Канада-США Авро VZ-9V «Аврокар» / Европейские самолеты вертикального взлета

Актуальность проблемы

В настоящее время во многих зарубежных странах ведутся интенсивные научные и экспериментальные работы по созданию аппаратов вертикального взлета и посадки (АВВП) с поворотными несуще-тянущими винтами (ПНТВ). Некоторые исследования по созданию таких аппаратов проводятся и в нашей стране

Аппараты вертикального взлета и посадки — это летательные аппараты, способные осуществлять вертикальный взлет и посадку (как это делают вертолеты) и длительный высокоскоростной горизонтальный полет, характерный для обычных самолетов.

Поскольку АВВП не являются ни вертолетами, ни самолетами в полной мере, то в процессе их проектирования возникают трудности, связанные с многообразными вариантами схемных решений и резко различающимися режимами полета. Эти особенности следует учитывать при создании математических моделей, описывающих функционирование и существование АВВП.

Хотя этап технических предложений (предэскизного проектирования) по объему выполняемых работ, стоимости и временным затратам составляет не более 10% общих затрат, вместе с тем принимаемые здесь технические решения оказывают решающее влияние на судьбу проекта. При этом этап предэскизных разработок является наиболее слабо формализованным.

Актуальность темы исследований определяется необходимостью совершенствования летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, повышения эффективности воздушных транспортных перевозок, которые непосредственно связаны с выбором оптимальных параметров проектируемых АВВП.

ЯН

ЩжШЩШ кЯМ

120(10 9010

РЁ УМ)

И»М1 о в самолеты

1

Х.АВВП

-вертолет >1

1 / В

2’Н) ьОО

V КМН

Рис. 0.1. Области применения вертикально взлетающих аппаратов и самолетов.

Цель исследования

Целью данной работы является выбор оптимальных весовых и проектных параметров и исследование их влияния на летно-технические характеристики АВВП с ПНТВ на этапе предварительного проектирования.

Научная новизна

— Разработана методика и алгоритм выбора основных проектных параметров (ОПП) АВВП;

— Рассмотрена логика и технология выбора ОПП АВВП на этапе предэскизного проектирования;

— Получено аналитическое решение задачи оптимизации основных проектных параметров АВВП с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа;

— Произведена оценка влияния проектных параметров на летно-технические характеристики летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой.

Практическая ценность

Предложена методика выбора оптимальных проектных параметров и технических характеристик АВВП, являющаяся достаточно универсальной для данного класса аппаратов и отражающая многоуровневый, итерационный и оптимизационный характер процесса проектирования на этапе технических предложений. Разработана программа для ЭВМ, позволяющая проводить оптимизацию проектных параметров и исследовать их влияние на летно-технические характеристики АВВП.

За последние десятилетия было предложено и реализовано большое разнообразие конструкций и типов АВВП. Те из них, которые были доведены до стадии летных испытаний доказали практическую осуществимость разнообразных технических идей (XV-15 Белл, Доук У2-4БА, Белл ХС-142А, Вертол Уг-2, Хиллер Х-18, Канадэр СХ-84) [29, 40, 9, 69, 52,78,19].

Одним из путей создания АВВП, имеющих высокую эффективность на вертикальных и горизонтальных режимах полета, является применение поворотных несуще-тянущих винтов при жестко зафиксированном крыле. Этот тип АВВП и явился предметом данной диссертационной работы.

Летательные аппараты вертикального взлета и посадки с ПНТВ имеют на режиме висения достаточно высокую удельную тягу винтов (тягу, приходящуюся на единицу потребляемой мощности). Они отличаются наиболее высокими характеристиками топливной эффективности (количество километров полетного пути, приходящееся на 1 кг потраченного топлива) и удельной производительности (произведение массы груза на скорость полета, отнесенное к массе пустого аппарата). Сравнительный анализ этих характеристик для различных типов АВВП приведен на рис. 0.2 [70].

На АВВП с ПНТВ при полете на уровне моря на крейсерской скорости 370-415 км/ч можно получить значение аэродинамического качества К = СХ/СУ порядка 8 единиц. С ростом высоты (более 3000м) и скорости полета (свыше

ПК н

1 у//А щ / у ч X гл ш 1

150 5()0

000 у300

40141

ИП >00 ЧХХ) 50000 1 гм!р НЛ киш Па

Рис. 0.2 Сравнительный анализ характеристик различных типов АВВП: в — вертолет; ■ — вертолет с крылом;

А — АВВП с поворотными винтами; А — АВВП с поворотным крылом;

• — АВВП с поворотными движетелями «винт в кольце»;

— АВВП с подъемно-маршевыми вентиляторами.

550 км/ч) аэродинамическое качество заметно улучшается и может достигать 8 — 10. За счет большего аэродинамического качества АВВП с ПНТВ будут иметь значительно меньшие километровые расходы топлива, чем вертолеты.

Анализ современного уровня работ в области проектирования скоростных АВВП с ПНТВ показывает, что хороший пропульсивный КПД винтов и, следовательно, высокая экономическая эффективность выполнения ими полетных заданий могут быть достигнуты в диапазоне скоростей до 700 -750 км/ч. Предполагается, что АВВП с ПНТВ в будущем смогут достигнуть скорости полета 800 — 1000 км/ч. [70].

Управление АВВП с ПНТВ на режимах вертикального взлета и посадки при вертикальном положении осей винтов осуществляется изменением общего шага (канал высоты), дифференциальным изменением шага винтов (крен), наклоном вектора тяги обоих винтов (тангаж) и дифференциальным изменением продольного циклического шага винтов для управления курсом JIA. При переходе на крейсерский режим полета используется обычное самолетное управление и изменение пропульсивной силы винтов. Путевое управление обеспечивается вертикальным рулем, изменение тангажа — рулем высоты, а крен контролируется флапейронами крыла (комбинация щитков-закрылков и элеронов).

Подобно вертолетам АВВП с ПНТВ обладают на режиме висения хорошими характеристиками управляемости, обеспечивающими возможность зависания при сильных порывах ветра. Так как аппараты вертикального взлета и посадки в основном неустойчивы на режиме висения (как и вертолеты), то на них предусмотрено искусственное демпфирование и достаточная эффективность органов управления, чтобы обеспечить необходимые качества управляемости.

В настоящее время среди западных стран ведущей в разработке АВВП с ПНТВ является США. Фирма Bell начала исследования в этой области в 1950-х и годах (аппарат XV-3), более активно — с конца 1970-х годов, опираясь на опыт разработки и первые результаты летных испытаний аппарата XV-15 [9].

В 1960-х годах проекты военных и пассажирских АВВП с ПНТВ стали разрабатываться и другими фирмами США, а также Англии, Франции и ФРГ [18, 19, 20, 37].

После того, как были достигнуты определенные успехи в ходе летных испытаний экспериментального АВВП XV-15, в США, а в дальнейшем и в Западной Европе, начался новый этап исследований аппаратов вертикального взлета и посадки с поворотными винтами, который завершился созданием V-22 «Osprey» [29, 40]. Создание и успешные летные испытания V-22 существенно стимулировали интерес потенциальных заказчиков к проектам АВВП (основные летно-технические характеристики проектов представлены в табл. 0.1). В частности, в Западной Европе в 1986г. фирмы Aerospaciale, Aeritalia, Agusta, CASA, Westland и MBB приступили к разработке пассажирского (15-20 человек) АВВП с поворотными винтами, получившего обозначение EUROFAR (European Future Advanced Rotocraft) [19]. В последние годы фирмы Bell и Agusta успешно работают над 7-местным административным АВВП ВА.609 [39].

Из опубликованного NASA и FAA обзора перспектив применения гражданских АВВП следует такой основной вывод: АВВП может существенно дополнить существующую авиационную транспортную систему в трех направлениях: междугороднее сообщение «городской район — городской район», междугородское сообщение «деловой центр — деловой центр», сообщение между городами и узловыми аэропортами.

