Файл: Взаємний вплив літаканосія і транспортного планера.pdf

1
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»
Інститут аерокосмічних технологій
Кафедра авіа- та ракетобудування
ЗВІТ
З ПЕРЕДДИПЛОМНОЇ ПРАКТИКИ
ТЕМА: «Взаємний вплив літака-носія і транспортного планера»
Виконавець роботи: студент групи АЛ91мп
Мельник Олексій Володимирович
Науковий керівник:
К.т.н
Зінченко Дмитро Миколайович
(підпис, дата)
(підпис, дата)
Київ 2020

2
Анотація
Метою роботи є дослідження взаємного впливу літака-носія і транспортного планера.
У звіті розглянуто дослідження конструктивних особливостей та аеродинамічних характеристик концепції безпілотного комплексу, що складається із безпілотного літака-носія та безпілотного транспортного контейнеру-планеру, який під час злету та горизонтального польоту до точки роз’єднання складають один цілий літальний апарат. Розглянуто можливі варіації застосування SMART-матеріалів у конструкції досліджуваної системи літальних апаратів.
У процесі виконання роботи було проведено вивчення аналогічних систем та комплексів, сформульовані методика та критерії дослідження характеристик концепції. На основі проведеної роботи було сформовано бачення рішення проблем взаємодії безпілотного літака-носія і транспортного планера.
Звіт складається з 25 сторінок, 18 рисунків, 6 бібліографічних джерел, 1 таблиця.
Ключові слова: транспортна система, SMART-матеріали, взаємний вплив, аеродинамічна якість.

3
Аннотация
Целью работы является исследование взаимного влияния самолета- носителя и транспортного планера.
В отчете рассмотрены исследования конструктивных особенностей и аэродинамических характеристик концепции беспилотного комплекса, состоящего из беспилотного самолета-носителя и беспилотного транспортного контейнера-планера, который во время взлета и горизонтального полета к точке разъединения составляют один целый летательный аппарат. Рассмотрены возможные вариации применения
SMART-материалов в конструкции исследуемой системы летательных аппаратов.
В процессе выполнения работы было проведено изучение аналогичных систем и комплексов, сформулированы методика и критерии исследования характеристик концепции. На основе проведенной работы было сформировано видение решения проблем взаимодействия беспилотного самолета-носителя и транспортного планера.
Отчет состоит из 25 страниц, 18 рисунков, 6 библиографических источников, 1 таблица.
Ключевые слова: транспортная система, SMART-материалы, взаимное влияние, аэродинамическое качество.

4
Annotation
The aim of the work is to study the mutual influence of the aircraft carrier and the transport glider.
The report examines the design and aerodynamic characteristics of the concept of an unmanned complex, consisting of an unmanned aerial vehicle and an unmanned transport container-glider, which during takeoff and horizontal flight to the point of separation make one whole aircraft. Possible variations in the use of
SMART-materials in the design of the studied aircraft system are considered.
In the process of work the study of similar systems and complexes was carried out, the methodology and criteria of research of characteristics of the concept were formulated. Based on the work, a vision of solving the problems of interaction between the unmanned aerial vehicle and the transport glider was formed.
The report consists of 25 pages, 18 figures, 6 bibliographic sources, 1 table.
Keywords: transport system, SMART-materials, mutual influence, aerodynamic quality.

5
Зміст
Вступ ................................................................................................................. 6
Особливості конструктивних рішень .............................................................. 7
Вплив подовження крила ................................................................................. 9
Аеродинамічні характеристики безпілотного носія ..................................... 10
Аеродинамічне компонування транспортного контейнеру ......................... 12
Аналіз впливу компонування транспортного контейнеру та носія на аеродинамічні характеристики ...................................................................... 14
Застосування смарт-матеріалів в конструкції ............................................... 19
Розробка стартап-проекту .............................................................................. 21
Процес виготовлення дослідного зразка ....................................................... 23
Висновок ......................................................................................................... 24
Список використаних джерел ........................................................................ 25

6
Вступ
В наш час ми можемо спостерігати інтенсивний розвиток безпілотної авіації. Технічний прогрес у цій галузі техніки неабияк пришвидшився за останнє десятиліття, адже все частіше для виконання тих чи інших завдань робиться ставка на БПЛА. Особливо стрімко розвиваються системи, що слугують для виконання таких задач, як спостереження (фото-відеозйомка, дистанційне зондування землі, наукові дослідження і т.п.); специфічна військова діяльність (розвідка (засоби РЕБ), імітація повітряних мішеней для систем ППО, несення озброєння для враження наземних цілей).
Клас транспортної безпілотної авіації також розвивається, але темпи такого росту значно менші. Хоча, враховуючи динаміку розвитку БПЛА, це питання часу. На відміну від вищезгаданих задач робочий цикл переміщення вантажу складніший і пов’язаний з низкою додаткових умов із завантаженням, доставкою та розвантаженням.

7
Особливості конструктивних рішень
Ідея розробки безпілотного літального апарату (БЛА) на основі досвіду створення надзвукового літака А-12 виникла на фірмі "Локхід" в жовтні
1962-го. Передбачалося, що БЛА буде запускатися в повітрі з носія А-12. В якості силової установки вибрали прямоточний повітряно-реактивний двигун
(ПВРД).
Апарат замислювався як одноразовий, щоб мінімізувати його вага і вартість. Однак для порятунку фотоапаратури і дорогої системи навігації в конструкції БЛА передбачили скидається контейнер з парашутом.
Всередині контейнера знаходилися інерціальна навігаційна система
(INS), система автоматичного управління польотом (AFCS) і обчислювач повітряних параметрів (ADC). Для нормального функціонування в контейнері передбачили пристрій охолодження БРЕО і корисного навантаження.
Рис.1. Система
SR-71&D-21 Drone
В рамках проекту "Tier 1B" і на хвилі успіху своєї суборбітальній системи SpaceShipOne / White Knight компанія "Scaled Composites" спроектувала і побудувала нову суборбітальну систему. До її складу входили літак-носій Model 348 White Knight Two і суборбітальний ракетоплан Model

8 339 SpaceShipTwo, який мав у цілому схожу з попередником конструкцію, але в два рази більше його.
SpaceShipTwo виводиться літаком-носієм White Knight Two на висоту 15 240 м, після чого проводиться його пуск - в ході самостійного польоту, що триває на одному гібридному двигуні RocketMotorTwo, ракетоплан здатний досягати висоти 110 км. Після сходу з суборбітальній траєкторії ракетоплан починає зниження, а на висоті близько 21 300 м пілоти переводять поворотні крило і хвостове оперення в положення "по-літаковому" і, плануючи, виходять на звичайний аеродром, де і здійснюють посадку.
Літак-носій конструктивно являє собою літальний апарат двохбалочної схеми (точніше, двохфюзеляжний) з крилом дуже великого відносного подовження. Силова установка включала в себе чотири двигуни Pratt &
Whitney Canada PW308A тягою по 30,69 кН кожен. Літак призначений для доставки корисного вантажу масою 16 783 кг на висоту 15 240 м. Один з фюзеляжів (або корпусів) White Knight Two конструктивно виконаний схожим з SpaceShipTwo, що дозволяє успішно здійснювати спеціальну підготовку майбутніх астронавтів.
Рис.2. Система
White KnіghtTwo & SpaceShipTwo
Концептуальне опрацювання системи, відомої сьогодні під ім'ям
Stratolaunch, почалася в першій половині 1990-х рр., Коли за завданням

9
NASA група американських інженерів сформувала в Льотно-дослідному центрі ім. Драйдена (нині - Центр ім. Армстронга) вигляд оптимальної АКС.
При повітряному старті ракета повинна була виводити на низьку орбіту
6,12 т корисного навантаження, що вважалося достатнім навіть для виконання пілотованих місій: так, в презентації, яку представив публіці Пол
Аллен, Shorty ніс космічний корабель Dragon.
Літак виконаний за схемою двохфюзеляжного високоплана з прямим крилом великого подовження і двома комплектами вертикального і горизонтального оперення в хвостовій частині фюзеляжів. Під центропланом, що з'єднує два фюзеляжу, передбачена система підвіски і скидання ракети- носія з космічним апаратом, здатна витримати зосереджене навантаження в
250 т.
Рис.3. Система Stratolaunch (показані варіанти корисного навантаження)
Вплив подовження крила
Дослідження крил з малими подовженнями показують, що до подовження 1,74 максимальний коефіцієнт підіймальної сили зменшується при одночасному збільшенні критичних кутів атаки.
При подальшому зменшенні подовження до 1,27 максимальний коефіцієнт підіймальної сили збільшується одночасно зі збільшенням

10 критичного кута атаки, після чого максимальний коефіцієнт підіймальної сили знову починає зменшуватися. Ці результати отримані для прямокутних крил, що мали на кінцях заокруглення, радіусом рівним половині хорди.
Подовження, найвигідніше щодо величини максимального коефіцієнта підіймальної сили відповідають крила, що має в плані форму кола (з подовженням 1,27). Після досягнення критичного кута атаки і максимального коефіцієнта підіймальної сили спостерігається різкий зрив потоку.
Збільшення максимального коефіцієнта підіймальної сили при подовженні
1,27, у порівнянні з подовженням 6 одно 0,61, або становить 49%, причому критичний кут атаки збільшується з 14 до 45 градусов. Форма кінців крила малого видовження робить істотний вплив на величину коефіцієнта підіймальної сили або коефіцієнт повної аеродинамічної сили. Найкращі результати дають крила з напівкруглими кінцями (1), найгірші - з закругленими кінцями
Аеродинамічні характеристики безпілотного носія
Безпілотний літак-носій, призначений для доставки в точку від’єднання плануючого транспортного контейнера є універсальною безпілотною платформою.
Безпілотний літак-носій також призначений для довготривалого патрулювання, проведення тренувальних польотів.
Рис.4. Безпілотний носій. Зовнішній вигляд.

