Снижение влияния отказа двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета (2024)
В последнее время производители авиадвигателей проявляют повышенный интерес к разработке гибридных силовых установок (ГСУ), представляющих собой комбинацию газотурбинных двигателей (ГТД) с электродвигателями-генераторами. Использование ГСУ позволяет повысить топливную эффективность самолета, а также создать новые конфигурации с улучшенными аэродинамическими и тяговыми характеристиками. Повышение топливной эффективности достигается в результате оптимизации режима работы силовой установки под требования крейсерского полета с компенсацией недостающей мощности при взлете и уходе на второй круг за счет подключения электродвигателей с питанием от аккумуляторов. Создание новых конфигураций с улучшенными характеристиками может быть обеспечено благодаря синергетическому эффекту взаимодействия воздушных винтов с планером самолета. Успешные летные испытания опытных образцов ГСУ в компоновках легких самолетов позволяют рассчитывать на их возможное применение в будущем в проектах новых винтовых самолетов. Потенциальные преимущества применения новых силовых установок на самолетах местных авиалиний могут привести как к сокращению расхода топлива, так и к снижению выбросов углерода. Также возможно кратковременное поддержание безопасного режима полета в случае отказа одного двигателя при использовании нескольких источников энергии. Энергия, вырабатываемая электрическим генератором, подключенным к работающему двигателю, может использоваться как для привода электродвигателей концевых воздушных винтов, так и для вращения движителя отказавшего двигателя. В работе представлены результаты исследований влияния отказа критического двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета, полученные как при отсутствии, так и при наличии электрической передачи между работающим и отказавшим двигателем. Экспериментальные исследования проведены в малоскоростной аэродинамической трубе Т-102 ЦАГИ. Моделирование работы электрической трансмиссии проведено путем установки режима работы двух имитаторов силовой установки, соответствующего половинному значению коэффициента нагрузки воздушного винта Boодного двигателя на взлетном режиме.
Идентификаторы и классификаторы
Список литературы
- Schafer A.W., Barrett S.R.H., Doyme K. et al. Technological, economic and environmental prospects of all-electric aircraft // Journal Nature Energy. 2019. Vol. 4. Pp. 160-166. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0294-x
- Epstein A.H., O’Flarity S.M. Considerations for reducing aviation’s CO2 with aircraft electric propulsion // Journal of Propulsion and Power. 2019. Vol. 35, no. 3. Pp. 572-582. https://doi.org/10.2514/1.B37015
- Veldhuis L.L.M. Radical Aircraft based on hybrid-electric propulsion. Clean Sky2. TUDelft. Contribution of NOVAIR to LPA WP1.6.4 and 1.6.3 [Электронный ресурс] // zenodo.org, 17 November 2020. URL: https://zenodo.org/records/4277193 (дата обращения: 09.06.2023).
- Zamboni J. A method for the conceptual design of hybrid electric aircraft / J. Zamboni, R. Vos, M. Emeneth, A. Schneegans [Электронный ресурс] // AIAA Scitech 2019 Forum. 7-11 January 2019. https://doi.org/10.2514/6.2019-1587 (дата обращения: 09.06.2023).
- Patterson M.D., Derlaga J.M., Borer N.K. High-lift propeller system configuration selection for NASA’s SCEPTOR distributed electric propulsion flight demonstrator [Электронный ресурс] // 16th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Washington, D.C., June 2016. https://doi.org/10.2514/6.2016-3922 (дата обращения: 09.06.2023).
- Klunk G.T., Freeman J.L. Vertical tail area reduction for aircraft with spanwise distributed electric propulsion [Электронный ресурс] // 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium. Cincinnati, Ohio, 9-11 July 2018. https://doi.org/10.2514/6.2018-5022 (дата обращения: 09.06.2023).
- Nguyen E., Troillard P., Jezegou J. et al. Reduction of vertical tail using differential thrust: Influence on flight control and certification [Электронный ресурс] // AEGATS 2018. France, Toulouse, October 2018. Pp. 1-8. URL: https://hal.science/hal-02183315 (дата обращения: 09.06.2023).
- Armstrong M. Stability, transient response, control, and safety of a high-power electric grid for turboelectric propulsion of aircraft / M. Armstrong, C. Ross, D. Phillips, M. Blackwelder [Электронный ресурс] // NASA/CR-2013-217865, 2013. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140000336/downloads/20140000336.pdf (дата обращения: 09.06.2023).
- Hepperle М. Electric flight - potential and limitations [Электронный ресурс] // MP-AVT-209-09. 30 p. URL: https://elib.dlr.de/78726/1/MP-AVT-209-09.pdf (дата обращения: 09.06.2023).
- Duffy K.P., Jansen R.H. Partially turboelectric and hybrid electric aircraft drive key performance parameters [Электронный ресурс] // 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium. Cincinnati, Ohio, 9-11 July 2018. https://doi.org/10.2514/6.2018-5023 (дата обращения: 09.06.2023).
- Jansen R.H., Duffy K.P., Brown G.V. Partially turboelectric aircraft drive key performance parameter [Электронный ресурс] // 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 10-12 July 2017. USA, Georgia, Atlanta. https://doi.org/10.2514/6.2017-4702 (дата обращения: 09.06.2023).
- Pohl M. Preliminary design of integrated partial turboelectric aircraft propulsion systems / M. Pohl, J. Köhler, H. Kellermann, M. Lüdemann, D. Weintraub, P. Jeschke, M. Hornung // Journal of the Global Power and Propulsion Society. 2022. Vol. 6, no. 1. Pp. 1-23. https://doi.org/10.33737/jgpps/145907
- Дунаевский А.И., Редькин А.В. Способ синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательного аппарата и электрическая синхронизирующая трансмиссия для его реализации. Патент № RU 2646696, C1, B64C 11/50, B64D 31/12: опубл. 06.03.2018. 11 с.
- Михайлов Ю.С. Анализ взаимодействия воздушных винтов с планером легкого транспортного самолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2021. Т. 24, № 5. C. 76-88. https://doi.org/10.26467/2079-0619-2021-24-5-76-88
- Михайлов Ю.С. Влияние отказа двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2022. Т. 25, № 4. С. 56-69. https://doi.org/10.26467/2079-0619-2022-25-4-56-69
- Adu-Gyamfi B.A., Good C. Electric aviation: A review of concepts and enabling technologies [Электронный ресурс] // Transportation Engineering. 2022. Vol. 9. ID 100134. https://doi.org/10.1016/j.treng.2022.100134 (дата обращения: 09.06.2023).
- Preston R. Aerodynamics for professional pilots. 4th ed., 2010. 213 p.
- Horling H. Control and performance during asymmetrical powered flight [Электронный ресурс] // AvioConsult. 2012. 28 p. URL: https://www.avioconsult.com/downloads/Control and Performance During Asymmetrical Powered Flight.pdf (дата обращения: 09.06.2023).
- Quillet D. Parallel hybrid-electric powertrain sizing on regional turboprop aircraft with consideration for certification performance requirements / D. Quillet, V. Boulanger, D. Rancourt, R. Freer, P. Bertrand [Электронный ресурс] // AIAA AVIATION Forum. 2-6 August 2021. https://doi.org/10.2514/6.2021-2443 (дата обращения: 09.06.2023).
- Pope A., Barlow J.B., Rae W.H. Low-speed wind tunnel testing. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc., 1999. 728 p.
- Pettersson K., Rizzi A. Aerodynamic scaling to free flight conditions: Past and present // Progress in Aerospace Sciences. 2008. Vol. 44, iss. 4. Pp. 295-313.
- Варюхин А.Н., Захарченко В.С., Рахманкулов Д.Я. и др. Традиционные, гибридные и электрические силовые установки самолетов местных воздушных линий // Авиационные двигатели. 2022. № 1 (14). С. 19-32. https://doi.org/10.54349/26586061_2022_1_19
Выпуск
Другие статьи выпуска
В статье изложены результаты работ в области создания натурного стенда для исследований в области определения структуры и параметров системы управления беспилотными летательными аппаратами коптерного типа с силовой установкой, имеющей в своем составе электродвигатели с винтами фиксированного шага. Представлены особенности конструктивной реализации стенда с учетом перспектив его развития в части количества степеней свободы (каналов тангажа, крена и рыскания). Описан реализованный принцип интеграции Simulink – модели объекта управления, контроллера на базе платформы Arduino, гироскопа-акселерометра для организации обратных связей в интересах формирования алгоритмов автоматического и позиционного (ручного) управления углом тангажа, ручного управления оборотами электродвигателя. Представлен анализ результатов натурного моделирования в части качества переходных процессов и затрат электроэнергии для различных вариантов настройки PID-регулятора, обеспечивающего формирование сигнала оборотов электродвигателя. Сделан вывод о целесообразности создания и использования экспериментальной базы для обоснования применения адаптивных алгоритмов управления беспилотными летательными аппаратами коптерного типа с элементами искусственного интеллекта в интересах обеспечения требуемых пилотажных характеристик в широком диапазоне свойств объектов управления.
В интересах изучения проблемы грубых посадок и выкатывания самолетов с взлетно-посадочной полосы (ВПП) была разработана анкета для пилотов, в которой содержалось 22 вопроса, имеющих отношение к рассматриваемой проблеме. Основной акцент в анкете был сделан на выкатывании самолета за боковую кромку ВПП. Спектр вопросов охватывал разные аспекты проблемы, в том числе восприятие и сравнительную оценку пилотами различных факторов риска, личный опыт выполнения посадок с предпосылками к выкатыванию, принятие решения об уходе на второй круг, отношение к политике авиакомпаний в части оценки качества посадки, достоверность сообщаемой экипажу информации о погоде и состоянии ВПП, качество тренажерной подготовки к полетам в условиях бокового ветра и скользкой ВПП, современные бортовые системы предотвращения выкатывания самолета с ВПП и др. Были опрошены более 50 пилотов гражданской авиации разного возраста, с разным стажем и опытом работы, командиры воздушных судов и вторые пилоты. Анкетирование проводилось заочно и анонимно. Обработка анкет включала в себя детальный анализ ответов на каждый из вопросов анкеты. При отсутствии ответа на вопрос или обоснованном сомнении в его корректности анкета исключалась из рассмотрения. Результаты обработки анкет по всей выборке и по отдельным группам (молодые/опытные, командиры / вторые пилоты, турбовинтовые/турбореактивные самолеты) представлены и проанализированы в данной работе.
Проблемы развития транспортного коридора «Север – Юг» напрямую взаимосвязаны с интеграцией инфраструктуры регионов стран – участниц данного проекта. Значение коридора в настоящее время затрагивает не только экономическую сферу, но также и сферу геополитики всего мирового сообщества, поскольку затрагиваются вопросы балансировки сил в мировой экономике. По итогам исследования статистических данных из открытых источников, анализа обширной периодической литературы обоснованы сильные и слабые стороны мультимодального транспортного коридора (МТК) «Север – Юг» и определены перспективные пути реализации и повышения его эффективности. В качестве факторов, которые препятствуют активной реализации проекта, выделены политическое давление на ряд стран-участниц и асимметрия интересов (наиболее заинтересованными участниками являются Иран и Россия, другие стороны от участия в проекте могут иметь негативные геополитические и экономические последствия). Большие проблемы имеются в уровне развития инфраструктуры и недостаточной степени гармонизации институциональных условий, в рамках которых функционирует транспортный коридор. В то же время безусловными преимуществами транспортного коридора «Север – Юг» являются снижение зависимости от других транспортных путей, в том числе проходящих через конкурирующие страны, повышение национальной безопасности и суверенитета России, укрепление евразийской интеграции, углубление внешнеполитических связей со странами Азии и Африки. В целях максимально возможного использования потенциала МТК «Север – Юг» и повышения его конкурентоспособности в сравнении с другими транспортными узлами предложены следующие пути: 1) единовременное решение комплекса задач: модернизации инфраструктуры, в первую очередь портовой – в России, железнодорожной – в Иране; полноценная цифровизация транспортно-логистической сферы во всех странах-участницах; гармонизация институциональных условий реализации проекта в области законодательства, таможенных процедур, бизнес-процессов, управления; 2) более активное использование режимов свободных экономических зон и особых экономических зон; 3) формирование специальной наднациональной организационной структуры, которая будет заниматься непосредственно развитием МТК «Север – Юг».
Целью системы управления производственной безопасностью является выявление факторов опасностей и разработка совокупности методов для предупреждения травматизма на авиапредприятии, профессиональной заболеваемости, материальных затрат в случае ущерба имуществу и окружающей среде. В ходе анализа структуры профессиональной патологии в зависимости от воздействующих факторов производственной среды и трудового процесса за период 2013–2022 годов показано, что процент заболеваний, связанных с воздействием производственных физических факторов, за данный период остается на прежнем уровне. Данный факт в свою очередь подтверждает актуальность области выбранного исследования. Анализ и выявление складывающейся производственной обстановки необходим для проведения оценки влияния неблагоприятных производственных факторов. В данном исследовании реализован новый подход к построению модели для системы управления производственной безопасностью. Математическое моделирование позволяет более глубоко понять природу некоторых явлений и выявить ту информацию, которая отражает реальную ситуацию и является фактором, стимулирующим развитие новых научных проблем и способов их решения, а также основой для принятия конкретных решений при реализации определенных проектов. Успешное осуществление стратегий в целях создания системы производственной безопасности для гибкой структуры мониторинга и управления неотъемлемо зависит от того, насколько эффективна ее функциональная структура, данное положение объясняется фундаментальностью задач, которые решаются на этапе управления. В статье рассмотрены теоретические положения, касающиеся математического моделирования. При создании модели был использован аппарат абстрактной алгебры – теория множеств. Разработанный в ходе исследования подход дает возможность ввести модель системы управления производственной безопасностью в деятельность авиапредприятий.
Уменьшение стоимости жизненного цикла изделия авиационной техники – задача, решаемая на стадии проектирования либо влекущая за собой значительные доработки конструкции. Предварительный подогрев турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет уменьшить термонапряженность рабочих лопаток (РЛ) при запуске двигателя без внесения конструктивных изменений, а лишь за счет внедрения технологии подогрева двигателя в эксплуатационный процесс. Значения термических напряжений на РЛ турбины высокого давления (ТВД) турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с применением подогрева и без него позволяют определить изменение суммарной степени повреждаемости РЛ ТВД. В концепции предварительного подогрева ГТД перед запуском для составления технологии подогрева необходимо знать время, за которое РЛ нагреется до необходимой температуры. Таким образом, задача исследования, излагаемого в статье, заключается в эмпирическом определении времени прогрева РЛ ТВД при помощи термопар и пирометров на натурном объекте в зависимости от способов подачи воздуха для подогрева и вращения ротора. Отличительной особенностью проделанной работы является применение эмпирического подхода в определении времени прогрева РЛ ТВД для оценки целесообразности применения самой технологии предварительного подогрева ГТД перед запуском и выбора наиболее эффективного способа прогрева по критерию времени. Рассмотрены несколько способов подогрева двигателя перед запуском с применением различного набора оборудования и способа подачи горячего воздуха на турбину. Результаты измерений времени прогрева РЛ позволили установить способ прогрева с минимальными затратами времени перед запуском двигателя.
Издательство
- Издательство
- Научно-техническая библиотека МГТУ ГА
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- Кронштадтский бул., 20
- Юр. адрес
- Кронштадтский бул., 20
- ФИО
- Елисеев Борис Петрович (Руководитель)
- E-mail адрес
- press@mstuca.aero
- Контактный телефон
- +7 (916) 2376484
- Сайт
- https://mstuca.ru