Влияние стреловидности стабилизаторов на аэродинамическое качество и статическую устойчивость беспилотного летательного аппарата

Москаленко Валерий Осипович; Косырев Антон Александрович

УДК 533.6.011

DOI: 10.18698/2308-6033-2019-1-1838

Влияние стреловидности стабилизаторов на аэродинамические характеристики беспилотного летательного аппарата

Беспилотным летательным аппаратам уделяется сегодня большое внимание в армиях многих стран мира. Установлено, что улучшить аэродинамические характеристики беспилотного летательного аппарата можно за счет изменения стреловидности стабилизаторов. Для исследования влияния угла стреловидности стабилизаторов на изменение аэродинамических характеристик беспилотного летательного аппарата Predator проведено математическое моделирование обтекания модели беспилотного летательного аппарата с различной стреловидностью стабилизаторов при дозвуковой скорости набегающего потока. В результате численного расчета в пакете SolidWorks Flow Simulation получены аэродинамические характеристики беспилотного летательного аппарата с различной стреловидностью стабилизаторов. Построены графики, отображающие зависимость аэродинамических коэффициентов от угла атаки, получены поля давления в вертикальных плоскостях течения. Проведено исследование полей давления. Проанализировано влияние картины течения на изменение аэродинамических характеристик беспилотного летательного аппарата со стабилизаторами прямой и обратной стреловидности. Выявлено преимущество беспилотного летательного аппарата со стабилизаторами обратной стреловидности перед аппаратами со стабилизаторами прямой стреловидности и без стреловидности.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, аэродинамические характеристики, программный комплекс SolidWorks, стабилизаторы обратной стреловидности, стабилизаторы прямой стреловидности

Введение. Одним из актуальных и перспективных путей совершенствования боевого потенциала современных вооруженных сил является создание и внедрение в процессы боевой подготовки и возможных боевых действий беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1]. В армиях многих стран мира уделяется достаточно большое внимание боевым комплексам с БПЛА, ведется активная разработка принципиально новых моделей и конструкций планера-беспилотника, который был бы рассчитан на повышенные нагрузки в сравнении с пилотируемой авиацией. Так, успешное применение БПЛА Predator активизировало работы в США по созданию БПЛА нового поколения, которые будут способны не только поражать наземные цели, но и вести воздушный бой [2-6].

Улучшение тактико-технических характеристик БПЛА, в том числе и аэродинамических характеристик, является важной и актуальной задачей. Повлиять на аэродинамические характеристики БПЛА можно посредством изменения угла стреловидности х крыла (стабилизато-

ров). Различают крылья (стабилизаторы) прямой и обратной стреловидности соответственно с положительным и отрицательным углом стреловидности х [7]. Модели крыла с различной стреловидностью показаны на рис. 1.

Рис. 1. Модели крыла с различной стреловидностью (вид сверху)

К применению стабилизаторов (крыльев) с обратной стреловидностью (ОС) на БПЛА, особенности обтекания которых еще мало изучены, проявляется значительный интерес [8-10]. Примером летательного аппарата с крылом ОС может послужить экспериментальный самолет С-37 («Беркут»), созданный для реализации новейших перспективных решений, которые могут быть использованы на боевых самолетах будущего [11-14]. Работы по улучшению характеристик крыльев летательных аппаратов не прекращаются по настоящее время [15, 16].

Эта статья посвящена исследованию коэффициентов подъемной силы суа, лобового сопротивления сха, моментов тангажа mz и рыскания ту, а также аэродинамического качества К БПЛА Predator со стабилизаторами различной стреловидности для углов атаки а = = 0.. .14°. Проведен анализ обтекания БПЛА Predator со стабилизаторами прямой и обратной стреловидности (соответственно ПС и ОС).

Таким образом, одна из основных целей исследования — изучение влияния стреловидности стабилизаторов, включая и обратную, на аэродинамические характеристики БПЛА Predator с помощью программного комплекса SolidWorks Flow Simulation [17].

Решение тестовой задачи. Перед выполнением численного эксперимента по изучению влияния угла стреловидности стабилизаторов на аэродинамические характеристики БПЛА была решена тестовая задача по расчету аэродинамических характеристик самолета МИГ-29 [18]. На примере этой задачи проведена оценка размеров расчетной области, выбрана расчетная сетка и определены погрешности расчета аэродинамических характеристик по сравнению с известными аэродинамическими характеристиками МИГ-29 [19].