11
Рис.5. БПЛА- носій. Розрахункова модель повне компонування.
Основні аеродинамічні характеристики безпілотного носія, визначені за допомогою панельно-вихровго методу наведені на рис.6 – 7.
Рис.6. БПЛА- Носій. Несучі властивості.
Залежності C
Ya
=f(α).
V=102 км/год; Re=0.682*10 6
, H=3 км, CA
Рис.7. БПЛА- Носій. Залежності K, m
Z
=f(C
Ya
).
V=102 км/год; Re=0.682*10 6
, H=3 км
-5 0
5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

S
=
1 6
0
C
ya MAX
(V
S
) = 1.55
C
ya

=
0
.0 88
V=102 km/h Re = 0.682 * 10 6
крило основна несуча схема повне компонування
C
ya

,
0 0.0 0.5 1.0 1.5 0
10 20 30 0.0 0.5 1.0 1.5
-0.4
-0.2 0.0 0.2
K
MAX_WING
= 28.64
K
MAX_FULL
= 18.73
m
Z
C
Ya
C
Ya повне компонування основна несуча схема крило
K
C
Ya BAL
= 0.8 ; m
Z
C
Ya
= -0.33

12
Аеродинамічне компонування транспортного контейнеру
Виходячи з описаної вище концепції доставки корисного навантаження, транспортний контейнер являє собою безпілотний планер, що від’єднується від безпілотного носія та виконує плануючий політ в точку доставки.
При цьому є очевидним, що дистанція планування є вирішальним критерієм, оскільки чим більш віддаленим є точка роз’єднання носія та транспортного контейнеру, тим менша ймовірність ураження всієї системи засобами протиповітряної оборони. Дистанція планування напряму визначається значенням аеродинамічної досконалості транспортного контейнеру в збалансованому стані:
????
????????????
=
????
????????_????????????
????
????????_????????????
=
????
????????
????
????????
= ????????????(????)
де:
L
GL
– дистанція планування по прямій;
H
GL
– висота початку сталого планування;
C
Ya_BAL
– коефіцієнт підіймальної сили транспортного контейнеру в збалансованому стані;
C
Xa_BAL
- коефіцієнт лобового опору транспортного контейнеру в збалансованому стані;
Q – кут нахилу траєкторії планування транспортного контейнеру
При всіх інших рівних параметрах транспортного контейнеру - висоті польоту, температурі повітря, фактичної ваги та ін. саме значення аеродинамічної досконалості є вирішальним.
В дисертаційному дослідженні запропонована концепція транспортного контейнеру – планеру базується на застосуванні в компонування агрегатів, що здатні реалізовувати обтікання без наявності відривів потоку та водночас є технологічними та дешевими у виготовленні та експлуатації.

13
Оскільки вплив видовження крила на аеродинамічні характеристики транспортного контейнеру є наочним, параметри крила, що застосовується в компонуванні приймаються за даними статистики Теоретична схема компонування наведена на Рис.9.
Рис.8. Безпілотний носій. Зовнішній вигляд. (обшивка частково прибрана або зроблена напівпрозорою)
Рис.9. Транспортний контейнер.Повне компонування. Розрахункова модель.
Основні аеродинамічні характеристики безпілотного носія, визначені за допомогою панельно-вихровго методу наведені на Рис.10 –11.

14
Рис.10. Транспортний контейнер. Несучі властивості. Залежності C
Ya
=f(α).
V=102 км/год; Re=0.682*10 6
, H=3 км, CA
Рис.11. БПЛА- Носій. Залежності K, m
Z
=f(C
Ya
).
V=102 км/год; Re=0.682*10 6
, H=3 км,
Аналіз впливу компонування транспортного контейнеру та носія на
аеродинамічні характеристики
Для оцінки впливу параметрів компонування транспортного контейнеру на аеродинамічні характеристики безпілотного літака-носія використано панельне - вихровий метод моделювання обтікання.
Розрахункова модель компонування транспортний контейнер+носій створюється походячи з наступних припущень :
- Транспортний контейнер розміщується над безпілотним носієм;
- Положення центру ваги транспортного контейнера збігається з положенням центру ваги носія при вигляді на горизонтальну площину розрахунку;
-5 0
5 10 15 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

S
=
1 7
0
C
ya MAX
= 1.65
крило основна несуча схема повне компонування
C
ya

,
0 0.0 0.5 1.0 1.5 0
10 20 30 0.0 0.5 1.0 1.5
-0.4
-0.2 0.0 0.2
K
MAX_WING
= 28.64
K
MAX_FULL
= 18.73
m
Z
C
Ya
C
Ya повне компонування основна несуча схема крило
K
C
Ya BAL
= 0.8 ; m
Z
C
Ya
= -0.33

15
- Положення центру ваги компонування носій+контейнер по висоті знаходиться по середині між центрами ваги окремо носія та окремо контейнеру;
- Через обмеження застосування студентської версії програми моделювання що до кількості розрахункових панелей (не більше
1999) розрахункові моделі транспортного контейнеру та носія моделюються без вертикального оперення та підкосів крил (оскільки ці агрегати не мають значного впливу на створення повздовжнього моменту та, відповідно, на умови балансування)
Рис.12. Компонування носій+ контейнер.Повне компонування. Розрахункова модель.