Автореферат (Методика формирования облика беспилотных летательных аппаратов с силовой установкой на солнечной энергии)

Экз. № ____УДК 629.7.01На правах рукописиСамойловский Артем АлександровичМЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛИКА БЕСПИЛОТНЫХЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ НАСОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ05.07.02 – «Проектирование, конструкцияи производство летательных аппаратов»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2016Работавыполненавфедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Московском авиационноминституте (национальном исследовательском университете)»Научный руководитель:Лисейцев Николай Константинович - доктортехнических наук, профессор, профессор кафедры101 «Проектирование самолетов» Московскогоавиационного институтаОфициальныеоппоненты:Подобедов Владимир Александрович - доктортехнических наук, профессор, ПАО «ОКБим. А.

С. Яковлева», заместитель главного конструкторапо аэродинамикеВерещиков Дмитрий Викторович - кандидаттехнических наук, доцент, Военный учебно-научныйцентр Военно-воздушных сил «Военно-воздушнаяакадемии имени профессора Н.Е. Жуковского иЮ.А. Гагарина»начальник72-йкафедры«Авиационных комплексов и конструкции ЛА»Ведущаяорганизация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Центральный аэрогидродинамический институтимени профессора Н. Е.

Жуковского»Защита состоится "19" октября 2016 г. в 13:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.125.10 в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет) по адресу: 125993, Москва,Волоколамское шоссе, дом 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)и на сайте www.mai.ru/events/defence/Автореферат разослан " ____" _____________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.125.10кандидат технических наук, доцент2Денискина А.

Р.1. Общая характеристика работыИнтенсивно ведущиеся во всем мире исследования и разработки посозданиюизлучения,летательныхаппаратов,объясняютсяиспользующихстремлениемнайтиэнергиюсолнечногоальтернативные,болееэффективные способы решения ряда народно-хозяйственных и оборонныхзадач, связанных с мониторингом земной поверхности, ретрансляцией сигналовглобальной связи и др.Ожидается, что подобные ЛА могут составить достойную конкуренциюсуществующим средствам решения указанных задач. Создание целого рядаподобных аппаратов подтвердило реализуемость идеи полета летательныхаппаратов на солнечной энергии и поставило на повестку дня необходимостькомплексных исследований и разработок, направленных на создание этих ЛА,теории и методов их проектирования, совершенствование элементной базы, накоторой они реализуются, и оценки перспектив их развития.В этой связи разработка методики формирования облика подобныхлетательных аппаратов и оценка уровня достижимых ими характеристикявляется актуальной задачей.Цель диссертационной работы - разработка научно-методическогообеспечения для решения задач формирования облика ЛА, использующихэнергиюсолнечногоизлучения,атакжеоценкиихпотенциальныхвозможностей при существующих и перспективных технологиях.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решеныследующие задачи:1.

ПроанализировандостигнутыйуровеньхарактеристикЛАрассматриваемого типа и методов их проектирования;2. Проанализирована среда эксплуатации БЛА, выявлены особенности испецифические проблемы их разработки;3. Разработаны новые и уточнены существующие математические модели:- весовые модели агрегатов и составных частей ЛА;- энергетическая модель;3- аэродинамическая модель.4. Разработана методика формирования облика подобных ЛА подзаданные характеристики;5.Проведена оценка достижимых характеристик при существующемуровне развития техники;Объектом исследования является беспилотный летательный аппарат, ссиловой установкой на солнечной энергии.Предметомисследованияявляетсяметодическоеобеспечение,позволяющее определять проектные параметры беспилотных летательныхаппаратов с силовой установкой на солнечной энергии и проводить оценкудостижимого уровня их характеристик при применении для их разработкисуществующих и перспективных технологий.Научная новизна диссертационной работы1.

Разработана основанная на решении уравнений существования ЛА,использующих аэродинамический принцип полета, методика определенияосновных проектных параметров;2.Разработаны специфические для данного класса аппаратов уравнениявесового, гравитационного и энергетического баланса;3.Разработаны весовые модели электрической силовой установки, средстваккумулирования энергии, фотоэлектрических преобразователей для БЛАрассматриваемого типа;4.ВпервыеопределенуровеньдостижимыххарактеристикБЛА,использующих энергию солнечного излучения, при существующем уровнетехники для различных регионов эксплуатации.5. Предложен вариант решения актуальной народно-хозяйственнойзадачи патрулирования южных границ России;Практическая значимость результатов работыПрактическаяценностьдиссертационнойработызаключаетсявразработке методического обеспечения, позволяющего на ранних этапахпроектированияопределитьосновные4проектныепараметрыБЛА,использующих энергию солнечного излучения, проводить оценку ЛТХсуществующих ЛА, прогнозировать уровень достижимых характеристик приприменении перспективных технологий, что может быть использовано дляразработки программ исследования по перспективным ЛА.Применение разработанной методики позволяет более обоснованнопланировать НИОКР, направленные на разработку подобных ЛА, а такжесократить стоимость и время их предварительного проектирования.Достоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсяиспользованием для решения поставленных задач фундаментальных научнотехнических основ формирования облика самолетов, а также верификацией ссуществующими разработками.Апробация результатов работыРезультаты диссертационной работы опубликованы в шести печатныхработах: в трех научных статьях в журналах из перечня ВАК, в двух сборникахтезисов докладов, в патенте на полезную модель.Структура и объём работыДиссертационная работа изложена на 148 машинописных листах исостоит из введения, четырех глав, заключения, списка обозначений исокращений, списка литературы, приложения.