Применение АВВП для пассажирских перевозок позволит разгрузить переполненные пассажирами аэропорты и, что очень важно, сохранить в XXI веке без изменений размеры существующих центральных аэропортов. Поскольку гражданские АВВП будут летать в диапазоне высот 3000-7500 м, они не должны мешать полетам дальних самолетов, а примерно одинаковая

Таблица 0.1

Летно-технические характеристики разработанных и проектируемых АВВП.

Марка Характеристика ХС-142А СХ-84 Канадэр XV-15 TW-68 EUROFAR V-22 Ос при ВА.609

Тип АВВП ПК ПК ПНТВ ПК ПНТВ ПНТВ ПНТВ

Взлетная масса, кг 17000 5715 5895 6323 12970 21545 7265

Полезная нагрузка, кг 3630 1050 880 6800 6805 2500

Макс, скорость, км/ч 658 517 625 580 555

Крейс. скорость, км/ч 408 418 580 550 550 509 510

Стат. потолок, м 1830 2000 1220 1220

Динам, потолок, м 7620 9000 7500 7620

Дальность, км 370 547 760 1770 930 2225 1390

Кол. и мощность двигателей 4 х 2850 л.с. 2 х 1500 л.с. 2 х 1550 л.с. 4 х 500 л.с 2 х 3000 л.с. 2 х 6150 л.с. 2 х 1925 л.с.

Уд. нагрузка на мощность двигателей, Н/Вт 0,079 0,05 0,05 0,168 0,057 0,046 0,05

Размах крыла, м 20,6 10,16 10,72 10,9 13,1 14,02 10,0

Диаметр винтов, м 4,72 4,27 7,62 5,0 10,0 11,58 7,9

Уд. нагрузка на винт, Па 2383,8 1962 632,7 1580,4 810,3 1903,1 728,9

Кол-во лопастей 4 4 3 5 4 3 3

Год первого полета 1964г. 1969г. 1977г. проект проект (1986г.) 1989г. проект крейсерская скорость полета этих ЛА упростит управление их воздушным движением. Малый шум, возможность захода на посадку и взлета по крутой траектории сделают возможным использование этого типа ЛА в густонаселенных районах.

Прогнозируемый американскими специалистами объем производства пассажирских АВВП составляет 4200 единиц до 2022 г. [70]. Из них около 2300 машин будет использоваться на высокоинтенсивных маршрутах в США, Западной Европе и Японии. Предполагается, что большая часть машин на этих маршрутах будет местного типа. Следующим классом являются административные АВВП на 15-25 мест (650 ед.). Несколько меньший рынок будут иметь АВВП для разработки природных ресурсов (520 ед.).

Ожидаемое число АВВП для применения на малонагруженных транспортных маршрутах составит 550 ед., число легких JIA (8-местные аппараты) — может достичь 500 ед.

Перечень возможных областей гражданского применения аппаратов вертикального взлета и посадки включает в себя:

• пассажирские и транспортные перевозки;

• поисковые и спасательные работы;

• медицинское обслуживание, административные полеты;

• перевозки на морских нефтепромыслах;

• охрана порядка, борьба с контрабандой;

• борьба с пожарами и др.

Области военного применения АВВП столь же обширны, как гражданского. В их перечень входят:

• транспортные перевозки и десантно-транспортные операции;

• поисково-спасательные и разведывательные операции;

• операции радиопротиводействия, электронной разведки;

• операции поддержки войск (штурмовики);

• борьба с воздушным противником (истребители, действующие против АВВП, самолетов или вертолетов противника);

• специальные операции при действии в глубоком тылу противника;

• борьба с подводными лодками противника.

Эффективность использования аппаратов вертикального взлета и посадки на всех указанных видах военных операций, так же как и в областях гражданского применения, обусловлена возможностью вертикального взлета и посадки на неподготовленной площадке ограниченного объема, возможностью висения и полета в очень широком диапазоне скоростей, т.е. сочетанием лучших качеств вертолета и самолета.

Вопросам проектирования АВВП посвящено относительно небольшое число работ. Наиболее известными из отечественных являются работы профессора Ф.П. Курочкина [23, 24]. Это наиболее полные работы, посвященные эскизному проектированию АВВП. В них рассмотрены особенности аэродинамических схем, весовых характеристик и конструкций при различных составах силовых установок: винтовых, вентиляторных и реактивных. Приведены методы расчета специфических режимов полета.

Значительная часть исследований в области АВВП связана с аэродинамикой несущих винтов. Это прежде всего относится к работам Юрьева Б.Н. [53], Летникова В.Б. [25], Бравермана A.C. и Летникова В.Б. [6], диссертационной работе Аникина В.А. [1], работам Тарасова H.H. [42, 43, 44]. В работе Шайдакова В.И. и Маслова А.Д. [49] предложены методики и алгоритмы аэродинамического проектирования лопастей воздушных винтов, рассматриваются подходы к проектированию воздушных винтов.

Работа Лисейцева Н.К. и Максимовича В.З. [26] посвящена расчету взлетной массы и выбору основных параметров самолета вертикального взлета и посадки. В ряде работ анализируются конкретные технические проекты АВВП [9, 29, 30, 36, 41, 52, 69, 78]. Технико-экономический анализ характеристик пассажирских СВВП рассмотрен в работе «Исследования технико-экономических характеристик пассажирских СВВП» [20].

Вместе с тем, не умаляя важность проведенных авторами исследований, в этих работах не дается последовательность работ, выполняемых на этапе технических предложений, которую мы назовем логикой проектирования. Эта фаза проектирования является достаточно важной, в то же время в этот период имеется ограниченный набор исходных данных для определения оптимальных параметров аппарата. Кроме того, те исходные данные, которые известны, недостаточно точны, т.е. известны с высокой степенью неопределенности. Вместе с тем этот этап является важным, т.к. определяет судьбу проекта: слишком осторожный выбор проектных решений может привести к тому, что аппарат по техническим характеристикам окажется устаревшим к моменту реализации, с другой стороны, завышенные оценки возможностей производства могут сделать проект невозможным.

Особенность поставленной в данной работе цели заключается в том, что существует немного теоретических работ, связанных с выбором параметров и логикой процесса их проектирования на этапе предэскизных разработок, однако, совершенно неисследованным вопросом является вопрос о логике и технологии автоматизированного проектирования АВВП на начальном этапе разработки, т.е. когда речь идет о последовательности работ, составе данных и статистике, вовлекаемых в процесс проектирования на каждом его шаге. Кроме того, отсутствуют достаточно простые и универсальные математические модели, устанавливающие связь между исходными данными, проектными параметрами, а также характеристиками АВВП и параметрами траектории.

Целью данной работы является выбор оптимальных весовых и проектных параметров и исследование их влияния на летно-технические характеристики АВВП с ПНТВ на этапе предварительного проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выбор и обоснование критериев оптимизации.

2. Разработка математических моделей, описывающих:

A) условия существования АВВП, устанавливающие связь между критерием оптимизации и проектными параметрами (1111);

Б) систему уравнений возможности, устанавливающие связь между ЛТХ и основными проектными параметрами (ОПП);

B) математические модели, позволяющие рассчитать массово-геометрические и энергетические характеристики АВВП.

3. Разработка логики и технологии выбора ОПП и процедуры параметрического анализа для оценки влияния ОПП на ЛТХ с помощью ЭВМ.

4. Выбор математического метода численной оптимизации для выполнения заданных целей.

5. Параметрический анализ влияния проектных параметров на летно-технические характеристики АВВП.

Для исследования влияния ОПП на летные и технические характеристики АВВП была построена схема процесса автоматизированного проектирования АВВП. Процесс проектирования носит многоуровневый, итерационный и оптимизационный характер, когда на основе исходных данных (масса полезной нагрузки, дальность и скорость полета, статический и динамический потолок) рассчитываются ЛТХ и массовая сводка. Для того чтобы организовать такой процесс была разработана логика и технология проектирования АВВП с помощью ЭВМ. В качестве весовых исходных данных использовались статистические зависимости, основанные на опыте проектирования самолетов и вертолетов, т.к. отдельные элементы конструкции АВВП идентичны их аналогичным элементам, а также весовые формулы, полученные для элементов

АВВП с учетом особенностей их работы [15, 16, 23, 24, 28, 31, 50, 51]. Аэродинамические характеристики АВВП (удельные нагрузки на крыло, винт и на единицу мощности силовой установки; окружная скорость концов лопастей, заполнение винта, геометрия лопасти) рассчитывались на основе исследований Шайдакова В.И., Курочкина Ф.П., Тарасова H.H., Летникова В.Б., Аникина В.А. [1, 23, 24, 25, 42, 43, 44]. Винты выбирались из условия удовлетворения двум основным режимам полета — взлета и крейсерского полета, а также с учетом ограничений. Удельные характеристики ГТД (удельная масса, удельный расход) задавались на основе статистических математических моделей двигателей [27]. Процесс проектирования содержит 3 уровня или 3 итерационных цикла.

Первый цикл — цикл по статистическим коэффициентам, заключающийся в согласовании массовых, геометрических и энергетических характеристик по уровням проектирования. Необходимость введения такого цикла связана с тем, что перед началом проектирования значения коэффициентов, характеризующих отдельные части конструкции, известны недостаточно точно и эти коэффициенты уточняются на следующем более детальном уровне. Работа цикла продолжается до тех пор, пока значения задаваемых и получаемых статистических коэффициентов не совпадут с заданной точностью.

Второй цикл — цикл оптимизации, подразумевает вариацию основных проектных параметров с помощью методов оптимизации для получения экстремального значения выбранного критерия оптимизации.

Третий цикл. По окончании процедуры собственно проектирования проводится моделирование движения аппарата по основным участкам полета. При этом получаемые параметры движения сравниваются с заданными техническими требованиями. Если требования не удовлетворяются, то вводится поправка в характеристики спроектированного аппарата.

В диссертации был рассмотрен вопрос о возможности получения аналитического решения задачи выбора ОПП АВВП. Оказалось, что при определенном виде уравнений, входящих в состав математической модели, получение аналитического решения возможно. В случае получения аналитического решения логическая схема автоматизированного проектирования видоизменяется так, что остаются только 2 итерационных цикла: один — по уточнению статистических коэффициентов, а другой — по исходным данным. Как показали численные эксперименты, аналитическое решение существенно сокращает количество промежуточных вычислений и ускоряет процесс получения окончательного решения.

Разработанная в диссертации технология получения массовых, энергетических и летных характеристик АВВП позволяет не только определять оптимальные параметры, но и исследовать их влияние на летно-технические характеристики, а также предвидеть направления совершенствования АВВП.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Объем работы составляет 131 страницу, включая 16 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.

Экспериментальный АВВП с круглым корпусом

Канадская фирма «Авро Эркрафт» с 1955 г. начала проводить исследования реактивного вертикально взлетающего аппарата с круглым дискообразным корпусом и устройством для образования воздушной подушки при взлете. Предполагалось, что такая схема АВВП, с приводимыми от ТРД подъемными вентиляторами, предложенная в 1947 г. английским конструктором Джоном Фростом, благодаря использованию воздушной подушки потребует при взлете меньшей энерговооруженности, чем для обычных реактивных СВВП. Кроме того, отбрасываемый вентилятором воздушный поток, смешиваемый с газами ТРД и используемый для образования воздушной подушки, будет иметь значительно меньшие скорость и температуру, чем у ТРД, что должно упростить эксплуатацию такого АВВП. Поэтому разработкой АВВП фирмы «Авро Эркрафт» заинтересовались ВВС и армия США, принявшие участие в финансировании исследований.

Экспериментальный АВВП Авро VZ-9V «Аврокар» с дискообразным корпусом

Следует отметить, что схема АВВП с дискообразным несущим корпусом и расположенным в нем вентилятором была предложена ак. Б. Н. Юрьевым еще в 1921 г., схема приведена в разделе «Россия. Исследования винтовых СВВП».

В 1959 г. по объединенному контракту армии и ВВС США была завершена постройка экспериментального АВВП с дискообразным корпусом, получившего официальное обозначение VZ-9V и название «Аврокар» и более известного под названием «Флаинг Со- сэр» (летающее блюдце). Первые испытания на привязи АВВП VZ-9V начал проходить 5 декабря 1959 г., совершая непродолжительные полеты, и вскоре был передан для испытаний на базу ВВС им. Эдвардса. Первый взлет с переходом к горизонтальному полету был совершен 17 мая 1961 г.

Разработка АВВП VZ-9V под руководством Джона Фроста и его испытания велись в обстановке большой секретности, поэтому по нему публиковалась крайне ограниченная информация. Вероятно, необычайная форма АВВП и отсутствие официальных сведений об испытаниях, проводившихся в 1961 – 1962 гг., вызвали в этот период интенсивные публикации о полетах неопознанных летающих объектов (НЛО) в виде «летающих блюдец». В 1962 г. разработка АВВП VZ-9V была прекращена.

Последние проведенные испытания АВВП VZ-9V «Аврокар» показали, что он не обладает достаточной устойчивостью, кроме того, постоянно возникавшие неполадки в работе его силовой установки и системы управления послужили причиной прекращения его испытаний, несмотря на разрекламированные перспективы его применения.

Принципиальным отличием экспериментального АВВП VZ-9V «Аврокар» было то, что он мог не только летать подобно самолету на большой высоте, но и передвигаться вблизи земли на воздушной подушке. Аппарат имел круглый дискообразный корпус, в центре которого был установлен вентилятор. Всасываемый им воздух по системе каналов направлялся к одноконтурному кольцевому соплу, проходящему по периферии аппарата.

Подъемная сила при висении или движении АВВП VZ-9V вблизи земли создавалась, во-первых, благодаря воздушной подушке, образующейся при истечении воздуха из кольцевого сопла, а во-вторых, в результате действия так называемого эффекта Коанда, который обычно проявляется при истечении воздуха из сопла над профилированной поверхностью: создаваемое разрежение приводит к появлению подъемной силы. В АВВП VZ-9V при протекании воздуха через сопло вследствие эжекции производилось отсасывание воздуха с верхней поверхности корпуса аппарата, что приводило к разрежению на ней и созданию дополнительной подъемной силы. Воздух эжектировался через кольцевую щель на верхней поверхности корпуса аппарата. Центральный вентилятор диаметром 1,52 м имел привод от тихоходной турбины, приводимой во вращение потоком газов, вытекающим из сопл трех ТРД Континентал J69-T9 с тягой по 420 кгс или эквивалентной мощностью по 1000 э.л.с. Для создания горизонтальной силы тяги кольцевая воздушная завеса может отклоняться с помощью поворотных рулей в кольцевом сопле.

Переход АВВП от движения на воздушной подушке над землей к свободному полету происходил следующим образом: АВВП разгонялся над землей на воздушной подушке до такой скорости, что его дискообразный корпус создавал подъемную силу, достаточную для поддержания в воздухе, а затем и для его подъема. При этом кольцевая струя, свертываясь, превращалась в плоскую пелену, а вытекающий из кольцевого сопла воздух создавал горизонтальную тягу.

Построенный экспериментальный АВВП VZ-9V «Аврокар» предназначался для полетов с дозвуковой скоростью, поэтому он имел закругленный носок круглого крыла и кольцевой воздухозаборник по периметру крыла для входа эжектируемого потока воздуха. Круглый дискообразный корпус диаметром 5,5 м имел эллиптический профиль с относительной толщиной 20% и кривизной 2%. Характеристики АВВП VZ-9V не были опубликованы, хотя указывалось, что он может иметь максимальную скорость 480 км/ч.

Компоновочная схема АВВП VZ-9V «Аврокар»

Проект сверхзвукового АВВП с дискообразным корпусом

Фирмой «Авро Эркарфт» был спроектирован также сверхзвуковой вариант АВВП подобного типа, у которого крыло должно было иметь острую кромку и модифицированную систему забора эжектируемого воздуха. Такой аппарат отличался конструктивной компактностью и мог иметь сравнительно небольшую массу; его конфигурация с круглым крылом рекламировалась как оптимальная для полетов на малых высотах с большими скоростями, при условии, что будет решена проблема устойчивости.