Документ 2629476

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
серия Аэромеханика и прочность
2007
№ 111
УДК 629.735.015.3:533.6
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗМЕЩЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО
ГРУЗА ПОД ВОЗДУШНЫМ СУДНОМ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКУЮ
СОВМЕСТИМОСТЬ ВОЗДУШНОГО СУДНА И ГРУЗА
В.Ю. СМИРНОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Барзиловичем Е.Ю.
Рассматривается размещение грузов на внешних подвесках под воздушным судном (ВС). Проводится анализ влияния параметров размещения груза на внешней подвеске под ВС на аэродинамическую совместимость
системы "воздушное судно – крупногабаритный груз". Исследуются зависимости коэффициентов аэродинамических сил и моментов, а также их производных от места размещения груза на внешней подвеске под ВС.
Создание новых и совершенствование существующих воздушных судов (ВС) направлено
на повышение уровня эффективности и безопасности эксплуатации, который определяется
общими и частными показателями качества их функционирования. Одним из путей решения
проблемы совершенствования ВС является повышение аэродинамической совместимости
системы "воздушное судно – крупногабаритный груз".
Особый интерес представляет размещение грузов на внешних подвесках, так как при
размещении грузов в отсеках они не оказывают непосредственного влияния на аэродинамические характеристики ВС. С другой стороны, десантирование грузов из отсеков обладает
специфическими особенностями, обусловленными обтеканием отсеков при их раскрытии.
При подвеске крупногабаритных грузов на внешних подвесках ВС аэродинамические
характеристики последнего претерпевают существенные изменения. Изменяется не только
лобовое сопротивления ВС, но и другие характеристики, что, в конечном счете, сказывается
на летно-технических характеристиках ВС: дальности полета, расходе топлива, маневренности, управляемости и т.д. На аэродинамические характеристики ВС влияют не только количество, но и тип грузов на внешних подвесках и места их расположения на ВС.
ВС оказывает, в свою очередь, большое аэродинамическое влияние на грузы при их наружном размещении на внешних подвесках. В частности, на грузы при таком типе размещения даже при отсутствии скольжения ВС действуют значительные боковые силы и моменты.
Проведенные исследования показывают, что на груз, размещенный под фюзеляжем, действует положительная подъемная сила, меньшая по величине, чем на груз, расположенный под
крылом. Изменение интерференционных сил, действующих на подвески, в зависимости от
координат их размещения вдоль хорды крыла таково, что переднее расположение груза приводит к росту его несущих свойств, то есть к увеличению коэффициента подъемной силы.
Если подкрыльевая подвеска располагается рядом с подфюзеляжной, то наблюдается заметное влияние грузов, расположенных на подфюзеляжных точках подвески, на грузы, находящиеся под крылом. Подфюзеляжная подвеска индуцирует на подкрыльевой дополнительную подъемную силу обратного знака, что приводит к уменьшению производной подъемной
силы подкрыльевых грузов. В свою очередь подкрыльевая подвеска в результате взаимодействия с подфюзеляжной незначительно увеличивает производную коэффициента подъемной
силы последней, а при перемещении по размаху крыла подкрыльевой подвески на один диаметр миделева сечения груза от подфюзеляжной ее влияние исчезает, и подъемная сила подфюзеляжной подвески остается без изменений.
Влияние сил и моментов аэродинамической интерференции при десантировании крупногабаритных грузов приводит к существенным систематическим ошибкам в определении их
62
В.Ю. Смирнов
точек падения. Очевидно, что такие систематические ошибки существенным образом снижают эффективность десантирования грузов.
Проведем анализ результатов расчетов влияния параметров размещения груза на внешней подвеске под ВС на аэродинамическую совместимость системы "воздушное судно –
крупногабаритный груз" на примере грузов сигарообразной формы под типовым ВС среднего размера на ближайших к фюзеляжу подкрыльевых точках подвески. При обезразмеривании коэффициентов аэродинамических сил и моментов за характерный линейный размер
принималась длина груза, а за характерную площадь – площадь миделева сечения груза. Углы атаки и скольжения принимались равными α = 4° и β = 0° соответственно. Положительное направления оси OX к носу ВС, оси OY – вверх к консоли крыла, оси OZ – от фюзеляжа.
Изменение аэродинамических характеристик груза с диаметром миделева сечения 0,38 м
и длиной 3,875 м, находящегося на ближайшей к фюзеляжу подкрыльевой точке подвески, в
зависимости от числа Маха полета ВС в диапазоне от М = 0 до М = 3, а также при смещении
положения груза по оси ОХ на 1 м, по оси OY на 0,25 м, по оси OZ – на 0,5 м, как в положительном, так и в отрицательном направлениях представлено на рис. 1 – 6.
Cyα
mzα
сдвиг вперед на 1 м
сдвиг вперед на 1м
2.0
исходное
положение
1.5
1.0
исходное положение
0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
M
-0.5
сдвиг назад на 1 м
сдвиг назад на 1м
-1.0
M
Рис. 1. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОХ на коэффициент производной
подъемной силы по углу атаки
Рис. 2. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОХ на коэффициент производной
момента тангажа по углу атаки
Изменение аэродинамических характеристик груза с диаметром миделева сечения 0,12 м
и длиной 2,095 м на той же подкрыльевой точке подвески в зависимости от числа Маха полета ВС в диапазоне от М = 0,6 до М = 1,6, а также при смещении положения груза на 2 м
вперед к носу ВС представлено на рис. 7, 8.
Изменение аэродинамических характеристик груза с диаметром миделева сечения 0,38 м
и длиной 3,875 м, находящегося на ближайшей к фюзеляжу подкрыльевой точке подвески,
для чисел Маха полета ВС М = 0,7 и М = 1,7, в зависимости от смещения положения груза от
0 м до 1,5 м по направлению к носу ВС, представлено на рис. 9 – 14.
Анализ результатов расчетов, полученных с помощью разработанной автором методики
[1, 2], показывает, что для исследованных систем "воздушное судно – крупногабаритный
груз" при сдвиге груза вдоль оси ОХ вперед к носу ВС происходит увеличение аэродинами-
Влияние параметров размещения крупногабаритного груза под воздушным судном…
C yα
mzα
63
сдвиг вверх на 0.25м
1.5
исходное положение
1.0
исх. положение
сдвиг вниз
на 0.25м
0.5
сдвиг вниз на 0.25м
0
0.5
1.0
2.5
1.5
-0.5
M
сдвиг вверх на 0.25м
-1.0
M
Рис. 3. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОY на коэффициент производной
подъемной силы по углу атаки
Рис. 4. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОY на коэффициент производной
момента тангажа по углу атаки
C yα
mzα
сдвиг вправо на 0.5м
сдвиг вправо на 0.5м
сдвиг влево на 0.5м
исходное положение
сдвиг влево на 0.5м
исходное положение
M
Рис. 5. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОZ на коэффициент производной
подъемной силы по углу атаки
M
Рис. 6. Влияние смещения положения груза
вдоль оси ОZ на коэффициент производной
момента тангажа по углу атаки
ческих коэффициентов подъемной и боковой сил cy и cz и их производных по углу атаки и
уменьшение коэффициента момента крена mx и его производной по углу атаки во всем диапазоне чисел Маха. При перемещении груза вдоль оси ОХ назад от носа ВС имеют место
противоположные явления, причем производная коэффициента подъемной силы c αy при
64
C
В.Ю. Смирнов
mz
y
Исходное положение
Сдвиг вперед на 2м
Сдвиг вперед на 2м
Исходное положение
М
М
Рис. 7. Влияние смещения положения груза на Рис. 8. Влияние смещения положения груза на
2 м вперед к носу воздушного судна на коэф- 2 м вперед к носу воздушного судна на коэффициент подъемной силы
фициент момента тангажа
my,mz
Cy,Cz
М=0.7
М=0.7
0.03
0.04
0.02
Cy
0.02
0.01
mz
0
0
0.5
1.0
1.5
x, м
0.5
1.0
1.5
x, м
-0.01
-0.02
-0.02
-0.04
-0.06
Cz
-0.03
my
-0.04
Рис. 9. Влияние смещения положения груза по Рис. 10. Влияние смещения положения груза
направлению к носу воздушного судна на ко- по направлению к носу воздушного судна на
эффициенты подъемной и боковой сил при
коэффициенты момента рыскания и тангажа
М = 0,7
при М = 0,7
сдвиге назад от носа ВС на 1 м при числах Маха полета М > 2 становится отрицательной, что
увеличивает силовое нагружение со стороны груза на подвеску. Увеличение подъемной силы
при перемещении груза вдоль оси ОХ к носу ВС может снизить уровень безопасности функционирования системы "воздушное судно – крупногабаритный груз".
Коэффициент момента рыскания my имеет минимум при определенном положении груза, который сдвигается вдоль оси ОХ назад от носа ВС при увеличении числа Маха полета.
Коэффициент момента тангажа mz и его производная по углу атаки может как увеличиваться,
так и уменьшаться при перемещении груза вдоль оси ОХ вперед к носу ВС в зависимости от
соотношения размеров груза, хорды крыла ВС и величины этого перемещения. В случае, когда длина груза соизмерима с хордой крыла, например, для груза сигарообразной формы с
диаметром миделева сечения 0,38 м и длиной 3,875 м под типовым ВС среднего размера на
65
Влияние параметров размещения крупногабаритного груза под воздушным судном…
ближайших к фюзеляжу подкрыльевых точках подвески, коэффициент момента тангажа mz
при сдвиге груза вперед к носу ВС на 1 м увеличивается, так как в область восходящего течения попадает только носовая часть груза, а при дальнейшем сдвиге коэффициент уменьшается. Увеличение момента тангажа при сдвиге груза вперед к носу ВС может снизить уровень безопасности функционирования системы "воздушное судно – крупногабаритный груз".
