Исследование взлетного режима экраноплана

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Кирилюк Е.В., Латухин М. О., Антоненко C.B. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗЛЕТНОГО РЕЖИМА ЭКРАНОПЛАНА
Поверхность воды является наиболее неблагоприятным видом экрана, значительно усложняющим взлет и посадку экранопланов и представляющим жесткие требования к их мореходности. Отсюда следует, что проблема взлета и посадки стала одной из основных проблем создания экраноплана, во многом влияющей на его экономическую эффективность и конкурентоспособность с известными видами транспорта. Решение этой проблемы заключается в создании действенных взлетно-посадочных устройств. В настоящее время известны и апробированы следующие их типы:
1) Система поддува струи стартовых двигателей под крыло. Позволяет экраноплану отрываться от поверхности практически без разгона, но требует колоссальных энергозатрат. На современном этапе признана по меньшей мере неэффективной в большинстве случаев.
2) Подводные крылья. Данный способ поднятия судна из воды показывает хорошие результаты по энергозатратам, однако существующие проблемы с согласованием динамически изменяемых моментов подъемных сил от надводных и подводных крыльев, влияющих на устойчивость экраноплана в режиме взлета, до сих пор являются нерешенными, а в купе с потерей у таких судов амфибийных качеств подводные крылья признаны бесперспективными.
3) Воздушная подушка. Эффективно обеспечивает взлет экраноплана, но в силу громоздкости конструктивных элементов, которые необходимо размещать на участках, наиболее пригодных для грузов и пассажиров, не является полноценным решением представленной проблемы.
4) Глиссирующие поверхности, гидролыжи, продольные реданы. Этот способ считается наиболее перспективным и повсеместно используется, однако не дает значительной экономии энергоресурсов судна и требует наличия дополнительных двигателей.
В виде альтернативы представленным способам или в качестве их дополнения предлагается иная концепция взлетного устройства — изменение плотности среды под воздушным крылом, подачей под него аэрозоли.
Идея увеличения плотности среды под крылом в виде аэрозольной динамической подушки возникла на основании другого, аналогичного метода разряжения водной среды за счет воздушной каверны. Суть предлагаемого метода заключается в том, чтобы увеличить подъемную силу крыла, изменяя плотность воздушной среды под ним. По предварительным оценкам подъемная сила в этом случае должна меняться прямо пропорционально изменению плотности, однако при увеличении плотности среды, в которой работает крыло должно возрастать аэродинамическое сопротивление его движению. В связи с этим возникает вопрос о том, может ли быть достигнут положительный энергетический эффект при использовании предложенного метода.
С целью оценки эффективности предложенного метода были выбраны следующие характеристики экраноплана (в качестве прототипа используется экраноплан проекта 903 & quot-Лунь"-):
• Взлетная масса — 350 тонн-
• Расстояние от нижней кромки крыла до экрана — 0,5 м-
• Размах крыла — 40 м-
• Хорда средняя -12м-
• Площадь проекции крыла — 268 м².
Для исследования характеристик крыла вблизи экрана смоделирован численный эксперимент (метод CFD). В качестве CFD системы выбрана программа COSMOS FloWorks, интегрированная в SolidWorks. Для проведения численного эксперимента в SolidWorks воссоздана трехмерная модель крыла по чертежам прототипа. Также был смоделирован экран в виде твердотельной протяженной поверхности под крылом и часть фюзеляжа.
При описании численного эксперимента тип задачи был принят как внешний (задача обтекания твердого тела жидкостью или газом) — в качестве газа был принят воздух (Р=1,22 кг/м3), теплопередача внутри крыла отсутствует, в качестве начальных условий эксперимента приняты нормальные условия (давление 101, ЗкПа, температура 293,2К). В ходе численного эксперимента, скорость обтекания варьировалась от 10 до 110 м/с (при 110 м/с подъемная сила крыла равна весу экраноплана, происходит взлет).
Расчетная область в численном эксперименте задавалась вручную, так, чтобы она не выходила за пределы участка фюзеляжа и экрана (с целью воизбежания потерь потока воздуха), и в то же время, чтобы ее размеры были достаточными для адекватной оценки сил взаимодействия крыла с экраном.
Расчетная сетка была сгенерирована автоматически, форма конечного элемента -параллелепипед, минимальный линейный размер конечного элемента — 0,005 м., минимальный линейный размер учитываемых твердотельных элементов — 0,005 м. Для расчета установлен уровень точности 4 из 8 возможных.
Важно отметить, что для оценки подъемной силы и сопротивления среды при работе крыла с аэрозольной смесью между экраном и нижней кромкой, необходимо разделять силы, действующие на верхнюю и на нижнюю кромки крыла, т.к. поведение верхней кромки остается без изменений, поскольку среда над ней не меняется, тогда как на нижней кромке, из-за изменения плотности среды, появляется дополнительное сопротивление. По этой причине затруднительно использовать традиционные подходы к расчету сопротивления и подъемной силы, подразумевающие использование коэффициентов подъемной силы и сопротивления.
По окончании численного эксперимента получены вертикальная и горизонтальная составляющая сил, действующих на нижнюю и на верхнюю кромки крыла, характерный для каждой скорости.
Основываясь на данных, полученных в результате численного эксперимента, составлена программа для оценки подъемной силы и сопротивления крыла в воздухе и в водо-воздушной смеси под крылом с учетом экрана, а так же аналитические зависимости подъемной силы от скорости при работе крыла в смеси и в воздухе (принята смесь с концентрацией воды 1%).
Для дальнейших исследований желательно иметь реальный закон движения экраноплана (движение с переменным ускорением), выяснить который проблематично ввиду закрытости информации, поэтому для исследований данного вопроса принят следующий закон движения (рис 1).
Рис. 1 Принятый закон движения экраноплана
В соотвествии с принятым законом движения экраноплана, получены зависимости подъемной силы крыла, работающего в воздухе и в смеси в зависимости от времени. Стоит отметить, что задача решалась в квазистатической постановке с шагом по времени 5 секунд.
Подъем жидкости для разбрызгивания под крыло (создания аэрозольной д. подушки) требует затрат энергии. Очевидно, эта энергия прямо пропорциональна требуемому удельному массовому расходу воды и высоте, на которую ее нужно поднять, и представляет собой реактивную силу засасывания. В итоге получена зависимость подъемной силы от времени с учетом реактивных потерь Рис 2.
40 000,00 35 000,00 30 000,00 25 000,00 — 20 000,00 а! 15 000,00 10 000,00 5000,00 0,00 -5000,00
¦ Ру (а I г) •… 11™Ру (смесь)
Рис. 2 Зависимость подъемной силы крыла от времени с учетом реактивных потерь
Для учета сопротивления движению крыла в водо-воздушной смеси получены зависимости вязкостного сопротивления нижней кромки крыла в смеси, аэродинамическое сопротивление крыла при работе в воздухе, а также приблизительные потери на сопротивление устройства забора жидкости от времени. В результате получена картина полного сопротивления движению экраноплана в смеси с учетом дополнительных факторов сопротивления (рис 3).
6000,00
5000,00 4000,00
1. 3000,00 ве
2000,00 | -1000,00 0,00 —