Иллюстративный материалпредставлен в виде 78 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 82наименования.2. Основное содержание работыВо введении рассматриваются предпосылки создания ЛА на солнечнойэнергии, возможные области их применения. Акцентируется внимание наотдельных народно-хозяйственных задачах, для решения которых применениерассматриваемого типа ЛА имеет преимущество перед традиционными.ПроводитсяобзорпроектированиясуществующихподобныхЛА.работ,посвященныхОбосновываетсяформулируются цели и задачи диссертационной работы.5проблемамактуальностьтемы,ПерваяглавапосвященаоценкесовременногосостоянияЛА,использующих энергию солнечного излучения. Кратко приведена историяразвития самолетов, использующих солнечную энергию. Акцентировановнимание на современных проектах и на уровне достигнутых ими техническиххарактеристик.

Проведен анализ перспективных проектов, разрабатываемыхкак в ведущих самолетостроительных компаниях, так и в техническихуниверситетах. Дан краткий обзор существующих работ по проблемампроектирования летательных аппаратов рассматриваемого типа.В работе авторов Youngblood J.W., Talay T.A., «Solar-powered airplanedesign for long-endurance, high-altitude flight» (1982г.) приведены соотношения,необходимые для определения основных проектных параметров ЛА: уравненияэнергетического и весового баланса, приведена упрощенная весовая модель дляоценки массы планера ЛА.

Проведена оценка целесообразности примененияФЭП на нижней поверхности крыла для использования отраженного излучения.Учтены ограничения, связанные с полетом в неспокойной атмосфере. Подход квыбору параметров в данной работе основан на балансе коэффициентамощности, что, по мнению автора, работы является весьма затруднительным наначальных этапах проектирования, вследствие зависимости этого параметра отбольшого количества факторов и сложности в достоверной его оценке.В работе «A preliminary study of solar powered aircraft and associated powertrains», выполненной NASA (1983г.), проведена оценка осуществимостидлительных полетов ЛА, использующих энергию солнечного излучения,сформирован перечень критических технологий для реализации проекта.

Вработе рассмотрены основные аспекты проектирования подобного типааппаратов:выведенывесовые,аэродинамическиемодели,модельэнергетических характеристик Солнца, уравнение энергетического баланса.Изложенные материалы формируют подходы, применимые не только на стадиипредварительного проектирования, но и на последующих стадиях работы надпроектом, однако недостатком работы на сегодняшний день являетсяпотребность в актуализации изложенной информации.6В работе «Некоторые особенности выбора параметров самолетов,использующих нетрадиционные источники энергии» автора Шустова А.

В.(1996 г.) приведены соотношения, связывающие основные аэродинамическиехарактеристики самолетов, использующих солнечную или СВЧ энергию, с егоэнергетическими возможностями. Также в работе приведены исходныеположениядляопределенияосновныхпроектныхпараметроврассматриваемого типа ЛА.В диссертации Серохвостова С. В. «Оптимизация режимов полета ихарактеристик аппарата с электрической силовой установкой» (2002г.)сформированы оптимальные законы управления БЛА с электрической силовойустановкой и выработаны рекомендаций по компоновке и проектированиюсиловой установки рассматриваемых аппаратов и аппарата как целого.В работе «High altitude long endurance UAV analysis of alternatives andtechnology requirements development» авторов Nickol C.L., Guynn M.D., KohoutL.

L. и др., проведен анализ альтернативных схем ЛА, а также дирижаблей иаэростатов, использующих энергию солнечного излучения.Автором настоящей работы предпринята попытка проанализировать иобобщить накопленный опыт по проблеме проектирования ЛА на солнечнойэнергии, разработать методику и соответствующие математические модели,которые позволят определять основные проектные параметры в широкомдиапазоне размерностей ЛА и на ее основе, при помощи разработанногоалгоритма оценить достижимый уровень их технических характеристик приприменении существующих технологий. Это позволит произвести оценкупреимуществилинедостатков,сравнитьэффективностьприменениярассматриваемого типа ЛА в той или иной сфере с традиционными решениями.Вторая глава посвящена анализу факторов среды эксплуатации ЛА.Изложеныфизическиеосновыпреобразованиясолнечнойэнергиивпоступательное движение ЛА.