В случае, когда длина груза мала по сравнению с хордой крыла, например, для груза сигарообразной формы с диаметром миделева сечения 0,12 м и длиной 2,095 м под тем же ВС на
ближайшей к фюзеляжу подкрыльевой точке подвески, это явление не проявляется.
mx
Cy, Cz
М=0.7
М=1.7
0.04
0.008
Cy
0.02
0.004
0
0.5
1.0
1.5
x, м
-0.02
0
0.5
1.0
1.5
x, м
-0.04
Cz
-0.06
Рис. 11. Влияние смещения положения груза
по направлению к носу воздушного судна на
коэффициент момента крена при М = 0,7
Рис. 12. Влияние смещения положения груза
по направлению к носу воздушного судна на
коэффициенты подъемной и боковой сил при
М = 1,7
mx
my, mz
M=1.7
0.02
M=1.7
mz
0.008
0
0.004
0.5
1.0
1.5
x, м
-0.02
0
-0.04
0.5
1.0
1.5
x, м
my
-0.06
Рис. 13. Влияние смещения положения груза
по направлению к носу воздушного судна на
коэффициенты момента рыскания и тангажа
при М = 1,7
Рис. 14. Влияние смещения положения груза
по направлению к носу воздушного судна на
коэффициент момента крена при М = 1,7
При перемещении груза вдоль оси OY вверх к консоли крыла ВС происходит уменьшение коэффициента подъемной силы cy и его производной по углу атаки, а также увеличение
коэффициента момента тангажа mz и его производной по углу атаки во всем диапазоне чисел
Маха полета ВС. Причем производная коэффициента подъемной силы c αy при сдвиге вверх к
консоли крыла ВС при определенных числах Маха меняет знак, что может неблагоприятно
66
В.Ю. Смирнов
повлиять на силовое нагружение подвески и снизить уровень безопасности функционирования системы "воздушное судно – крупногабаритный груз". При перемещении груза вдоль
оси OY вниз от консоли крыла ВС имеют место противоположные явления.
При сдвиге груза вдоль оси OZ как ближе к фюзеляжу, так и дальше от фюзеляжа производная коэффициента подъемной силы c αy увеличивается в дозвуковом диапазоне скоростей
и на сверхзвуковых скоростях при числах Маха М < 2. При числах Маха М > 2 перемещение
к фюзеляжу уменьшает производную c αy , а перемещение от фюзеляжа – увеличивает. При
сдвиге груза вдоль оси OZ ближе к фюзеляжу происходит уменьшение коэффициента момента тангажа mz и его производной по углу атаки, а при отдалении – увеличение на дозвуковых скоростях полета ВС и на сверхзвуковых скоростях – при числах Маха М < 2. При
числах Маха полета ВС М > 2 имеют место противоположные явления.
Следует отметить, что производная коэффициента подъемной силы c αy в любом положении
груза под крылом ВС для исследованных систем "воздушное судно – крупногабаритный груз"
имеет ярко выраженный минимум при определенном значении числа Маха в сверхзвуковом
диапазоне скоростей полета ВС. При перемещении груза вдоль оси ОХ назад от носа ВС и вдоль
оси OY вниз от консоли крыла этот минимум сдвигается в сторону бóльших чисел Маха. Наличие этих минимумов, а также другие закономерности, полученные с помощью разработанной
автором методики [1, 2], можно использовать при определении оптимального с точки зрения аэродинамической совместимости места расположения подвески крупногабаритного груза на
внешней подвеске ВС, при оптимизации процесса десантирования крупногабаритных грузов,
особенно в чрезвычайных ситуациях, с целью обеспечения требуемого уровня эффективности и
безопасности функционирования системы "воздушное судно – крупногабаритный груз".
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов В.Ю. Расчет нестационарных аэродинамических характеристик грузов на дозвуковых скоростях
полета // Установки и системы управления авиационным вооружением. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1994.
2. Смирнов В.Ю. Расчет линейных стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик
АСП на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета // Установки и системы управления авиационным вооружением. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1994.
INFLUENCE OF PARAMETERS OF ARRANGEMENT OF BULKY LOAD UNDER AN
AIRCRAFT ON AERODYNAMIC COMPATIBILITY OF AN AIRCRAFT AND LOAD
Smirnov V.J.
Arrangement of loads on external suspensions under an aircraft is considered. The analysis of influence of parameters of
load arrangement on the external suspension under an aircraft on aerodynamic compatibility in "an aircraft - bulky load" system is conducted. The studies are conducted of how the place of arrangement of load on the external suspension under an aircraft influences on the coefficients of the aerodynamic forces and the moments and their derivatives.
Сведения об авторе
Смирнов Владимир Юрьевич, 1963 г.р., окончил МГУ (1985) и ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1987), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой МАИ, автор более 50 научных работ, область научных интересов – аэродинамическая интерференция самолета и грузов, эксплуатация сложных технических систем, компьютерные технологии.