17. Барков Д.Г., Особенности проектирования многоцелевого самолета

>> К списку публикаций >> К содержанию сборника

Барков Д.Г.

Научный руководитель – профессор Комаров В.А.

В настоящее время велико число фирм, производящих самолеты в области малой авиации. Они ежегодно выпускают десятки новых самолетов, причем как новых разработок, так и реплик (т.е. повторение внешних форм аппарата, некоторых его характеристик и т.д.) старых аппаратов. Все это направлено в первую очередь на то, чтобы занять и сохранить свою определенную нишу на рынке и, по возможности, как можно дальше оторваться от конкурентов, которых в области малой авиации великое множество. Поэтому приходится вести постоянный поиск нового, исследовать рыночные потребности и улучшать качество производства. Конечно, изобрести что-то принципиально новое очень сложно, т.к. сфера самолетостроения широко исследована и изучена. Кроме того, требуется большое количество времени, средств и сил на проведение исследований. И далеко не многие компании могут позволить себе научные исследования.

А что, если попытаться искать что-то новое в том, что уже имеется и апробировано, только улучшив свойства и характеристики в свете новейших достижений, открытий и технологий. Так, например, можно попробовать спроектировать самолет, который использовался бы для различных целей. Наиболее привлекательными для использования самолета являются первоначальное обучение, полеты на большие дальности и акробатика, т.е. выполнение фигур высшего пилотажа. И хотя некоторые характеристики противоречат друг другу и улучшение одних ведет к ухудшению других, можно найти такой вариант, при котором противоположные характеристики имели бы компромиссное решение. В итоге получается универсальная конструкция самолета и, как известно, любое универсальное всегда хуже специфического. Так, например, спортивное применение универсального самолета будет менее эффективно, чем применение чисто спортивного самолета. То же самое получится и с другими задачами. Но, с другой стороны, потребителей специфического товара (т.е. аппарата, выполняющего только одну задачу) немного по сравнению с общим количеством потребителей. И подобным самолетом могли бы заинтересоваться многие, непредвзятые потребители, интересы которых лежат в различных областях его применения. И в итоге число заинтересованных людей, а значит потенциальных покупателей такого самолета, будет, несомненно, больше числа людей, заинтересованных только в одноцелевом самолете. Таким образом, можно привлечь и часть любителей путешествий, и часть бизнесменов, и часть лиц, которым необходим самолет для обучения, и часть лиц, занимающихся спортивным пилотажем.

Очевидно, осуществление такой задачи потребует оптимизации параметров самолета на ранней стадии проектирования, что позволит довольно достоверно спрогнозировать то, что может получиться, сэкономить время и средства на проектирование и дальнейшее улучшение самолета.

Кроме того, на Западе много потребителей, интересующихся репликами известных самолетов прошлого. А если у такого самолета будет многоцелевое использование, повышенный уровень комфорта, надежности и т.д.? Тогда наверняка такой самолет прочно займет свое место на рынке и будет конкурентоспособным. Какой наш летчик не захочет иметь, скажем, Як-52, который можно использовать для акробатики, первоначального обучения и перелетов на большие расстояния?

По мнению американского эксперта Томаса Рата, такого рода самолет может быть спроектирован на базе американского спортивно-тренировочного самолета 30-х годов Ryan-ST, который представляет большой интерес для многих любителей авиации и отражает наилучшую схему самолета довоенной эпохи. А модифицированный вариант этого самолета с применением новых современных материалов, технологий и т.п. будет иметь успех на рынке. Это и есть вариант поиска того “нового”, о чем говорилось в начале.

К такому самолету предъявлены следующие основные требования:

Максимальная скорость V_max= 355 км/ч;

Крейсерская скорость V_кр= 340 км/ч;

Высота крейсерского полета H_кр= 3000 м;

Длина разбега L_разб= 150 м;

Длина пробега L_проб= 170 м;

Скорость сваливания V_свал= 80 км/ч;

Эксплуатационная перегрузка n^э_max/min= +6/ -3;

Дальность L= 2000 км;

Взлетная масса m_о £ 800 кг;

Масса пустого самолета m_пуст £ 500 кг;

Спроектировав самолет и получив его характеристики, необходимо будет сравнить их с характеристиками “ярких представителей” самолетов одноцелевого назначения, оценив расхождение в характеристиках и влияние этого расхождения на общую эффективность самолета.

При проектировании такого самолета выяснились некоторые особенности, отличные от обычных алгоритмов проектирования.

Большое упрощение в конструкцию и, следовательно, снижение стоимости можно осуществить, если отказаться от высотности самолета (что влечет за собой увеличение массы, установку дополнительного оборудования для герметизации и поддержания давления и т.д.), т.е. отказаться от необходимости герметизировать кабину из следующих соображений:

• для спортивных показательных и обучающих полетов самолет обычно пилотируется на малой высоте для хорошей видимости земли пилотом и самолета зрителям;
• в тренировочном варианте также нет необходимости подниматься на большую высоту, где пропадают визуальные ориентиры для ученика;
• при длительном перелете на большой высоте земля не видна или наблюдается “монотонный” ландшафт.