0 20 40 60
ЙЕ
ОД:
¦ Явозд =
Щсмесь) = ОД
80 100 120 140 160 180 1(с)
Рис. 3 Зависимость сопротивления движению экраноплана от времени без учета корпуса
По результатом проделанной работы видно, что предложенный метод позволяет значительно увеличить подъемную силу крыла при сравнительно низких энергозатратах на устройство забора воды и разбрызгивание водо-воздушной смеси. Соответственно, взлетная скорость экраноплана снижается, что позволяет в свою очередь уменьшить мощность стартовой энергетической установки, либо вовсе от нее отказаться. Так же, водо-воздушная смесь позволяет увеличить маневренность и
безопасность экраноплана, позволяя ему проходить необходимые участки маршрута на низкой скорости без посадки на воду. Использование предложенного метода на протяжении всего полета судна может позволить обеспечить значительно большую грузоподъемность, в сравнении с уже существующими экранопланами. Для взлетного режима одного и того же экраноплана (Р = 350т) при условии того, что они движутся по одинаковому закону, характерны следующие характеристики (табл. 1):
Таблица 1
Взлетные характеристики экраноплана
Характеристика Смесь Воздух
Время взлета © 50 125
Взлетная скорость (м/с) 45 110
Взлетная дистанция (м) 1115 6674
Максимальное аэродинамическое сопротивление без учета корпуса (кН) 548 110
ЛИТЕРАТУРА
1. Панченков А. Н., Драчев П. Т., Любимов В. И. Экспертиза экранопланов. Н. Новгород. ООО «Типография „Поволжье“», 2006. 656с.
2. Ашик В. В. Проектирование судов: Учебник. — 2-е изд., перераб и доп. — Л.: Судостроение, 1985. -320с.
3. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания/под ред. Я. И. Войткунского. — Л.: Судостроение, 1985. — 544с.
Бугаев В. Г., Латухин М. О. ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВ
Процесс автоматизированного проектирования, изготовления и сопровождения наукоемких изделий в течении всего жизненного цикла представляет собой сложную в организационном плане технологию с большим объемом информации, множеством вертикальных и горизонтальных связей, с большим количеством участников и бизнес-процессов. В большей степени это комбинация нескольких видов технологий, реализующих каждая свои преимущества и компенсирующих недостатки других.
Один из видов технологии автоматизированного проектирования — технология параллельного проектирования, предполагает оптимизацию характеристик изделия на концептуальной стадии проектирования и передачу информации всем участникам работ для создания подсистем, инженерного анализа, технологической подготовки производства и т. п. Для организации параллельного проектирования создаются распределенные программно-технические комплексы и единое информационное пространство, позволяющие каждому участнику коллектива самостоятельно выполнять свои функции, проводить поиск наилучших решений и оценивать их эффективность с точки зрения повышения качества изделия в целом. Эта технология охватывает все этапы жизненного цикла изделия либо большую их часть, поэтому интегрированная информация о структуре изделия, технологии его изготовления, комплектующем оборудовании, поставщиках и заказчиках, технологии ликвидации позволяет принимать наилучшие решения. При использовании этой технологии нет необходимости возвращаться к начальным стадиям проектирования, так как основные характеристики и проектные решения определены и требуют лишь локальной оптимизации и

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой