2018. Т. 25. № 3

Авиационная и ракетно-космическая техника

Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов

Пархаев Е. С., Семенчиков Н. В.

Предложен алгоритм аэродинамической оптимизации несущих поверхностей малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА), режимы полета которых находятся в области критических чисел Рейнольдса Re. В основе алгоритма лежит численная оптимизация формы сечений крыла, для которой исходными данными являются результаты аэродинамического расчета трехмерной модели, а именно распределений коэффициента подъемной силы по размаху крыла. Трехмерная аэродинамическая модель была реализована по средствам панельного метода [1], оптимизация профилей крыла проводилась с помощью метода [2], дополненного рядом геометрических ограничений. Представлены результаты численной оптимизации по критерию максимального качества для крыльев прямоугольной формы в плане, удлинений λ = 5 и λ = 10 , при числе Re = 200 000, а также оптимизации стреловидного крыла с использованием предложенного метода. Показано, что удается увеличить аэродинамическое качество крыла, уменьшая долю сопротивления, связанного с возникновением ламинарно-турбулентного перехода и образованием местного отрыва потока.

Ключевые слова: малые числа Рейнольдса, крылья МБЛА, учет ламинарно-турбулентного перехода, численная оптимизация

Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Хмельницкий Я. А., Салина М. С., Катаев Ю. П.

Рассматривается напряженно-деформированное состояние панелей солнечных батарей при воздействии транспортных и эксплуатационных нагрузок, определяются формы и частоты собственных колебаний. Для анализа используется метод конечных элементов в среде MSC/Nastran. Для моделирования обшивок и сотового заполнителя выбран оболочечный элемент CQAD4 (Plate element).

Ключевые слова: трехслойная панель солнечной батареи, углепластиковая обшивка, конечно-элементный расчет, прочность панели, жесткость панели, частота колебаний панели, оболочечный элемент CQAD4

Смирнов А. В., Егошин С. Ф.

На основе метода сравнения потребной и располагаемой мощностей разработана математическая модель оценки энергоэффективности региональных самолетов. Построены зависимости потребной и располагаемой мощностей от полетной массы регионального самолета. Показаны преимущества использования в электросиловых установках самолетов высокотемпературных сверхпроводников по сравнению с обычными электротехническими материалами. Сформулированы условия, при соблюдении которых возможно существенное повышение энергоэффективности регионального турбоэлектрического самолета.

Ключевые слова: региональный самолет, турбоэлектрический самолет, гибридный самолет, гибридная силовая установка, высокотемпературные сверхпроводники

Каргаев М. В., Мироненко Л. А.

Излагается метод расчёта изгибных напряжений в незашвартованной лопасти вертолёта, обдуваемой ветровым потоком. Получены удобные расчётные формулы для вычисления прогибов, углов поворота и изгибающих моментов (напряжений) непосредственно через их значения для «жёсткой» лопасти. Решение построено на основе коэффициента увеличения нагрузки, что позволяет избегать необходимости прямого интегрирования исходного уравнения. Приведены результаты расчётов, проделанных для лопастей несущего винта вертолёта Ми-8.

Ключевые слова: лопасть несущего винта, ветровое нагружение, статическая прочность, критический скоростной напор

Лопатин А. А., Габдуллина Р. А., Терентьев А. А., Еремеева Ч. Ф., Биктагирова А. Р.

Рассматриваются параметры термоэлектрических генераторов (ТЭГ), предложена и описана методика расчета корпусного элемента, представленного в виде термоэлектрического генератора цилиндрической формы. Результаты расчета позволяют на стадии проектирования определить как электрические параметры ТЭГ, так и граничные температуры стенки корпуса. Представлен краткий аналитический обзор тенденций развития суммарного бортового электропотребления в сравнении с ростом эффективности ТЭГ. На основе численных и графических результатов аналитических и экспериментальных исследований авторы делают вывод о перспективности создания современных ТЭГ в качестве корпусных элементов мотогондолы двигателя летательного аппарата.

Ключевые слова: корпус авиационного двигателя, термоэлектрические генераторы, термоэлектрические генераторы в авиационных двигателях, электроснабжение летательных аппаратов, термоэлектрические материалы

Миодушевский П. В., Легович Ю. С.

Изложены результаты исследования характеристик многоцелевого самолёта-конвертоплана, обладающего концептуально новой аэромеханической схемой. Рассмотрены различные варианты реализации многоцелевого самолёта-конвертоплана: пассажирский самолёт на десять мест, специальный самолёт для спасательных операций и скорой помощи, малый беспилотный конвертоплан, имеющий большую продолжительность полёта. Результаты исследований показали, что во всех вариантах реализации предложенная конфигурация многоцелевого самолёта-конвертоплана позволяет достичь более высоких характеристик, чем у существующих летательных аппаратов.

Ключевые слова: самолёт-конвертоплан, аэромеханическая схема, конфигурация многоцелевого самолёта, продолжительность полёта, беспилотный конвертоплан

Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов

Хуан Ш., Костин В. А., Лаптева Е. Ю.

Рассматривается задача восстановления кривых ползучести ребер четырехпоясного кессона, работающих при действии комплекса механической и температурной нагрузки. Используется модель суперэлементов для моделирования тонкостенных конструкций в расчете прямой задачи, при которой неизвестные секущие модули определяют методом последовательных приближений, решая обратную задачу. Для решения обратной задачи применяется функционал цели в форме квадрата невязки между экспериментальными и теоретическими значениями деформаций. Минимизация функционала ведётся итерационным методом с использованием аппарата функции чувствительности. Построение изохронных кривых напряжено-деформированного состояния (НДС) выполняется на базе технической теории ползучести Ю.Н. Работнова. Расчеты выполнены с использованием программных средств системы Matlab.

Ключевые слова: тонкостенные конструкции, изохронные кривые, анализ чувствительности, модель суперэлементов

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Филинов Е. П., Авдеев С. В., Красильников С. А.

Предложено несколько новых корреляционно-регрессионных моделей вычисления массы малоразмерных авиационных газотурбинных двигателей на этапе их концептуального проектирования. Проведено сравнение полученных моделей массы между собой и с моделью В.С. Кузьмичева. На основе полученных результатов были сделаны выводы о возможности и области их применения. Новые корреляционно-регрессионные модели отличаются друг от друга количеством используемых входных параметров, а также точностью прогнозирования массы. В ходе работы была сформирована база основных данных и термодинамических параметров двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД), состоящая из 92 малоразмерных ТРДД с тягой менее 50 кН. На основе собранной статистики были получены формулы, позволяющие рассчитать массу на начальном этапе проектирования двигателя. Погрешность вычисления массы по данным моделям находится в диапазоне от 10 до 30 %.

Ключевые слова: математическая модель массы, корреляционно-регрессионные коэффициенты, малоразмерный газотурбинный двигатель, предварительная оценка массы, этап концептуального проектирования

Фокин Д. Б., Селиванов О. Д., Эзрохи Ю. А.

Представлены результаты исследований по формированию оптимального облика силовой установки (СУ) на основе турбопрямоточного двигателя (ТПД) с тандемным расположением контуров для перспективного высокоскоростного самолета (ВС). Изложена структура основных блоков, входящих в программно-вычислительный комплекс (ПВК), используемый при расчете характеристик ВС, а также проведено тестирование разработанного блока многокритериальной многофакторной оптимизации проектных параметров СУ с ТПД в составе ВС на примере семипараметрической трехкритериальной задачи, целевыми функциями которой являлись до- и сверхзвуковые дальности полета на оптимальной высоте и потребная для прерванного-продолженного взлета длина взлетно-посадочной полосы (ВПП). Представлена процедура проведения оптимизационных исследований, направленных на формирование оптимального облика СУ, которая включает: подготовку исходных данных, параметрические исследования, оптимизацию, постоптимизационный анализ и выдачу рекомендаций. С использованием аппарата нечётких множеств и «функций оптативности» из полученного в результате оптимизации набора Парето-оптимальных решений отобраны варианты самолетов, имеющие наиболее высокий уровень привлекательности.

Ключевые слова: высокоскоростной самолет, турбопрямоточный двигатель, математическое моделирование двигателя, оптимизация параметров силовой установки, летно-технические характеристики, аппарат нечетких множеств

Орлов М. Ю., Анисимов В. М., Коломзаров О. В.

Описан процесс доводки конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) с тороидальной зоной рециркуляции с целью обеспечения требований технического задания, реализованный с помощью программного комплекса вычислительной газовой динамики Ansys Fluent. Работа выполнялась в три этапа. На первом этапе осуществлялась доводка аэродинамической структуры потока с целью организации тороидального вихря в первичной зоне камеры сгорания. На втором этапе обеспечивались стабилизация пламени и практически полное выгорание топлива. На третьем этапе формировалось заданное поле температур на выходе из камеры сгорания.

Ключевые слова: камера сгорания, тороидальная зона рециркуляции, доводка, первичная зона горения, моделирование

Финогенов С. Л., Коломенцев А. И.

Излагается концепция солнечного теплового ракетного двигателя (СТРД) с фазопереходным тепловым аккумулятором (ТА) при использовании в качестве теплоаккумулирующего материала оксида бериллия. Рассмотрены основные характеристики двигателя, предполагающие возможность дожигания нагретого в ТА до температуры 2800 К водорода в зависимости от времени выполнения полетной задачи – выведения полезной нагрузки (ПН) на геостационарную орбиту (ГСО). Представлены зависимости массы ПН на ГСО для времени межорбитального перелета от 30 до 90 суток. Показаны оптимальные характеристики СТРД с ТА, соответствующие максимуму критерия эффективности задачи – массе ПН при ограничении на время перелета. Выявлены оптимальные значения коэффициента избытка окислителя в зависимости от времени межорбитальной транспортировки.

Ключевые слова: солнечный тепловой ракетный двигатель, тепловой аккумулятор, оксид бериллия, дожигание водорода, геостационарная орбита

Ремчуков С. С., Данилов М. А., Чистов К. А.

Представлен расчетный комплекс, позволяющий проводить автоматизированное проектирование и расчет компактного теплообменника для малоразмерного газотурбинного двигателя. Разработанный расчетный комплекс позволяет осуществлять доводку теплообменника в автоматическом режиме с минимальными затратами временных ресурсов. В результате расчета и проектирования строятся 3D-модели теплообменника, определяются основные параметры полученного теплообменника, такие как степень регенерации, гидравлические потери и другие. Разработка применима для пластин различных конфигураций при наличии параметризованных 3D-моделей пластин. Автоматизация алгоритма проектирования и расчета позволяет использовать его совместно с автоматизированными программными комплексами многокритериальной оптимизации.

Ключевые слова: малоразмерный газотурбинный двигатель, пластинчатый теплообменник, параметрическое проектирование

Гулиенко А. И., Щуровский Ю. М.

Объектом исследований является система смазки газотурбинного двигателя (ГТД). Изложены особенности рабочего процесса в агрегатах такой системы. Экспериментально показано, что протекающая в трубопроводах откачки масловоздушная смесь может рассматриваться как сплошная упругая среда. Составлена карта течения смеси в трубопроводе с шестеренным насосом.

Ключевые слова: система смазки, масловоздушная смесь, карта режимов течения

Семенова А. С., Гогаев Г. П.

Исследуется влияние на расчетную разрушающую частоту диска турбины низкого давления (ТНД) двигателя разработки ОКБ им. А. Люльки времени приложения нагрузки; размера конечно-элементной (КЭ) сетки. Разрушающая частота вращения диска двигателя оценивается с использованием деформационного критерия в программном комплексе LS-DYNA. Полученные результаты расчетов валидированы на основе результатов разгонных испытаний рассматриваемого диска ТНД на стенде ЦИАМ им. П.И. Баранова.

Ключевые слова: диски турбомашин, разрушающая частота вращения, деформационный критерий

Колычев А. В., Керножицкий В. А., Левихин А. А.

Рассматривается термоэмиссионная система охлаждения (ТСО) лопаток турбин (ЛТ) и других горячих элементов (ГЭ) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), которая заключается в покрытии их слоем (термоэмиссионно-защитным слоем (ТЭЗС)) из жаропрочного и жаростойкого материала, но с низкой работой выхода электронов (РВЭ). При нагреве ЛТ и ГЭ с ТЭЗС с их поверхности начинают выходить электроны, забирая с собой 210 МВт/м2 тепловой энергии в экспоненциально-подобной зависимости от температуры. Это позволит существенно повысить КПД ГД за счет повышения температуры рабочего газа перед турбиной и дополнительного термоэмиссионного преобразования, а также повысить надежность и долговечность ГД.

