CC BY
227
УДК 629.735:533.6
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВОЗДУШНОГО СУДНА
В.И. ШЕВЯКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Излагаются практические аэродинамические критерии качества внешней поверхности при проектировании и эксплуатации ВС. Приводятся способы оценки вредного сопротивления различных типов дефектов внешней поверхности. Предлагаются новые подходы к уточнению оценки вредного сопротивления.
Ключевые слова: воздушное судно, качество внешней поверхности, вредное сопротивление.
Современный уровень развития гражданской авиационной техники характеризуется жесткой конкуренцией по всем направлениям. При выборе типа воздушного судна (ВС) заказчиком изучаются как летно-технические, так и эксплуатационные характеристики ВС. Топливная экономичность является одним из основных критериев, определяющим конкурентные преимущества конкретного типа гражданского ВС.
На топливную экономичность ВС, наряду с расходными характеристиками двигателей, влияет уровень его аэродинамического качества. Отличие внешних обводов самолета от теоретических может существенным образом исказить оптимальное распределение давления и снизить аэродинамическое качество. Очевидно, что по компоновочным, технологическим и экономическим причинам полностью избежать таких несовершенств формы в современных конструкциях самолетов невозможно. В этих условиях наиболее целесообразным является поиск разумного компромисса между требованиями аэродинамического совершенства поверхности и затратами на получение этого совершенства.
1. Оценка качества внешней поверхности самолета при производстве
Оценка качества внешней поверхности при производстве является довольно проработанной задачей. Существуют документы, регламентирующие предельные отклонения и качество внешней поверхности [3]. Эти документы обоснованы анализом влияния различных видов дефектов поверхности на лобовое сопротивление самолета [1, 2, 4].
Степень влияния дефекта внешней поверхности на аэродинамическое качество зависит от месторасположения этого дефекта. Условно вся внешняя поверхность самолета разбивается на зоны, отличающиеся степенью влияния качества поверхности на его аэродинамические характеристики. Обычно таких зон бывает 2 или 3. На рис. 1 приведен пример разбивки внешней поверхности самолета на зоны.
Наиболее жесткие требования предъявляются к зоне "0": все дефекты в этой зоне приводят к значительному росту вредного сопротивления или кардинально изменяют характер обтекания поверхности.
Обычно к зоне "0" относят области с тонкими по- Рис. 1
граничными слоями, высокими местными скоростями потока, а также наиболее напряженные участки с точки зрения условий обтекания. Требования, предъявляемые к зоне "2", наименее жесткие. К этой зоне относятся области внешней по-
верхности самолета, находящиеся под пограничными слоями большой толщины, обычно в хвостовой части фюзеляжа. Требования к зоне "1" - промежуточные между зонами "0" и "2".
Требования к качеству внешней поверхности в каждой из зон определяются требованиями минимизации вредного сопротивления с учетом возможностей производства. Введение зоны "0" требует определенного уровня развития производства. Из самолетов советского и российского производства зона "0" введена на новом самолете "SSJ-100".
Дополнительное вредное сопротивление, обусловленное дефектами поверхности, понимается как добавка к минимальному сопротивлению или сопротивлению самолета при нулевой подъемной силе и представляется в виде суммы основных составляющих
ДХвр = ДХШ + ДХпр н + ЛХд + ДХЩ , (1)
где ЛХШ, ЛХпр н, ДХд, ДХЩ - дополнительное сопротивление от шероховатости поверхности, производственных неровностей, выступающих мелких деталей, а также от наличия на несущих поверхностях щелей, допускающих перетекание воздуха.
Как показано в [1], шероховатость не приводит к увеличению сопротивления турбулентного трения, если высота бугорков на поверхности не превышает
Ьдоп ~ 80(1+0,2M2)1,5/Re1, (2)
где Re1 - число Рейнольдса, отнесенное к длине 1 метр.
Для дозвуковых самолетов величина Ьдоп составляет 5^6 мкм и при применении современных лакокрасочных покрытий шероховатость обшивки не будет давать дополнительного сопротивления.
Сопротивление от выступающих мелких деталей зависит от их числа, размеров, формы и мест их расположения. К таким деталям относятся датчики, антенны, обтекатели и т.п. Их дополнительное вредное сопротивление можно представить в виде
Д{1 = ДС{1 q S = C{1 (Sl |Sjv) (Sjv |S | CD), (3)
где Схд - коэффициент сопротивления мелких деталей, отнесенный к суммарной площади их миделя Sд; Схо - коэффициент сопротивления аэродинамически гладкого самолета при нулевой подъемной силе; S и SOM - площадь крыла и площадь омываемой поверхности самолета соответственно.
По статистическим данным суммарная площадь миделя выступающих деталей неманевренных самолетов пропорциональна площади омываемой поверхности самолета и составляет SA /Soia ~ 0.00022, причем лишь половина приходится на приборное оборудование.
Сопротивление щелей в крейсерском полете должно быть сведено к нулю их герметизацией.
Под производственными неровностями понимают волнистость поверхности, ступеньки, зазоры, выступающие головки заклепок и винтов и др. Их коэффициент сопротивления определяется по методике из [1]. Например, для сопротивления цилиндрической волнистости используется формула
h -2 S
ЛСх= 8,82Сх¥ (7)2F,(H)L 7 -J»Vh , (4)
где Cх¥ = 1.5, l - длина волны; h - ее высота; L - характерный размер; F1(H)- коэффициент, зависящий от высоты полета; Sem - площадь поверхности, покрытая цилиндрическими волнами; SKp - площадь крыла.
Методика из [1] основана на экспериментальных данных, полученных в условиях течения без продольных градиентов давления (dp/dx=0). Влияние градиентов давления учитывается введением поправочного коэффициента, зависящего от относительной толщины крыла. Для более точной оценки влияния продольных градиентов давления на сопротивление неровностей используется теоретическая формула Нэша и Брэдшоу, подтвержденная экспериментально [5]. Эта формула справедлива при следующих условиях: высота производственных неровностей существенно меньше толщины пограничного слоя. Пограничный слой полностью турбулентный, местная скорость не превышает скорость звука.
Однако в работе [6] показано, что наличие неровности поверхности при трансзвуковых режимах приводит к существенному изменению распределения давления по хорде с образованием локальных сверхзвуковых областей течения. Неровность, расположенная в передней части профиля, оказывала особенно сильное влияние. Перепад коэффициента давления достигал величин ДСр = 0.8 ^ 1.0, что приводило не только к росту сопротивления, но и к снижению подъемной силы.
Появившиеся расчетные методы обтекания в некоторых случаях уже позволяют определить влияние произвольных неровностей на распределение давления, сопротивление и потерю несущих свойств.
Выполнение технических требований на предельные отклонения и качество внешней поверхности (ТТ) является обязательным при получении ВС сертификата типа. Этим устанавливаются предельные различия в геометрии различных экземпляров самолетов одного типа, что фактически показывает на возможности производства. В случае невозможности выполнения ТТ производством предельные отклонения должны быть увеличены с соответствующим увеличением вредного сопротивления и изменением летных характеристик.
Однако обеспечение минимально возможного вредного сопротивления не является единственным критерием аэродинамического качества внешней поверхности ВС. С введением в 1999 году повышенных требований по вертикальному эшелонированию (ЯУБМ) [7], кроме зон 0, 1 и 2, на поверхности самолета появились особые зоны с дополнительными требованиями к геометрии: области вокруг датчиков статического давления. Это связано с тем, что показания датчиков статического давления очень чувствительны к погрешностям геометрии в непосредственной близости к приемникам давления. Для обеспечения минимума систематической погрешности системы статического давления (не более 25 м или 80 футов по европейским нормам), кроме установки приемников статического давления на специальных плитах с неокрашенной поверхностью повышенной чистоты, требуется введение жестких требований на размеры ступенек между приемниками статического давления и плитой (0.05 ^ 0.1 мм), между плитой и поверхностью фюзеляжа, а также повышенные требования на волнистость плиты и области фюзеляжа вокруг плиты.
Выполнение этих требований - не менее сложная задача, чем выполнения требований ТТ, приводящих к минимизации вредного сопротивления.
Для выполнения требований этих двух критериев качества внешней поверхности с самого начала проектирования необходима совместная работа аэродинамиков и конструкторов, прочнистов и технологов даже за счет изменения конструктивных решений.
2. Оценка качества внешней поверхности самолета в эксплуатации
Для международной сертификации гражданского самолета необходимы документы, регламентирующие и обосновывающие проведение ремонта конструкции планера. Такие документы в настоящее время разрабатываются для отечественных самолетов, вводящихся в эксплуатацию. Принятие решения о проведении ремонта самолета должно быть обоснованным не только с точки зрения безопасности полетов, но и с экономической точки зрения. Экономической обоснованностью проведения ремонта внешней поверхности самолета является недопустимое увеличение расходов топлива из-за ухудшения аэродинамического качества. Допустимость ухудшения качества внешней поверхности ВС в эксплуатации должна определяться техническими требованиями (ТТЭ).
Одной из особенностей ТТЭ является зависимость критериев качества внешней поверхности от времени эксплуатации самолета. Нормальным является увеличение сопротивления самолета на 2% за пять лет. Оценки вредного сопротивления в эксплуатации аналогичны изложенным выше, за исключением того, что до определенного времени наличие дефектов является допустимым, поэтому добавляется оценка влияния щелей и шероховатости поверхности.
Например, оценка вредного сопротивления поперечной щели производится на основании зависимости
- - — S
DCx попер.щ. = 0,007(Ь щ.верх + Ь щ.низ )15 S У , (5)
Sкр
где Ьщ.верх иЬщ.низ - относительные положения поперечной щели на хорде; S - площадь крыла,
S обслУж - площадь, «обслуживаемая» щелью [1].
Критерий необходимости проведения ремонтов может быть применен отдельно к элементам самолета. Для этого устанавливается предельный размер увеличения сопротивления каждого элемента самолета и при его превышении элемент ремонтируется.
Например, проведем оценку количества допустимых дефектов типа «вмятина» для панели мотогондолы. Диаметр вмятины - 100 мм, глубина - 1 мм.
Величина вредного сопротивления вычисляется с помощью следующей «классической» формулы
F = g/2xM 2ioc xC х х S^ х P loc , (6)
где F - величина сопротивления [н]; g = 1.4 - показатель адиабаты, Mloc - местное число Маха, Сх - коэффициент сопротивления, зависящий от геометрических параметров дефекта поверхности и его местоположения; S^ - площадь крыла; P loc - местное статическое давление.
Сх = 0.75 х Сх spec X (h/5)1/3 , (7)
где 5 - толщина пограничного слоя; Сх spec - коэффициент сопротивления, определяемый для пространственной волнистости.
Принятая предельная величина увеличения сопротивления мотогондолы - 0.01% от тяги двигателя на крейсерском режиме. Вычислив его по формуле (6), для двигателя SaM-146 самолета SSJ-100 получим величину 0.0005%. Таким образом, допустимое количество таких дефектов на гондоле - 20. При его превышении целесообразно проведение ремонта поверхности гондолы.
Если первый критерий качества внешней поверхности допускает определенную деградацию по времени, приводящую к увеличению вредного сопротивления, то второй - требования к точности геометрии в зоне установки датчиков статического давления - никакой деградации геометрических параметров не допускает, так как в противном случае ВС не будет удовлетворять требованиям RVSM и не будет допущено в зону полетов с повышенными требованиями к вертикальному эшелонированию.
Разработка сертификационных документов для отечественной авиационной техники, регламентирующих проведение ремонтов, несомненно, повысит эффективность и безопасность эксплуатации ВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоренко Г. А. Сопротивление производственных неровностей в турбулентном пограничном слое // Труды ЦАГИ. - 1981. - Вып. 2100.
2. Федоренко Г.А. Размеры технологических зон с повышенными требованиями к состоянию поверхности крыльев с обычными и сверхкритическими профилями // Техника воздушного флота. - 1991. - № 3.
3. ОСТ 02507-84. Самолеты дозвуковые. Требования к качеству внешней поверхности.
4. Федоренко Г.А., Павленко Н.В. Надстройки внешней поверхности самолетов (коэффициент аэродинамического сопротивления). - Альбом ЦАГИ, 1989.
5. Nash J.F., Bradshow P. The magnification of roughness drag by pressure gradients. RAS, 1967, I, v. 71, № 673.
6. Герасимов Ю.Я., Грачев В.С., Кабуров И.С., Озеров В.Н., Таболов М.У., Фомин В.М., Шишов С.Г. Исследование обтекания сечения крыла самолета в полете и в аэродинамической трубе / Ученые записки ЦАГИ. - 1982. Т. XIII, № 3.
7. Руководство по допуску судов и эксплуатантов к полетам в условиях минимума вертикального эшелонирования 1000 футов между эшелонами 290 и 410 включительно (RVSM) в Европейском регионе. - М., 1999.
AIRDYNAMIC QUALITY CRITERIA OF AIRCRAFT OUTER SURFACE
Shevyakov V.I.
The paper describes the practical airdynamic quality criteria of aircraft outer surface to be applied during aircraft development and operation. It gives methods of assessing the parasitic drag caused by various outer defects and suggests new ways of improving the accuracy of parasitic drag assessment.
Key words: aircraft, quality of an external surface harmful resistance.
Сведения об авторе
Шевяков Владимир Иванович, 1955 г.р., окончил МГУ (1978), кандидат технических наук, заместитель начальника Департамента аэродинамики ЗАО "Гражданские самолеты Сухого", автор 12 научных работ, область научных интересов - практическая аэродинамика.