С использованием пакета SolidWorks Flow Simulation и модели турбулентности к—8 были определены аэродинамические коэффициенты: сопротивления сха и подъемной силы суа при различных углах атаки для М« = 0,6. При этом проводилась табличная адаптация сетки (в качестве единицы измерения были выбраны итерации). Таким образом ячейки сетки дробились в областях с особенностями течения для обеспечения установленной точности решения (рис. 2). В итоге количество ячеек сетки после адаптации составило порядка 1,8 млн.

Рис. 2. Расчетная сетка после неоднократного уплотнения

По результатам эксперимента [19] и численного расчета построены зависимости коэффициентов подъемной силы суа (рис. 3, а) и силы лобового сопротивления сха (рис. 3, б) от угла атаки а для МИГ-29.

На рисунке видно, что результаты численного расчета и эксперимента совпадают с ошибкой по сха примерно 15 %, по суа примерно 6 % (окрестность нуля в расчет не бралась).

Были предприняты попытки уменьшения осредненных ошибок по сха и суа. Увеличивались размеры расчетной области, а также количество ячеек с 1,8 до 2,5 млн. При этом осредненные ошибки оставались примерно в тех же пределах, в связи с чем расчеты в дальнейшем были проведены для количества ячеек, равного 1,8 млн.

Полученные систематические ошибки в определении суммарных коэффициентов сха и суа не повлияли на результаты анализа и выводы, так как анализировались не абсолютные значения коэффициентов, а их приращения А по отношению к стабилизаторам ОС и стабилизаторам ПС.

Суа 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 а, град

а

Сха

0,5 0,4 0,3 0,2 ОД

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 а, град

б

Рис. 3. Зависимость коэффициентов подъемной силы суа (а) и силы лобового сопротивления сха (б) от угла атаки а: 1, 4 — эксперимент [19]; 2, 3 — расчет

Расчет аэродинамических характеристик БПЛА со стабилизаторами различной стреловидности. После решения тестовой задачи был проведен численный эксперимент по оценке влияния угла стреловидности х стабилизаторов и угла атаки а на аэродинамические характеристики БПЛА. Согласно данным [7], оптимальным углом стреловидности, при котором достигается максимальный прирост аэродинамического качества крыла, является х = -30°. Был рассмотрен БПЛА Predator длиной L = 7,5 м и размахом крыла l = 14,84 м.

Модель БПЛА Predator показана на рис. 4. Стабилизаторы 1 и 3 имеют удлинение X = 3,4, а стабилизатор 2 — X = 1,6. При численном эксперименте изменялась стреловидность стабилизаторов 1 и 3. Стреловидность стабилизатора 2 не изменялась ввиду его малого удлинения. Рассматривались стабилизаторы как ПС при х = 30°, так и при х = -30°.

1 2

Рис. 4. Модель БПЛА Predator: 1-3 — порядковые номера стабилизаторов

Область расчета представляла собой параллелепипед, в центре которого был расположен БПЛА. Габариты расчетной области выбирались из соображений обеспечения обтекания БПЛА невозмущенным потоком, включая максимальные углы атаки, и составляли в высоту, длину и ширину соответственно 158 м х 150 м х 150 м.

Результаты численного расчета аэродинамических характеристик БПЛА с различной стреловидностью стабилизаторов. Были рассчитаны аэродинамические коэффициенты суа, сха, mz, ту, а также аэродинамическое качество К для БПЛА со стабилизаторами ОС при х = -30°, без стреловидности (БС) при х = 0 и ПС при х = 30° и Мда = 0,3 (рис. 5-9), а также зависимости приращения коэффициентов подъемной силы Асуа и аэродинамического качества ДК БПЛА со стабилизаторами ОС над стабилизаторами ПС и БС от угла атаки, которые представлены на рис. 10. Приращения коэффициентов вычислены по следующим формулам:

Асуа (ОС-ПС) = суа (ОС) — суа (ПС); (1)

АК( ОС-ПС ) = К( ОС ) — К( ПС ); (2)

Асуа (ОС—БС) = суа (ОС) — суа (БС); (3)

АК(ОС—БС) = К( ОС) — К( БС), (4)

где суа (ос) — коэффициент подъемной силы БПЛА со стабилизаторами ОС; суа (пс) — коэффициент подъемной силы БПЛА со стабилизаторами ПС; суа (бс) — коэффициент подъемной силы БПЛА со стабилизаторами БС; К(ос), К(ПС), К(БС) — аэродинамическое качество БПЛА со стабилизаторами ОС, ПС, БС соответственно.

Суа

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД

0 2 4 6 8 10 12 а, град

Рис. 5. Зависимость коэффициента подъемной силы суа БПЛА от угла атаки а при различных углах стреловидности стабилизаторов: