
67.  Polhamus E.C. Charts for predicting the subsonic vortex-lift characteristics of arrow, delta, and diamond wings // NASA TN D-6243 (N71-21973). 1971.
68.  Polhamus E.C. Application of the leading-edge suction analogy of vortex lift to the drag due to lift of sharp-edged delta wings // NASA TN D-4739, (N68-21990). 1968.
69.  Lamar J.E., Frink N.T. Aerodynamic features of designed strake-wing configurations // Journal of Aircraft. 1982. V. 19. P. 639–646. doi: 10.2514/3.57444
70.  Erickson G.E. Vortex flow correlation // Proc. 13th Congr. Int. Council of Aeronautical Sciences (ICAS). Seattle, 1982.
71.  Erickson G.E., Hall R.M., Banks D.W., Del Frate J.H., Schreiner J.A., Hanley R.J., Pulley C.T. Experimental investigation of the F/A-18 vortex flows at subsonic through transonic speeds // Proc. 7th Appl. Aerodyn. Conf. Seattle, 1989.
72.  Bartlett G.E., Vidal R.J. Experimental investigations of influence of edge shape on the aerodynamic characteristics of low aspect ratio wings at low speeds // Journal of the Aeronautical Sciences. 1955. V. 22. P. 517–533. doi: 10.2514/8.3391
73.  Peckham D.H. Low-speed wind tunnel tests on a series of uncambered slender pointed wings with sharp edges // ARC R&M. 1958. N 3186.
74.  Lamboune N.C., Bryer D.W. The bursting of leading edge vortices: some observation and discussion of the phenomenon // British ARC R & M. 1962. N 3282.
75.  Lee M., Ho C.M. Lift force of delta wings // ASME Applied Mechanics Review. 1990. V. 43. N 9. P. 209–221. doi: 10.1115/1.3119169
76.  Mitchell A.M., Molton P. Vortical substructures in the shear layers forming leading-edge vortices // AIAA Journal. 2002. V. 40. N 8. P. 1689–1692. doi: 10.2514/2.1844
77.  Heron I. Vortex burst behaviour of a dynamically pitched delta wing under the influence of a von Karman vortex street and unsteady freestream. Ph. D. thesis. Wichita State Univ., USA, 2007.
78.  Wentz W.H., Kohlman D.L. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings // Journal of Aircraft. 1971. V. 8.N 3. P. 156–161. doi: 10.2514/3.44247 
79.  Cui Y.D. Studies of vortex breakdown and its stability in a confined cylindrical container. Ph. D. thesis. National Univ. Singapore, 2009.
80.  Lim T.T., Cui Y.D. On the generation of a spiral-type vortex breakdown in an enclosed cylindrical container // Physics Fluids. 2005. V. 17. N4. Art. 044105. doi: 10.1063/1.1872072
81.  Белоцерковский С.Н., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука, 1978. 352 с.
82.  Воробьев Н.В., Шашкина Г.Н. Численное моделирование условий схода вихревой пелены с кромок крыла / В кн.: Задачи аэродинамики тел пространственной конфигурации. Новосибирск: ИТПМ, 1982.
83.  Воробьев Н.В. Дискретная схема в случае неплоских крыльев / В кн.: Исследование обтекания численными методами. Новосибирск: ИТПМ, 1976.
84.  Бюшгенс Г.С. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. М.: Физматлит, 1998. 793 с.
85.  Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К. и др. Проектирование самолётов: учебник для вузов. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1983. 616 с.
86.  Игнатьев С.Г. К расчету поляры большого удлинения при докритических числах М // Тр. ЦАГИ. 1978. 45 с.
87.  Жигулев В.Н., Кротков Д.Н., Шкадов Л.М. Некоторые современные проблемы оптимального аэродинамического проектирования // Тр. ЦАГИ. 1977. № 1842.
88.  Жигулев В.Н. О тонких крыльях минимального сопротивления / В кн.: Аэромеханика. М.: Наука, 1976.
89.  Жигулев В.Н. Некоторые вопросы индуктивного сопротивления крыла // Труды ЦАГИ. 1977. № 1842.
90.  Жигулев В.Н. Об оптимальной форме срединной линии профиля крыла // Труды ЦАГИ. 1977. № 1842.
91.  Henderson W.P. Studies of various factors affecting drag due to lift at subsonic speed // NASA TN, X, ND-3584. 1966.
Информация 2001-2018 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика