Четверг, 02.12.2021, 03:58
Приветствую Вас Гость | RSS
Девятнадцатая олимпиада
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Восемнадцатая олимпиада (2020/21 уч.год)

История развития летательных аппаратов с адаптивным крылом

Автор: Литягин Дмитрий Николаевич
Возраст: 18 лет
Место учёбы: ФГБОУ ВО «УГАТУ» «УАТ»
Город: г. Уфа
Руководитель: Дикова Ф.А., ФГБОУ ВО «УГАТУ» «УАТ»

История развития летательных аппаратов
с адаптивным крылом

Иллюстрации не закачаны на сайт олимпиады, их демонстрация не гарантирована
(прим. модератора)

План работы:   

Введение
1. История
    1.1. Начало работ по адаптивному крылу
    1.2. Развитие адаптивного крыла в России
    1.2.1. роль ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского в исследовании адаптивного крыла
2. Принципы, заложенные в основу будущего развития технологии адаптивного крыла
3. Мехатронный узел и каркас адаптивного крыла
4. Преимущества адаптивного крыла в сравнении с традиционным крылом
Заключение
Список литературы

Введение

Современные самолеты для управления подъемной силой крыла используют несколько подвижных механических элементов, включая элероны, закрылки и отклоняемые носки. Эти элементы не являются единым целым с крылом и при движении образуют множество щелей, что ухудшает его аэродинамические качества.

Адаптивным называется крыло, способное изменять форму своего профиля в зависимости от условий или режима полета. При этом оно обладает гладкой и гибкой обшивкой, а форма (профиль) крыла плавно меняется с помощью внутреннего механизма. Считается, что адаптивное крыло может быть выполнено более легким по сравнению с традиционным жестким крылом. Кроме того, по расчетам, использование такой технологии на самолетах позволит добиться снижения расхода топлива на 10 процентов.

Цель моей работы: исследовать историю развития летательных аппаратов с адаптивным крылом:

  1.  Изучить историю развития технологии адаптивного крыла.
  2. Рассмотреть принципы создания адаптивного крыла.
  3. Рассказать о будущих проектах создания адаптивного крыла

1. История развития технологии адаптивного крыла

1.1. Начало работ по адаптивному крылу

Работы над созданием адаптивного крыла ведутся с конца 1970-х годов. Военно-воздушные силы США вместе с NASA работали по программе AFTI (Advanced Fighter Texnology Integration). Согласно открытым источникам, впервые такое крыло было применено в 1980-е годы на экспериментальном самолете F-111. Изменение кривизны его крыла осуществлялась в зависимости от высоты полета, числа Маха, угла стреловидности и необходимой подъемной силы.

Рис. 1. F-111 General Dynamics

Рис. 1. F-111 Genaral Dynamics

Двухместный тактический бомбардировщик дальнего радиуса действия F-111 General Dynamics совершил первый полет в 1964 году. Он был оснащен крылом изменяемой стреловидности, турбореактивными двухконтурными двигателями с форсажными камерами и РЛС следования рельефу местности.

В гражданской отрасли технологией адаптивного крыла в 1980-е годы заинтересовались в Airbus (программа Smart Intelligent Aircraft Structures - Saristu). Какое-то время концерн вел работы по созданию крыла с управляемой кривизной для самолетов А330 и А340, но затем отказался от этой идеи, поскольку обдувка моделей в аэродинамических трубах показала совсем небольшой выигрыш по топливной эффективности и одновременно – необходимость значительного усложнения существующей конструкции крыла.

Работы по адаптивному крылу в начале 2000-х годов подхватили и другие американские компании, например, FlexSys Inc. Их система адаптивного крыла FlexFoil представляет собой закрылки и элероны, выполненные едиными элементами с крылом. При установке в одну плоскость с крылом закрылки не образуют никаких щелей. При отклонении закрылков крыло остается гладким.

1.2. Развитие адаптивного крыла в России

На Международном авиационно-космическом салоне (МАКС-2019) в Подмосковье компания «ТМПК-Волгоград» представила адаптивное крыло будущего. Оно лишено выдвижных частей, но вместе с тем способно менять свою конфигурацию и управлять траекторией полёта.

Рис. 2. Каркас адаптивного крыла TMP Technology

Волгоградская компания RMP-technology представила на МАКС-2019 концептуальный беспилотный летательный аппарат "Сарыч". По словам разработчиков, в перспективе такие крылья будут использоваться и в пилотируемых самолётах.

Руководитель проекта Анатолий Тулаев: “В природе наилучшим образом адаптивное крыло реализовано у птиц. Мы же нашли решение, которое позволяет приблизиться к этим результатам. Созданный нами мехатронный узел позволяет реализовать изгиб на 30 град. Были проведены математические расчёты, подтверждающие, что при заданных нам нагрузках крыло выдержит большое количество изменений конфигурации, что позволит создать надёжную конструкцию”.

1.2.1. Роль ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского в исследовании адаптивного крыла

В России примеры использования адаптивной взлетно-посадочной механизации на крыле пассажирского самолета почти неизвестны, хотя исследования по оценке его эффективности начались в ЦАГИ более 20 лет назад: на опытный палубный истребитель Су-33UB использовался адаптивный отклоняющийся носок крыла с гибкой кожей.

В Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н.Е. Жуковского проходят фундаментальные исследования, направленные на улучшение эффективности коммерческих самолётов следующего поколения. Работы ведутся в рамках госконтракта с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации.

Академии им. профессора Николая Егоровича Жуковского в этом году исполняется 100 лет! Академия была создана в 1920 году. Это было первое в мире высшее авиационное учебное заведение. За 100 лет оно прошло славный путь, заслуги уникального вуза перед Родиной огромны. Ни одна академия в нашей стране не имеет столько наград — шесть орденов! Достижения вуза золотыми буквами вписаны в летопись страны и мировую историю авиации и космонавтики.

Специалисты института спроектировали и изготовили крупномасштабную модель отсека прямого крыла. Отсек имеет сверхкритический остро настроенный профиль, который довольно резко меняет аэродинамические характеристики в зависимости от угла атаки и числа Маха. Такие профили в перспективе лягут в основу так называемых адаптивных крыльев будущих самолётов.

В настоящее время завершаются испытания модели в большой трансзвуковой аэродинамической трубе переменной плотности Т-128 ЦАГИ. Особенностью эксперимента является его комплексность — одновременно проводится более 10 видов измерений. Главной целью проводимых исследований является изучение ламинарно-турбулентного перехода при высоких числах Рейнольдса. Кроме того, ученые оценят начало возникновения опасного явления — бафтинга — на трансзвуковых режимах обтекания. В дальнейшем отлаженные методы измерения будут применяться и в лётном эксперименте.

2. Принципы, заложенные в основу будущего развития технологии адаптивного крыла

Летательные аппараты (ЛА) будущего, в том числе военные беспилотники, будут адаптивными. Не только в смысле алгоритмической начинки. Адаптивными будут аэродинамические элементы. Точнее, весь аппарат будет менять форму, в зависимости от режима полёта. И речь тут вовсе не о простом “механическом” изменении угла стреловидности крыла или о выпуске каких-нибудь щитков (как в существующих сейчас схемах). Нет.

В перспективных системах будет плавно, в разных масштабах, меняться множество составляющих формы ЛА, от профиля крыла до длины аппарата. Работы в этом направлении ведутся уже давно. 

Эффективный полёт в атмосфере требует разной аэродинамики от аппарата в зависимости от скорости полёта, в зависимости от режима полёта. При относительно нешироком диапазоне скоростей полёта можно отыскать какую-то одну форму, которая будет приемлемой “в среднем” на нужных режимах полёта. Да и то уже при пересечении границы скорости звука потребовались весьма серьёзные научно-технические ухищрения, чтобы найти подходящую “статическую” схему, пригодную для хорошего дозвукового полёта и для удовлетворительного сверхзвукового. Хороший пример: современные сверхзвуковые истребители. Показательно, что в случае с этими истребителями определяющую роль в расширении допустимых “режимов эксплуатации” всё равно играет механизация крыла и прочие, – по сути, “адаптивные” – механизмы, изменяющие аэродинамические характеристики в процессе полёта.

Если же требуется расширить диапазон скоростей до гиперзвуковых, то ограничиться “статичной формой” с механизацией не получится. Да и на рядовых скоростях действительно адаптивные системы окажутся лучше.

Одна из хитростей тут в том, что, например, гиперзвуковой аппарат с воздушно-реактивным двигателем должен иметь аэродинамическую схему, где все элементы плотно интегрированы с двигателем (тому есть множество причин). С другой стороны, гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель не сможет работать при небольших скоростях полёта. Если, конечно, воздухозаборник этого двигателя не подвергнется “трансформации”, а сам двигатель одновременно не получит работающий компрессор.

Понятно, что плотно интегрированный с таким двигателем планер должен будет и сам существенно измениться – адаптироваться к новому режиму полёта. Никаким примитивным “выпуском закрылков” и перемещением консолей крыла необходимой адаптации не добиться.

Поэтому перспективные аппараты будут использовать эластичную внешнюю обшивку, а “силовые каркасы” внутри этой обшивки будут приспособлены для плавного изменения собственной геометрии (изменения будут сложными и в широком диапазоне, но развитие компьютерной техники и математики позволяет конструкцию посчитать уже сейчас).

3. Мехатронный узел и каркас адаптивного крыла

 

Рис. 3. Внешний вид цилиндрического шарнира двойного действия (D-CORE) в различных стадиях

В основе предлагаемой конструкции каркаса адаптивного крыла лежит мехатронный узел, призванный обеспечить заданный угол между элементами в структуре адаптивного крыла, согласованное управление которым позволяет изменять геометрию крыла с учетом аэродинамических и технологических требований. Мехатронный узел представляет собой последовательное объединение цилиндрических шарниров двойного действия (compliant rolling-contact D-CORE) [4, 5] (рис. 3), вписанных в
контур профиля крыла (рис. 4) с приводом (рис. 5).

Рис. 4. Схема последовательного объединения цилиндрических шарниров (D-CORE) двойного действия,
вписанных в контур крыла

Для конструкции D-CORE как механического узла характерно наличие упругих взаимообратных связей и непрерывно изменяющаяся ось вращения.   Управление мехатронным узлом осуществляется путем натяжения и ослабления тяги, переброшенной через шкив, связанный с валом сервопривода (рис. 5).   Предложенная на рис. 5 конструктивная схема может быть изменена на варианты с использованием электромеханических, пьезо- пневматических и гидравлических актуаторов, а также «материалов с памятью» (с нитиноловой нитью).
Как осуществляется управление кривизной профиля крыла можно видеть на рис. 6.

Рис. 5. Конструктивная схема мехатронного узла адаптивного крыла:
1 — электромеханический привод; 2 — тяга; 3 — цилиндрический шарнир двойного действия

Расположение мехатронных узлов в структуре каркаса крыла должно наделять последнее свойствами, позволяющими плавно отклонять носовую и хвостовую части, изменяя, таким образом, кривизну вдоль размаха, в зависимости от высоты, скорости полета и перегрузки, а также полностью изменять форму всего крыла, в том числе с возможностью приобретения крылом винтовой формы.   Крыло состоит из не менее двух мехатронных узлов, объединенных в единую конструкцию с помощью упругих стержневых элементов из углепластика и элемента жесткого объединения мехатронных узлов. Управление приводами согласовано при помощи электронной системы (рис. 6).

Определенную техническую сложность представляет подбор материала обшивки крыла (рис. 7). В качестве оптимального варианта нам видится использование силиконовых эластомеров.
Положенный в основу предлагаемого решения принцип управления геометрией крыла является частным случаем и может быть распространен на управление геометрией всего корпуса летательного аппарата.

Рис. 6. Действующий макет конструкции каркаса адаптивного крыла

Рис. 7. Внешний вид фрагмента адаптивного крыла с обшивкой

Рис. 8. Макет профиля адаптивного крыла в различных положениях

4. Преимущества адаптивного крыла в сравнении с традиционным крылом

 К ним относятся:

  • экономия энергоресурсов,
  • сокращение расхода топлива за счёт улучшения аэродинамических свойств, в том числе из-за возможного уменьшения толщины профиля крыла,
  • применение ячеистых структур эллиптической формы позволит менять толщину профиля до 20%.
  • лучшая стабильность на критических углах атаки. При риске срыва потока, который мы можем обнаружить, используя датчики давления, крыло сможет изменить геометрию профиля. Фактически это динамическая крутка крыла.
  • Получаем лучшие взлётно-посадочные характеристики.
  • снижение уровня шума за счёт отсутствия щелей и вихревых потоков. 
  • не требуется проводить противообледенительную обработку перед взлётом. Достаточно стряхнуть лёд интегрированной функцией.

Заключение

Исходя из всех исследований можно сделать следующие выводы, которые способствуют развитию технологии адаптивного крыла:

  1. Стремление людей лучше освоить небесное и космическое пространство, их заинтересованность и  желания заставляют создавать новые возможности развития авиастроения.
  2. Во многих институтах авиации и космонавтики плотно занимаются созданием технологии адаптивного крыла, которая сделает возможным создавать летательные аппараты будущих поколений
  3. Технология адаптивного крыла находится только в начале своего пути, вскоре она достигнет своего расцвета и войдет в современную историю развития новых летательных аппаратов. Опираясь на научные работы ученых и развитие новых технологий и материалов, можно судить, что технология адаптивного крыла будет применятся на огромном количестве летательных аппаратов новых поколений.

Список литературы

  1. На пути к пятому и шестому поколению. /http://otvaga2004.ru/kaleydoskop/kaleydoskop-air/5-6-pokoleniye-6/
  2. Летательные аппараты будущего: адаптивные системы. /https://dxdt.ru/2007/11/21/816/
  3. Авиация России. /https://aviation21.ru/v-cagi-issleduyut-profili-adaptivnyx-krylev-budushhix-samolyotov/
  4. Беспилотник с адаптивным крылом. /https://tmpkpro.ru/news/bespilotnik-s-adaptivnym-krylom-sarych-pokoril-maks-2019- 
  5. Адаптивно совместимое крыло. /https://www.hisour.com/ru/adaptive-compliant-wing-40779/
  6. Самолеты с адаптивным крылом - фантастика или реальность. /https://aviadrive.ru/posts/4963/ ЦИАМ. /https://ciam.ru/
  7. “Мы определили пять преимуществ адаптивного крыла” - А. Тулаев /https://www.aviaport.ru/news/2019/09/16/606009.html
  8. Мехатронный узел и каркас адаптивного крыла /https://naukatehnika.com/mexatronnyij-uzel-adaptivnogo-kryila.html
Категория: Восемнадцатая олимпиада (2020/21 уч.год) | Добавил: Service (29.12.2020) | Автор: Литягин Дмитрий Николевич E W
Просмотров: 239 | Комментарии: 3 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 3
0
1 Gvozdev   [Материал]
Дмитрий, иллюстрации необходимо закачать на сайт олимпиады, иначе мы не гарантируем их показ членам жюри

2 Дмитрий3193   [Материал]
Здравствуйте! а собственно как закачать иллюстрации на сайт олимпиады и нужно ли их подписывать?

0
3 Gvozdev   [Материал]

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК
НА УЧАСТИЕ
В 19-й ОЛИМПИАДЕ
ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ
И ПРИЁМ РАБОТ
ОТКРЫТЫ!
Календарь
Их многие читают
Шишкин Кирилл Ярославович (2818)
Акопов Эдуард (693)
Власов Андрей Юрьевич (604)
Попов Егор (520)
Александр Алексеевич Понушков (485)
Саматов Кирилл Игоревич (470)
Тамочкина Алёна (440)
Казанцев Никита Андреевич (419)
Кочегаров Захар Егорович (414)
Газизов Ильшат Рамилевич (413)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2021