Ключевые слова: термоэлектронная эмиссия, электронное охлаждение, термоэмиссионный метод охлаждения, лопатки турбин, повышение КПД, газотурбинные установки, газоперекачивающие агрегаты, газотурбинные двигатели, лопатки турбин, технологическое лидерство, освоение труднодоступных месторождений ресурсов

Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

Донсков А. В., Мишурова Н. В., Соловьев С. В.

Рассмотрен вопрос разработки автоматизированной системы контроля состояния космических аппаратов. Выявлена и обоснована необходимость развития автоматизированных средств контроля состояния. На основе проведенного исследования авторами предлагается подход к разработке системы, которая позволяет автоматизировать рутинные задачи специалиста группы управления в части анализа телеметрической информации, отображать результаты автоматизированного анализа и информационной поддержки специалиста оперативной смены управления полетом космического аппарата. Авторами предложена обобщенная структура программного комплекса на примере контроля состояния транспортного пилотируемого корабля (ТПК) «Союз МС» и транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс МС» с указанием предъявляемых требований. Делается акцент на решение задачи по автоматизации процесса анализа телеметрической информации с борта космического аппарата. Рассматриваются инструменты для решения поставленной задачи.

Ключевые слова: автоматизированная система контроля, пилотируемый космический корабль, космический аппарат, контроль, анализ состояния, полет, управление полетом космического аппарата, нештатная ситуация, телеметрическая информация

Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов

Даниленко Н. В., Киренчев А. Г.

Описан рабочий процесс вихреобразования сред Земли. Дано его определение. Указан продукт вихреобразования от вихревого поля до смерчей и вихрей воздухозаборников. Представлены характеристики вихревого поля Земли и их следствия. Выявлена роль силы Кориолиса в процессе вихреобразования естественных и техногенных вихрей. Представлены результаты экспериментального моделирования вихреобразования под воздухозаборником с учетом действия силы Кориолиса.

Ключевые слова: вихреобразование, вихри воздухозаборников, воздухозаборник реактивного двигателя, интерференционные вихри, вихри силы Кориолиса, вихревое поле Земли, вихревые характеристики

Разумный Ю. Н., Самусенко О. Е., Нгуен Н. К.

Рассматривается задача оптимизации орбитального построения двухъярусных спутниковых систем (СС) непрерывного обзора сферического слоя околоземного космического пространства (ОКП) по критерию минимума суммарных затрат характеристической скорости на создание системы. Проведены декомпозиция данной задачи и сведение к традиционной задаче выбора в классе дельта-систем одноярусных орбитальных построений и их оптимизации по критерию минимума суммарной характеристической скорости (СХС). Обсуждаются результаты и предложение по использованию полученных оптимальных вариантов двухъярусных СС для решения различных практических задач.

Ключевые слова: спутниковая система, непрерывный обзор, околоземное космическое пространство, дельта-системы, кинематически правильные системы

Машиностроение и машиноведение

Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Ковалев А. А., Тищенко Л. А., Шаховцев М. М., Горбатовская Т. А., Власов Е. Ю.

Исследуется влияние технологических параметров предварительной обработки кремниевых подложек (температуры и времени дегидратации и обработки в парах гексаметилдисилазана) на угол смачивания с целью оценки их гидрофобности. Измерение углов смачивания проводилось методом Бикермана. В результате выявлен технологический параметр, в наибольшей степени влияющий на угол смачивания подложки.

Ключевые слова: фотолитография, адгезионный промотор, гексаметилдисилазан (ГМДС), дегидратация, кремниевые подложки, гидрофобность, угол смачивания

Электротехника

Электротехнические комплексы и системы

Грачев Н. Н.

Приведены результаты исследований, направленных на обеспечение качества сборки элементов конструкций электронных средств летательных аппаратов. В результате исследований установлено, что к основным недостаткам, влияющим на качество сборки, относится несоблюдение моментов затяжки резьбовых соединений в конструкциях электронных средств летательных аппаратов. Проведенные исследования показали возможность использования бесконтактного метода определения качества сборки элементов конструкций бортовых радиоэлектронных средств (РЭС) на основе анализа уровня контактных радиопомех. Предложенный метод основан на сравнении спектральных составляющих уровней излучений от реальных и эталонных конструкций блоков бортовых РЭС. По результатам сравнения уровней излучения оценивается качество сборки блоков бортовых РЭС, оказывающее существенное влияние на общий уровень электромагнитной обстановки на борту ЛА.

Ключевые слова: контактные помехи, электромагнитная обстановка, качество сборки, способ диагностики

Балковой Н. Н.

Предложена классификация двигателей-маховиков, и проанализированы их типы. Исследованы возможности применения двигателей-маховиков, компенсирующих собственные помеховые моменты. Разработана их математическая модель, которая интегрирована в модель управляемого вращательного движения космического аппарата. Проведено сравнение функционирования двигателей-маховиков с компенсацией собственных помеховых моментов и приборов, управляемых по электромагнитному моменту.

Ключевые слова: двигатель-маховик, компенсация внутренних помеховых моментов, классификация двигателей-маховиков

Терешкин В. М.

На основе классического подхода проведен анализ гармонического состава результирующего тока четырехфазной обмотки электродвигателя. Установлено, что гармоники 1, 5, 9 являются гармониками прямого следования, а гармоники 3, 7, 11 это гармоники обратного следования. Так как гармоники 1, 3, 5 результирующего тока соизмеримы, то в пределах периода первой гармоники возможны значительные вибрации электромагнитного происхождения. По гармоническому составу результирующего тока обмотки с нечетным количеством фаз 5, 7, 9 и т.д. имеют преимущество перед четырехфазной обмоткой. Это позволяет предположить, что обмотки с нечетным количеством фаз обеспечивают более низкий уровень вибраций электромагнитного происхождения.

Ключевые слова: четырехфазная обмотка двигателя, результирующий ток четырехфазной симметричной обмотки, гармонический состав результирующего тока, вибрации электромагнитного происхождения

Металлургия и материаловедение

Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Антипов В. В., Ночовная Н. А., Кочетков А. С., Панин П. В., Дзунович Д. А.

Приведены результаты оригинальных исследований литой структуры и свойств нового жаропрочного интерметаллидного гамма-сплава Ti-45,5Al-2V-1Nb-1,5Zr(Cr)-Gd-B, разработанного в ВИАМ. Исследовано влияние температурно-временных параметров центробежного литья в двухкамерной индукционной печи с холодным тиглем ALD Leicomelt 5 на макро- и микроструктуру фасонных отливок. Показано, что определяющее влияние на структурную однородность получаемых отливок оказывает температура предварительного подогрева литейных форм. На основании полученных результатов разработаны технологии литья и термической обработки, позволяющие получать бездефектные фасонные отливки лопаток турбин низкого давления авиационных двигателей.

Ключевые слова: интерметаллиды, алюминид титана TiAl, гамма-сплав, центробежное литье, фасонные отливки, микроструктура отливок, лопатки турбины

Порошковая металлургия и композиционные материалы

Лапаев А. В., Ряшин Н. С., Фомин В. М., Шикалов В. С.

Исследованы свойства и микроструктура алюминиевых покрытий, сформированных методом холодного газодинамического напыления (ХГН, cold spraying) на зонах коррозионного поражения подложек из конструкционного сплава 1163РДТВ. Представлены результаты исследования микроструктуры поперечных шлифов этих покрытий, полученные методами оптической и растровой электронной микроскопии. Экспериментально определены зависимости элементного состава, пористости и микротвердости полученных алюминиевых покрытий от температуры торможения T0. Например, при T0 = 200 °C значение пористости составило 0,06 %. Показано, что ХГН-покрытие на зоне коррозионного поражения пластины из сплава 1163РДТВ восстанавливает характеристики статической прочности образца в упругой области диаграммы деформирования. Восстановлен фрагмент бывшего в эксплуатации стрингера самолета ТУ-154М (сплав серии В95) алюминиевым ХГН-покрытием. Результаты настоящей работы демонстрируют высокий потенциал метода холодного газодинамического напыления в восстановлении и ремонте элементов конструкции летательных аппаратов.

Ключевые слова: коррозия, восстановление авиационных конструкций, холодное газодинамическое напыление, алюминиевые покрытия, пористость, элементный состав, микротвердость, прочность, усталость

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2017