Пятница, 24.03.2017, 11:08
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Работы 2-го тура » Тексты выступлений

Модельное исследование аэродинамических характеристик высокоскоростного транспортного средства

Аннотация.

В данной работе исследуется зависимость коэффициента момента тангажа Mz от угла атаки при наличии и отсутствии экрана и определённых положениях оперения летательного аппарата относительно задней кромки крыла. Рассказывается история экранопланов, современные разработки, и выявляются перспективы данного транспорта в наше время.

Целью работы является создание экономически эффективной компоновки экраноплана, для достижения которой ставится проблема и определённые задачи.

 

Список ключевых слов.

Экраноплан, момент тангажа, угол атаки, зависимость, график, Р.Е. Алексеев, Р.Л. Бартини, «Иволга», «Буревестник-24», скоростная система координат, подъёмная сила, связанная система координат, сила лобового сопротивления, продольная устойчивость.

 

 

 

Оглавление:

1.Введение……………………………………………………………………...4-6

   1.1.Основные понятия аэродинамики………………………………………4-6

2.Основная часть………………………………………………………………7-14

   2.1.История развития экранопланов………………………………………..7-9

   2.2.Современные разработки экранопланов……………………………...10-11

   2.3.Методика проведения эксперимента……………………………………12

   2.4.Методика обработки результатов……………………………………..13-14

3.Заключение (выводы)…………..…………………………………………….15

4.Список литературы……………………………………………………….......16

5.Приложение……….………………………………………………………..17-20

 

 

 

Введение.
С незапамятных времен люди мечтали научиться летать. Но шли столетия, а мечты оставались мечтами. Человек всегда стремился приблизиться к звездам. Наблюдая за птицами, мотыльками, он осознавал: чтобы летать, нужны крылья. Еще в XV веке Леонардо да Винчи проектировал летательные аппараты, главным атрибутом которых являлись крылья. После него изобретатели пытались также создать крылья, способные дать возможность человеку взлететь.

Аэродинамика — это наука о законах движения воздуха и силовом взаимодействии между телом и обтекающим его воздухом, теоретическая основа авиации и ракетной техники. Чтобы рассчитать самолет на прочность, исследовать его устойчивость, определить летные свойства, необходимо знать аэродинамические силы и моменты, которые возникают при полете самолета.

Для определения этих сил вводят скоростную и связанную системы координат.

В скоростной системе координат ось ОХа направлена вдоль скорости полёта самолёта и называется скоростной осью.  Ось подъёмной силыOYа помещается в плоскости симметрии самолёта перпендикулярно оси ОХа. Боковая ось OZa образует с осями ОХа и OYа правую прямоугольную систему координат.

 - угол атаки- угол между продольной осью аппарата и направлением скорости набегающего потока воздуха.
Связанная система координат OXYZ неподвижна относительно самолёта. В этой системе координат продольная ось ОХ, располагаясь в плоскости симметрии самолёта, направлена вперёд вдоль строительной оси фюзеляжа (продольной оси ЛА) или центральной хорды крыла. Нормальная ось OY перпендикулярна оси ОХ и, находясь в базовой плоскости симметрии самолёта, направлена к верхней его части. Поперечная ось OZ перпендикулярна плоскости симметрии и направлена вправо.

На аппарат действуют две основных силы:

  • Подъёмная сила(Уа) направлена перпендикулярно вектору скорости движения тела в потоке газа. Она возникает в результате разницы давлений на верхней и нижней частях крыла аппарата.

Воздух, обтекая крыло самолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Если сделать профиль крыла несимметричным, то нижний поток протекает относительно свободно, а верхний сужается, т.к. верхняя дужка профиля крыла имеет более выпуклую форму, чем нижняя. В результате для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время (закон сохранения массы), как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее. Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот

 

Т.к. вверху крыла скорость потока больше, то давления на верхней части крыла создаётся меньше, чем на нижней части. Так возникает подъёмная сила.

  • Сила лобового сопротивления (Ха) направлена против скорости движения тела.

В результате действия этих сил создаются моменты, которые, как правило, рассматривают относительно центра масс самолета.

Одной из важнейших характеристик самолета является, так называемый, момент тангажа ,отвечающий за продольную устойчивость летательного аппарата (способность восстанавливать нарушенное продольное равновесие).

Все силы и, соответственно, моменты, создаваемые при взаимодействии летательного аппарата с потоком воздуха, меняются с изменением угла атаки.
В работе мы будем говорить об экранопланах. Экраноплан –высокоскоростное транспортное средство, летящее в пределах действия аэродинамического экрана, т.е. на относительно небольшой высоте над поверхностью экрана (воды, земли, снега, льда и т.д.). При равных массе и скорости площадь крыла экраноплана намного меньше, чем у самолёта. Они появились в России ещё в 70-е годы прошлого столетия.

Полёт экраноплана основан на эффекте экрана. По сути, это та же воздушная подушка, только образуемая путём нагнетания воздуха не специальными устройствами, а набегающим потоком. То есть «крыло» таких аппаратов создаёт подъёмную силу не только за счёт разреженного давления над верхней плоскостью, а дополнительно за счёт повышенного давления под нижней плоскостью, создать которое возможно только на очень небольших высотах. Эта высота соизмерима с длиной средней аэродинамической хорды (САХ) крыла. САХ- это отрезок, соединяющий переднюю и заднюю кромки крыла. Эффект экрана связан с тем, что возмущения (рост давления) от крыла достигают земли (воды), отражаются и успевают дойти до крыла. Таким образом, рост давления под крылом получается большим.

 

Цель работы: оптимизация компоновки экраноплана.

Проблема: уменьшение продольных размеров конструкции экраноплана.

Задачи:

•        Провести серию экспериментов с моделью экраноплана в аэродинамической трубе при разных положениях оперения относительно задней кромки крыла;

•        Проследить изменение зависимости коэффициента момента Мz от угла атаки, просчитать его значение для данных углов;

•        Составить таблицы и графики по полученным данным.

•        Сделать выводы о возможности переноса оперения ближе к центру масс аппарата.

 

 

 

 

Основная часть.
История развития экранопланов.

В середине 1920-х годов авиаторы впервые столкнулись с экранным эффектом при взлёте и особенно при посадке самолётов – низкопланов. Было замечено некоторое увеличение подъёмной силы крыла, когда самолёт продолжал лететь над полем. Кроме того, экранный эффект иногда приводил к неприятностям. При движении вблизи экрана центр давления крыла перемещается к его задней кромке, что в случае недостаточной эффективности горизонтального оперения становится причиной аварии во время посадки самолёта.
    Одной из первых отечественных работ, которая относилась к исследованиям экранного эффекта, является работа Б. Н. Юрьева «Влияние земли на аэродинамические свойства крыла». Затем, уже в 1930-е годы, проводились теоретические исследования экранного эффекта В. В. Голубевым, Я. М. Серебрийским, Ш. Я. Биячуевым и другими. В 1932 году известный авиационный инженер, изобретатель и авиаконструктор П. И. Гроховский разработал проект экраноплана - амфибии с двумя двигателями, аэродинамическая компоновка которого характерна для некоторых экранопланов наших дней.

В СССР за разработку экранопланов берутся 2 гения:

  • Ростислав Евгеньевич Алексеев. Родился 18 декабря 1916 в городе Новозыбков Брянской области. С начала 60-х годов Алексеев начинает проектировать и создавать экранопланы. 22 июня 1966 года, перед рассветом с волжского причала спустили на воду самый крупный летательный аппарат в мире. Силовая установка экраноплана КМ состояла из 10 турбореактивных двигателей ВД-7 с тягой более 11000 кг каждый. На переднем пилоне размещалось 8 двигателей, их мощность использовалась в основном при старте. На киле стояли еще два таких же двигателя, достаточных для поддержания крейсерского режима.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В первом полёте пилотировал экраноплан лично Алексеев. Полёт проходил около 50 минут на высоте примерно 4 м. Испытания прошли успешно.

В августе 1967 года, экраноплан КМ полетел со взлётным весом в 544 т, развив при этом скорость в 455 км/ч. Это было неофициальным мировым рекордом для летательных аппаратов того времени. Он был побит только с созданием самолета Ан-225 «Мрия», лишь спустя четверть века! КМ был экспериментальным экранопланом. Его испытания показали, что экранопланы такой размерности могут летать и летать превосходно.
В 1972 году в КБ Алексеева создали экраноплан СМ-6. На нём проверяли схему транспортно-десантного экраноплана Орлёнок:
Транспортно– десантный экраноплан Орлёнок был заказан ВМФ в 1968 году. За полтора года был разработан технический проект и рабочие чертежи, а в ноябре 1970 г. на опытном заводе «Волга» при ЦКБ по СПК было начато его строительство. Главным конструктором экраноплана был Ростислав Евгеньевич Алексеев.
Осенью 1972 году начались ходовые (летные) испытания в районе Горького (сейчас Нижний Новгород). Испытания прошли успешно. Зимой экраноплан дорабатывали на заводе, а весной 1973 г. он был доставлен на Каспийское море для проведения морских испытаний.
Орлята сначала проходили опытную эксплуатацию, в процессе которой отрабатывались тактические приёмы их использования и подготавливались экипажи.

  • На основе своего проекта самолёта-летающее крыло переменной стреловидности и исследований по проекту, Роберт Людвигович Бартини представляет в 1955 году проект сверхзвуковой летающей лодки-бомбардировщика средней дальности А-55. Было продуто свыше 40 моделей, написано до 40 томов отчётов, исследованы режимы взлета с воды и возможности длительного его пребывания на плаву.