Хотя при полете на большой высоте имеется выигрыш по потребным мощностям, по скорости, по расходу топлива.

Основная особенность проектирования подобных самолетов – это поиск компромиссного решения. А требования к самолету имеют противоречивые параметры. Так, для тренировочных целей необходимо иметь относительно небольшую нагрузку на крыло, низкие скорости взлета и посадки; большой запас продольной статической устойчивости. Подобные требования можно осуществить, применив несимметричный профиль крыла с большой относительной толщиной и большим коэффициентом аэродинамической подъемной силы. Проектировочный расчет такого самолета будет проходить для неманевренных самолетов.

Но это исключает возможность использования самолета для акробатического варианта, для которого необходимо иметь большую нагрузку на крыло, обеспечить возможность устойчивого перевернутого полета (достигается применением симметричного профиля крыла), иметь широкий диапазон эксплуатационных перегрузок и небольшой запас устойчивости. Кроме того, спортивный самолет зачастую не имеет механизации и обладает большими скоростями взлета и посадки, что недопустимо для тренировочного варианта.

Для туристического варианта необходимо иметь крыло с большим удлинением и небольшой толщиной профиля для снижения в целом коэффициента лобового сопротивления, а также повышенные условия комфорта.

Для подобного самолета решение этих задач может заключаться в использовании сменных, легкосъемных крыльев для выполнения каждой задачи в отдельности. Каждое крыло может быть спроектировано в соответствии с требованиями на отдельно тренировочный, спортивный и туристический самолет. В итоге самолет может довольно полно удовлетворять заданным требованиям и выполнять поставленные задачи.

Недостатком такого варианта являются:

• удорожание в целом самолета из-за появления двух дополнительных агрегатов (двух крыльев);
• усложнение в эксплуатации, связанное с необходимостью каждый раз менять крылья;
• невозможность одновременного выполнения нескольких задач.

Альтернативным путем решения проблемы является создание самолета, спроектированного таким образом, что он в той или иной мере может удовлетворять поставленным требованиям. Но при таком решении задачи будут получены худшие характеристики по сравнению с одноцелевыми самолетами. Поэтому необходимо оценить разницу в полученных характеристиках и ответить на вопрос – действительно ли рациональна такая схема и имеет ли она право на жизнь? А, может быть, характеристики окажутся настолько плохими, что потеряется смысл создания такого самолета, поскольку он не сможет выполнять поставленные задачи достаточно полно?

Самым важным этапом проектирования многоцелевого самолета является оптимизация его параметров (проектных переменных, начальные значения которых задаются проектировщиком) или поиск компромиссного решения при решении многокритериальной задачи, т.е. такого решения, при котором нельзя улучшить одну характеристику без ухудшения других. Эти характеристики, или критерии оптимальности, определяют целевую функцию.

При решении этой задачи необходимо составить такую целевую функцию, которая может состоять как из одной характеристики, так и из свертки характеристик. Для этого необходимо сначала назначить критерии эффективности, расставив их по приоритетам, т.е. из всего множества необходимо выбрать характеристики, которые действительно важны для самолета и являются определяющими при выполнении поставленных задач . К ним можно отнести крейсерскую скорость V_кр, скорость сваливания V_свал, расчетную дальность L_p, удельную нагрузку на крыло р_о и т.д. К параметрам можно отнести удлинение крыла l , сужение крыла h , размах l. В ограничения можно записать длины разбега и пробега L_разб, L_проб, эксплуатационные перегрузки и т.д.

После этого необходимо ввести весовые коэффициенты для каждого из выбранных параметров (критериев), т.е. нужно определить важность каждого параметра по отношению к остальным. Этот выбор производится на основе опыта, интуиции и статистики и является творческим процессом. Затем целевая функция конструируется путем объединения (свертывания) критериев эффективности. Простейший вид свертки – линейная:

_{n n}

C(X)=å a _sf_s(X), a _s>0, å a _s=1,

^{s=1 s=1}

где С(Х) – целевая функция;

n – количество параметров.

Затем определяется область допустимых решений, которые формируются из ограничений, накладываемых тактико-техническими требованиями (ТТТ), нормами прочности, условиями комфорта, эксплуатации и т.д. После этого в зависимости от поставленной задачи ведется поиск оптимального решения одним из методов оптимизации или несколькими методами.

Для данного самолета целесообразным может быть примение цельнокомпозитной конструкции, что снизит себестоимость мелкосерийного производства и упростит технологию изготовления и сборки. Для крыла целесообразно применить ламинаризированный профиль, близкий к симметричному, что позволит решить задачу спортивного и туристического использования, поскольку такой профиль имеет относительно низкий С_ха и высокие С_yамах и аэродинамическое качество К.

На крейсерских скоростях до 320 км/ч можно оставить неубираемое шасси, что позволит упростить конструкцию и уменьшить взлетную массу. Поскольку в рассматриваемом случае крейсерская скорость не намного превышает 320 км/ч, то оставляем неубираемое шасси, хотя с убирающимся шасси можно улучшить некоторые характеристики самолета.

При проектировании самолета была проведена частичная оптимизация параметров самолета по алгоритму, представленному на рис. 1.

В результате получились следующие характеристики:

Взлетная масса m_o= 850 кг;

Масса пустого самолета m_пуст= 500 кг;

Масса топлива m_топ= 140 кг;

Размах крыла l = 8 м;

Удлинение крыла l = 6.15;

Сужение крыла h = 1.89;

Площадь крыла S_кр = 10.4 м²;

Удельная нагрузка р_о = 80.18 кг/м²;

Максимальная скорость V_max = 344 км/ч;

Крейсерская скорость V_кр = 320 км/ч;

Посадочная скорость V_пос = 87.8 км/ч;

Взлетная скорость V_взл = 100.6 км/ч;

Дальность полета L_р = 1300 км;

Длина разбега L_разб = 199.5 м;

Скороподъемность V_y = 8.82 м/с.

Рис. 1. Алгоритм проектирования

Критериями эффективности многоцелевого самолета выступают характеристики, которые являются определяющими для самолетов одного определенного назначения.

• Для тренировочного варианта такими характеристиками являются:

• скорость сваливания;
• запас продольной статической устойчивости;
• энерговооруженность.

В полетной конфигурации для спроектированного самолета получается, что V_свал = 102 км/ч, а V_пос = 88.3 км/ч. Причем V_свал взята для максимальной взлетной массы: m_o = 850 кг, а V_пос для массы m_пос = 730 кг с учетом выработки топлива и выпущенных закрылках с C_ya^пос =1.87.

Например, у тренировочного самолета Piper PA-38-112 Tomahawk посадочная скорость составляет 76.8 км/ч, что на 11.5 км/ч (13%) меньше по сравнению со спроектированным самолетом. Это объясняется меньшей взлетной массой: m_o = 757 кг и большей площадью крыла: S_кр = 11.58 м².

Как показывает практика, за рубежом самолеты эксплуатируются с подготовленных аэродромов и очень редко с грунта. Кроме того, как показал опыт КБ “Феникс”, проданный немецкому заказчику самолет “Фаворит” эксплуатировался всегда с аэродрома и с убранной механизацией. Посадочная скорость составляла около 100 км/ч. Поэтому нет большой необходимости стремиться к малым посадочным скоростям.

• Для туристического варианта характеристики следующие:

• стоимость летного часа;
• крейсерская скорость;
• дальность полета.

Стоимость летного часа спроектированного самолета составляет 41.6 $/ч, тогда как у лидера по продажам в настоящее время – американского самолета Lancair Legacy 2000 – она составляет 51.3 $/ч. Кроме того, на сегодня этот самолет является одним из лучших представителей самолетов туристического класса. Он имеет крейсерскую скорость 400 км/ч, что на 80 км/ч (20 %) больше крейсерской скорости спроектированного самолета (320 км/ч). Его дальность составляет 2000 км, которую спроектированный самолет может достичь на наивыгоднейшем режиме полета. Но тогда, очевидно, значительно возрастет время полета, что вызовет дискомфорт пассажиров. Эту проблему можно решить, увеличив объем топливных баков. У спроектированного самолета объем составляет 200 л., в то время как у Lancair объем равен 295 л. Внутреннее пространство крыла позволяет увеличить объем баков, тем самым увеличив дальность полета.

Кроме того, как отмечалось выше, была проведена только частичная оптимизация параметров самолета. Поэтому, проведя более детальную оптимизацию и решив многопараметрическую задачу, можно улучшить некоторые характеристики и удовлетворить всем тактико-техническим требованиям.

Увеличения крейсерской скорости можно добиться и за счет установки двигателя большей мощности. В исходном варианте самолет был спроектирован под двигатель Dyna-Cam 200 л.с. стоимостью 25000 $. В настоящее время сертифицируются двигатели этой же фирмы мощностью 250 л.с. и 300 л.с. Поэтому, по желанию заказчика можно увеличить энерговооруженность самолета, установив двигатель большей мощности. Цена самолета при этом увеличится в среднем на 5000 $.

Другой вариант увеличения скоростных характеристик самолета может заключаться в приобретении заказчиком сменного крыла для дальнего перелета. Конструкцией самолета предусмотрена легкосъемность крыла за счет применения планерного перестыка консолей. Стоимость такого дополнительного крыла составит около 2000 – 2500 $.

• Для спортивного варианта определяющими будут характеристики:

• минимальный радиус виража;
• минимальная скорость вывода самолета из пикирования;
• максимальная и минимальная эксплуатационные перегрузки;
• время выполнения виража;
• скороподъемность.

Три вида спроектированного самолета представлены на рис. 2

Рис 2. Три вида спроектированного самолета.

Литература