<div>
	Численно-аналитическое моделирование пропульсивного крыла и фюзеляжа аэротакси</div>

Булат  Михаил  Павлович, Курнухин Антон Александрович, Продан Николай Васильевич

doi:10.17586/2226-1494-2023-23-1-178-191

2023 , ТОМ 23, НОМЕР 1 ( январь-февраль )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-1-178-191

УДК 533.6

Численно-аналитическое моделирование пропульсивного крыла и фюзеляжа аэротакси

Булат М.П., Курнухин А.А., Продан Н.В.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Булат П.В., Курнухин А.А., Продан Н.В. Численно-аналитическое моделирование пропульсивного крыла и фюзеляжа аэротакси // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 1. С. 178–191. doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-1-178-191

Аннотация

Предмет исследования. Рассмотрена проблема создания аэродинамических профилей, создающих тягу при отборе воздуха с верхней поверхности крыла. Профили имеют тяговый участок за точкой отсоса пограничного слоя, давление на котором превосходит давление в окружающей среде. В последние 15–20 лет в мире активно исследуется концепция так называемого пропульсивного крыла, имеющего пониженное или нулевое сопротивление за счет отсоса пограничного слоя с верхней его поверхности. Такое крыло позволяет в несколько раз уменьшить аэродинамическое сопротивление самолета за счет ламинаризации пограничного слоя и минимизации дефекта скорости, связанного с вязким трением в пограничном слое, в следе за самолетом. Предложена методика численного моделирования профилей для пропульсивного крыла, построенных методом решения обратной задачи аэродинамики. Проектируемые профили имеют максимальную строительную высоту, оптимальное сочетание коэффициентов подъемной силы C_y и тяги C_T, создаваемой за счет отбора воздуха с поверхности крыла. Методика корректно предсказывает точку ламинарно-турбулентного перехода, поскольку характеристики профилей напрямую зависят от протяженности ламинарного участка. Исследована компоновка летательного аппарата, построенного по схеме пропульсивного летающего крыла сверхмалого удлинения с применением разработанных профилей. Метод. Проектирование аэродинамических профилей выполнено путем решения обратной задачи аэродинамики с последующей доводкой геометрии при помощи алгоритмов глобальной оптимизации. Расчеты проведены с использованием γ-Re_Θ Transition Shear Stress Transport модели турбулентности Лэнгтри−Ментера, в которой существуют соотношения для критерия перемежаемости, что позволяет моделировать ламинарно-турбулентный переход. Основные результаты. Расчеты показали, что разработанные профили позволяют создать планер летательного аппарата с максимальным коэффициентом подъемной силы C_y_max, который превосходит на взлете и посадке данную силу у механизированного крыла с выпущенным закрылком. В горизонтальном полете C_y в три раза больше, чем у типичного крыла. Крыло с разработанными профилями имеет высокий пропульсивный коэффициент полезного действия за счет близости давления и скорости на тяговом участке профилей и внешнего течения. Одновременно тяговая поверхность пропульсивного крыла превосходит по площади в несколько раз площадь сопла или суммарное покрытие авиационных винтов. Практическая значимость. Разработанные профили и интегрированная аэродинамическая компоновка летательного аппарата успешно сочетаются с принципами построения распределенной силовой установки, а также создают устойчивость к повышенной турбулентности атмосферы при вертикальном взлете и посадке с экономичным горизонтальным полетом. Профили имеют важное преимущество по сравнению с традиционной механизаций крыла, так как не имеют подвижных частей, а увеличение или уменьшение подъемной силы регулируется изменением расхода отсасываемого воздуха.

Ключевые слова: аэродинамический профиль, математическое моделирование, оптимизация, пропульсивное крыло, численный эксперимент, энергетические методы увеличения подъемной силы

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в ходе реализации проекта «Фундаментальные основы механики, систем контроля и управления беспилотных авиационных систем с формообразующими конструкциями, глубоко интегрированными с силовыми установками, и уникальными свойствами, не применяемыми сегодня в пилотируемой авиации», № FEFM-2020-0001.

Список литературы

Felder J.L., Tong M.T., Chu J. Sensitivity of mission energy consumption to turboelectric distributed propulsion design assumptions on the N3-X hybrid wing body aircraft // Proc. of the 48^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2012. https://doi.org/10.2514/6.2012-3701
Bradley M., Droney C. Subsonic Ultra Green Aircraft Research: Phase I Final Report. NASA/CR2011-216847. 2011. 193 p.
Felder J.L., Kim H.D., Brown G. An examination of the effect of boundary layer ingestion on turboelectric distributed propulsion systems // Proc. of the 49^th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2011. https://doi.org/10.2514/6.2011-300
Alrashed M., Nicoladis T., Pilidis P., Jafari S. Utilisation of turboelectric distribution propulsion in commercial aviation: A review on NASA’s TeDP concept // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. V. 34. N 11. P. 48–65. https://doi.org/10.1016/j.cja.2021.03.014
Chen Z., Zhang M., Chen Y., Sang W., Tan Z., Li D., Zhang B. Assessment on critical technologies for conceptual design of blended-wing-body civil aircraft // Chinese Journal of Aeronautics. 2019. V. 32. N 8. P. 1797–1827. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.06.006
Yaros S.F., Sexstone M.G., Huebner L.D., Lamar J.E., McKinley R.E., Jr., Torres A.O., Burley C.L., Scott R.C., Small W.J. Synergistic Airframe-Propulsion Interactions and Integrations. A White Paper Prepared by the 1996-1997 Langley Aeronautics Technical Committee: NASA/TM-1998-207644, 1998. 122 p.
Burston M., Ranasinghe K., Gardi A., Parezanovic V., Ajaj R., Sabatini R. Design principles and digital control of advanced distributed propulsion systems // Energy. 2022. V. 241. P. 122788. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122788
Richards E.J., WalkerW.S., GreeningJ.R. Tests of a Griffith Aerofoil in the 13 ft x 9 ft Wind Tunnel. Part 1, Part 2, Part 3, Part 4: ARC R&M-2148 ARC-7464 ARC-7561 ARC-8054 ARC-8055. 1944.
Goldschmied F. Fuselage self-propulsion by static-pressure thrust: Wind-tunnel verification // Proc. of the Aircraft Design, Systems and Operations Meeting. 1987. https://doi.org/10.2514/6.1987-2935
Goldschmied F. Airfoil static-pressure thrust: flight test verification // Proc. of the Aircraft Design, Systems and Operations Conference. 1990. https://doi.org/10.2514/6.1990-3286
Goldschmied F. Thick-wing spanloader all-freighter: design concept for tomorrow’s air cargo // Proc. of the Aircraft Design, Systems and Operations Conference. 1990. https://doi.org/10.2514/6.1990-3198
Cella U., Quagliarella D., Donelli R. Imperatore B. Design and test of the UW-5006 transonic natural-laminar-flow wing // Journal of Aircraft. 2010. V. 47. N 3. P. 783–795. https://doi.org/10.2514/1.40932
Булат П.В., Курнухин А.А., Продан Н.В. Численное моделирование характеристик высоконесущих профилей с энергетическими методами увеличения подъемной силы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 5. С. 1007–1015. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-5-1007-1015
Булат П.В., Дудников С.Ю., Кузнецов П.Н. Основы аэродинамики беспилотных воздушных судов: учебное пособие. М.: Издательство «Спутник +», 2021. 273 с.
Tamaki T., Nagano S. Effects of inlet distortions on a multi-stage compressor // Proc. of the 4^th International Symposium on Air Breathing Engines. 1979. https://doi.org/10.2514/6.1979-7003
Sandercock D.M., Sanger N.L. Some observations of the effects of radial distortions on performance of a transonic rotating blade row: NASA TN D-7824, 1974. 48 p.
Hancock J.P. Test of a high efficiency transverse fan // Proc. of the 16^th Joint Propulsion Conference. 1980. https://doi.org/10.2514/6.1980-1243
Harloff G.J., Wilson D.R. Cross-flow propulsion fan experimental development and finite-element modeling // Journal of Aircraft. 1981. V. 18. N 4. P. 310–317. https://doi.org/10.2514/3.57494
Dygert R.K., Dang T.Q. Experimental investigation of embedded cross-flow fan for airfoil propulsion/circulation control // Proc. of the 45^th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2007. https://doi.org/10.2514/6.2007-368
Gologan C., Mores S., Steiner H., Seitz A. Potential of the cross-flow fan for powered-lift regional aircraft applications // Proc. of the 9^th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference (ATIO). 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-7098
Langel C.M., Chow R., Van Dam C.P., Maniaci D.C., Erhmann R.S., White E.B. A computational approach to simulating the effects of realistic surface roughness on boundary layer transition // Proc. of the 52^nd Aerospace Sciences Meeting. 2014. https://doi.org/10.2514/6.2014-0234
Doll U., Migliorini M., Baikie J., Zachos K.P., Röhle I., Melnikov S., Steinbock J., Dues M., Kapulla R., MacManus D.G., Lawson N.J. Non-intrusive flow diagnostics for unsteady inlet flow distortion measurements in novel aircraft architectures // Progress in Aerospace Sciences. 2022. V. 130. P. 100810. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2022.100810
Dang T.Q., Bushnell P.P. Aerodynamics of cross-flow fans and their application to aircraft propulsion and flow control // Progress in Aerospace Sciences. 2009. V. 45. N 1-3. P. 1–29. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2008.10.002
Karpuk S.V., Kazarin P., Gudmundsson S., Golubev V.V. Preliminary feasibility study of a multi-purpose aircraft concept with a leading-edge embedded cross-flow fan // Proc. of the 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. 2018. https://doi.org/10.2514/6.2018-1744
Kulkarni A.R., La Rocca G., Veldhuis L.L.M., Eitelberg G. Sub-scale flight test model design: Developments, challenges and opportunities // Progress in Aerospace Sciences. 2022. V. 130. P. 100798. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2021.100798
Perry A.T., Ansell P.J., Kerho M., Ananda G., D’Urso S. Design, analysis, and evaluation of a propulsive wing concept // Proc. of the 34^th AIAA Applied Aerodynamics Conference. 2016. https://doi.org/10.2514/6.2016-4178
Prodan N.V., Kurnukhin A.A. Application of mathematical optimization methods for designing airfoil considering viscosity // Russian Aeronautics. 2021. V. 64. N 4. P. 670–677. https://doi.org/10.3103/S1068799821040115
Kramer B., Ansell Ph., D’Urso S., Ananda G., Perry A. Design, Analysis, and Evaluation of a Novel Propulsive Wing Concept: LEARN Phase I. Final Report. Contract Number NNX15AE39A. June 30^th, 2016. 80 p.
Булат П.В., Продан Н.В., Курнухин А.А. О влиянии ламинарно-турбулентного перехода при численном моделировании профиля крыла // Известия вузов. Авиационная техника. 2021. № 3. С. 89–98.
Абзалилов Д.Ф., Марданов Р.Ф. Расчет и оптимизация аэродинамических характеристик крылового профиля с выдувом реактивной струи при наличии в потоке вихря // Известия вузов. Авиационная техника. 2016. № 3. С. 58–63.
Drela M. XFOIL: An analysis and design system for low Reynolds number airfoils // Lecture Notes in Engineering. 1989. V. 54. P. 1–12. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84010-4_1
Langtry R.B., Menter F.R. Transition modeling for general CFD applications in aeronautics // Proc. of the 43^rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2005. https://doi.org/10.2514/6.2005-522
Malan P., Suluksna K., Juntasaro E. Calibrating the γ-Re_θ transition model for commercial CFD // Proc. of the 47^th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-1142
Liu K., Wang Y., Song W.-P., Han Z.-H. A two-equation local-correlation-based laminar-turbulent transition modeling scheme for external aerodynamics // Aerospace Science and Technology. 2020. V. 106. P. 106128. https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.106128
Соломатин Р.С., Семенов И.В., Меньшов И.С. К расчету турбулентных течений на основе модели Спаларта-Аллмараса с применением LU-SGS–GMRES алгоритма // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2018. № 119. С. 1–30.
Дудников С.Ю., Кузнецов П.Н., Мельникова А.И., Вокин Л.О. Моделирование течений при малых числах Рейнольдса применительно к проектированию несущих аэродинамических поверхностей беспилотных летательных аппаратов // Известия вузов. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 39–48.
Булат П.В., Продан Н.В., Дудников С.Ю., Курнухин А.А. Исследование характеристик аэродинамических профилей с отбором воздуха с верхней поверхности и заданным распределением давления // Известия вузов. Авиационная техника. 2022. № 3.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License