В 1972 году Роберт Бартини создаёт самолет-амфибию вертикального взлета и посадки ВВА-14, который позднее переоборудуют в экранолёт.

 

 

 

 

 

 

 

  • Создание гигантских экранопланов завершилось постройкой ударного аппарата проекта 903 «Лунь». Первый в мире экраноплан-ракетоносец «Лунь» проекта 903 был спроектирован и построен командой Р.Е.Алексеева. Его разработка велась с начала 1970-х годов. Аппарат заложили на опытном заводе «Волга» в 1983 году и пустили на воду 16 июля 1986 года. Главным конструктором был В.Кирилловых. Корабль предназначался для нанесения удара по надводным кораблям противника. После испытаний в 1987 году была доказана эффективность использования этого экраноплана, на борту которого находилось 6 противокораблевых ракет. 22 ноября 2011 года появилась информация о том, что военные решили отказаться от разработки экранопланов, а единственный потомок КМ «Лунь» будет утилизирован. 

Современные разработки экранопланов.

Также в данный момент используются такие экранопланы, как Иволга – главный конструктор – Колганов В.В., Акваглайд – Синицина Д.Н., Буревестник 24 – Якутия.

  • На третьем международном гидроавиасалоне «Геленджик-2000», который проходил на Чёрном море с 6 по 10 сентября 2000, КБ «Сухой» впервые продемонстрировал свою новую разработку — экранолёт С-90. Главный конструктор экранолёта Александр Поляков. Новый летательный аппарат предназначен для пассажирских и грузовых перевозок в интересах различных ведомств, в том числе силовых. Он может использоваться в трёх режимах — как самолёт, экраноплан и судно на воздушной подушке.
  • Экранопланы «Иволга» - многофункциональное, всесезонное, высокоскоростное, экономичное транспортное средство, предназначенное для грузовых и пассажирских перевозок в прибрежных акваториях и на внутренних водоемах, в том числе покрытых льдом, а также на суше в условиях бездорожья и снежного покрова. Обеспечиваются скорость до 220 км/час и высокая маневренность. Кроме того, аппарат способен двигаться не только на высоте действия "эффекта экрана", но и кратковременно увеличивать ее для "подскока" над препятствиями."Иволга" обладают повышенной безопасностью ввиду: малой высоты движения (отсутствие «высоты падения») и возможности обхода препятствий как сбоку, так и сверху; возможности продолжения движения при отказе одного из двух двигателей и дублирования систем.

 

 

  • Буревестник-24 — российский экспериментальный пассажирский поршневой экраноплан оригинальной конструкции. Размеры и характеристики «Буревестника-24» позволяют перевозить до 24 пассажиров с багажом, что отражено в его названии. Первой была построена 16-местная машина для отработки гидродинамических устройств; затем была создана 20-местная модель. "Буревестник" для 24 пассажиров является развитием третьего этапа. По мнению руководителей проекта, должен последовать четвертый этап - строительство 100-местной амфибии, однако сообщений об этом ни в прессе, ни на сайте производителей не было.

  • "Акваглайд-5" - малый прогулочный экраноплан, предназначенный для перевозки 5 человек, включая водителя, со скоростью до 170 км/час на расстояние до 450 км. Конструкция экраноплана позволяет ему швартоваться к любым оборудованным причалам, самостоятельно выходить на берег для посадки и высадки пассажиров, технического обслуживания и базирования.

 

Описание работы.

В соответствии с целью работы было проведено экспериментальное исследование модели экраноплана для региональных перевозок. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе (АДТ) Т-3 СГАУ. Модель имела составное крыло с развитым центропланом прямоугольной формы в плане и трапециевидными консолями, крепилась на тензовесах, встроенных в α-β-механизм, который позволяет изменять углы атаки с шагом 0,5 градуса.

Было произведено несколько аэродинамических исследований экраноплана. Исследования проводились при постоянной скорости набегающего потока воздуха – 30 м/с, диапазон изменения  угла атаки α от -8° до 14°. Схема установки показана на рис.1 и рис.2.

Средняя аэродинамическая хорда модели – 0,2 м. Характерная площадь – 0,064 м2.

Была принята следующая методика проведения эксперимента:
Первым этапом проводились исследования модели без экрана:

  • На модели экраноплана устанавливалось определенное положение оперения;
  • Проводилась продувка модели в аэродинамической трубе, без экрана на разных углах атаки;
  • Для каждого значения угла атаки с помощью тензовесов автоматически фиксировались силы и продольный момент, действующие на модель.
  • Затем, менялось положение оперения и эксперимент повторялся.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1

Следующим этапом аналогичные серии экспериментов проводились для модели вблизи экрана для разных высот висения над поверхностью.
В результате проведения серии таких экспериментов было исследовано три варианта компоновки экраноплана, отличающихся только положением оперения относительно задней кромки крыла.

Обработка результатов экспериментов проводилась по следующей методике:

По результатам измерения продольного момента (или момента тангажа), действующего на модель в аэродинамической трубе, для каждого угла атаки рассчитывался коэффициент момента тангажа по формуле:

 

Где Mz – измеренная величина момента, (ρv2)/2 - измеренный скоростной напор в рабочей части аэродинамической трубы, S – характерная площадь крыла, ba– хорда крыла.

Для каждого положения оперения был исследован и рассчитан коэффициент момента тангажа для одинаковой серии углов атаки от -8° до +14°.

Далее был произведен анализ влияния экрана на моментную характеристику исследуемого аппарата. Была исследована зависимость коэффициента момента тангажа от угла атаки при положении оперения от задней кромки крыла на расстоянии 0,2 хорды крыла

По результатам анализа построен следующий график (рис.3):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.3 (зависимость коэффициента момента тангажа от угла атаки без экрана).

Как видно из графика, при наличии экрана, угол наклона кривой mz увеличивается, а, следовательно, увеличивается продольная устойчивость аппарата в зависимости от изменения угла атаки.

 

Поскольку наклон кривой mz = f(α) по отношению к оси Х определяет статическую устойчивость аппарата в случае полета вдали от экрана, проводилась обработка результатов экспериментов, проведенных без экрана.

Было исследовано три варианта компоновки экраноплана, отличающихся только положением оперения относительно задней кромки крыла.

Получены три кривых зависимости коэффициента момента тангажа от угла атаки для каждого положения оперения относительно задней кромки крыла (рис.4):  

 

Рис.4 (зависимость коэффициента момента тангажа от угла атаки без экрана).


 

 

 

 

Заключение.

В результате, как видно из графика, было получено три кривых зависимости коэффициента момента тангажа от угла атаки для каждого положения оперения относительно задней кромки крыла.

Как известно из аэродинамики продольная статическая устойчивость летательного аппарата определяется углом наклона данной кривой. Однако, из приведенного графика видно, что угол наклона кривых практически не изменился при изменении положения оперения, что позволяет сделать вывод о возможности переноса оперения ближе к задней кромки крыла. Такой перенос позволит уменьшить габаритную длину аппарата на 10% и тем самым уменьшить вес конструкции. Что и являлось целью исследования.

Данные исследования проводятся в СГАУ с целью создания оптимальной компоновки высокоскоростного транспортного средства на базе экраноплана. В перспективе такие аппараты могут успешно работать на региональном рынке грузо- и пассажироперевозок. Например, на маршруте Самара-Сызрань время в пути сократится в три раза с 2,5 -3 часов (время в пути автобуса) до 40 минут. Стоимость билета при этом может быть сравнима со стоимостью билета на автобус. В России существуют и другие маршруты, где могут с успехом эксплуатироваться такие аппараты.

Дальнейшие исследования, возможно, будут связаны с изменением компоновочной схемы модели и повторением полного цикла исследований. И так до получения оптимальной аэродинамической схемы, которая позволит создать высокоскоростное, надежное, безопасное и экономически эффективное транспортное средство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1.Маскалик А.И. Экранопланы. Особенности теории и проектирования /А.И. Маскалик, Б.А. Колызаев, В.И. Жуков и др. СПб.: Судостроение, 2000. 319 с.

2.Белавин, Н.И. Экранопланы / Н.И. Белавин – Л.: Судостроение, 1977. 232 с.

3.https://ru.wikipedia.org/wiki/Экраноплан

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/Иволга_(экраноплан)

5.https://ru.wikipedia.org/wiki/Буревестник-24

6.https://ru.wikipedia.org/wiki/Бартини,_Роберт_Людвигович

7.https://ru.wikipedia.org/wiki/Алексеев,_Ростислав_Евгеньевич

8.http://voennoeinfo.ucoz.ru/index/0-21

Категория: Тексты выступлений | Добавил: nastya_kabanowa (14.04.2016) | Автор: Кабанова Анастасия Алексеевна E
Просмотров: 187 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ ЗАВЕРШЁН!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ ЗАВЕРШЁН!

Google+
Их многие читают
Щур Илья Андреевич (7978)
Бадакова Анастасия (5499)
Кузьминова Анастасия Олеговна (5343)
Чеховская Алена Алексеевна (4194)
Иванов Семен Владимирович (3595)
Кошманов Илья Игоревич (3591)
Беляева Александра Сергеевна (3537)
Ахметшин Тимур (3361)
Пушинская Кристина Валерьевна (3120)
Постникова Арина Олеговна (2756)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017