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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» На правах рукописиСамойловский Артем АлександровичМетодика формирования облика беспилотных летательных аппаратов ссиловой установкой на солнечной энергии05.07.02 – «Проектирование, конструкцияи производство летательных аппаратов»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель д.т.н., профессорЛисейцев Николай КонстантиновичМосква 2016ОглавлениеСписок сокращений ............................................................................................................................... 4 Список обозначений ..............................................................................................................................

5 Введение ................................................................................................................................................ 12 ГЛАВА 1АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯСАМОЛЕТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ИЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕТА ..........................................................................

19 1.1 История развития самолетов, использующих солнечную энергию ................................. 19 1.2 Современное состояние и перспективные проекты ........................................................... 23 1.3 Анализ существующих работ по проблемам проектирования летательных аппаратов,использующих энергию солнечного излучения ............................................................................ 30 1.4 Постановка цели и задач работы ..........................................................................................

33 ГЛАВА 2 ФАКТОРЫ СРЕДЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕОБЛИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ НА СОЛНЕЧНОЙЭНЕРГИИ.............................................................................................................................................. 34 2.1 Факторы среды эксплуатации .............................................................................................. 34 2.2 Физические основы преобразования солнечной энергии в поступательное движение ЛА ........ 42 2.3 Алгоритм расчета пространственно-временных и энергетических характеристикСолнца ...............................................................................................................................................

46 2.4 Анализ проблем создания эффективного ЛА, использующего энергию солнечногоизлучения, и возможные пути их решения .................................................................................... 59 2.5 Сравнение основных проектных параметров летательных аппаратов с силовойустановкой на солнечной энергии с традиционными ................................................................... 64 ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛИКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ССИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ............................................................ 67 3.1 Алгоритм определения основных проектных параметров ................................................

67 3.2 Техническое задание ............................................................................................................. 69 3.3 Исходные данные для проектирования ............................................................................... 69 3.4 Выбор схемы летательного аппарата .................................................................................. 71 3.5 Определение концептуальных особенностей ЛА...............................................................

73 23.6 Уравнение энергетического баланса ................................................................................... 74 3.7 Определение аэродинамических характеристик ЛА ......................................................... 78 3.8 Определение предельного веса ЛА ...................................................................................... 91 3.9 Уравнение баланса масс........................................................................................................ 96 3.10  Ограничения при выборе проектных параметров ............................................................

108 3.11  Определение взлетного веса ЛА и основных параметров несущих поверхностей ...... 110 ГЛАВА 4 ОЦЕНКА УРОВНЯ ДОСТИЖИМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЛА С СИЛОВОЙУСТАНОВКОЙНАСОЛНЕЧНОЙЭНЕРГИИ.АНАЛИЗВОЗМОЖНОСТИИХПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ АКТУАЛЬНЫХ НАРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗАДАЧ 114 4.1 Оценка уровня достижимых характеристик БЛА с силовой установкой на солнечнойэнергии .............................................................................................................................................

114 4.2 Анализ возможности применения БЛА с силовой установкой на солнечной энергии длярешения народно-хозяйственных задач ....................................................................................... 126 Анализ результатов и выводы ........................................................................................................... 134 Список литературы ............................................................................................................................ 137 Приложение ........................................................................................................................................

145 3Список сокращенийАДХ − аэродинамические характеристикиАК − авиационный комплексАКБ − аккумуляторная батареяБЛА − беспилотный летательный аппаратБРЭО − бортовое радиоэлектронное оборудованиеДЗЗ − дистанционное зондирование ЗемлиИСЗ − искусственный спутник ЗемлиКА − космический аппаратКПД − коэффициент полезного действияКСС − конструктивно-силовая схемаЛА − летательный аппаратЛТХ − летно-технические характеристикиМСА − международная стандартная атмосфераПОС − противообледенительная системаРДК − руководство для конструкторовРЛС − радиолокационная станцияСВЧ − сверхвысокие частотыСУ − силовая установкаТК − теоретический контурФАП − Федеральные авиационные правилаФЭП − фотоэлектрические преобразователиПН − полезная нагрузкаЭДС − электродвижущая силаUTC −всемирное координированное время (Universal Time Coordinated)4Список обозначенийЭлектрические, мощностные и массовые характеристики ЛАпотр− потребная мощностьрасп− располагаемая мощностьнв− потребная мощность для набора высотыпн− электрическая мощность, потребляемая полезной нагрузкойсу− максимальная механическая мощность, развиваемая силовойустановкой (электродвигателем с воздушным винтом)эд− механическая мощность, развиваемая электродвигателемЛА− энергопотребление систем ЛАпнƞФЭП− максимально возможное энергопотребление полезной нагрузки− КПД ФЭПƞСУ− КПД силовой установкиƞЭД− КПД электродвигателяƞРО− КПД регулятора оборотовƞВВ− КПД воздушного винтаƞЭС− КПД электросетиразр− КПД разряда аккумуляторной батареиƞАКБзар− КПД заряда аккумуляторной батареиƞАКБ− суммарный КПД аккумуляторных батарей сучетом заряда иƞАКБразряда− коэффициент безопасностиАКБ− емкость АКБуд− удельная энергоемкостьф− разность потенциаловэу− эксплуатационная перегрузкару− расчетная перегрузка5− взлетная масса ЛАпн− максимально возможная масса полезной нагрузки− коэффициент, связывающий массу электродвигателя сразвиваемой им максимальной мощностью− масса одного квадратного метра ФЭП с учетом крепленияэлеммехскладПНпланераСУоборуд− дополнительная масса− доп.

масса механизма складывания− плотность компоновки полезной нагрузки.− масса планера− масса силовой установки− масса оборудованияАКБ− масса аккумуляторных батарейФЭП− масса ФЭППНоборудкрлонж− масса полезной нагрузки (или целевой нагрузкиЦН− относительная масса оборудования− критические напряжения разрушения поясов− масса лонжеронапкк− масса передней кромки крылазкк− масса задней кромки крылазкк− масса участка передней кромки на единицу длинынерв− масса нервюробш− масса обшивкиобш− масса обшивки на единицу площадиф− масса фюзеляжаоп− масса хвостового оперенияпредо− предельная масса− стартовая удельная нагрузка на крыло6)Аэродинамика, атмосфера, траектория полета− плотность воздуха на высоте Н− температурао− температура по абсолютной величине на уровне моря− местная температура по абсолютной величине− давление воздуха на уровне моря− местное давлениеμ− динамическая вязкость воздухаυ− кинематическая вязкость воздухаи− эмпирические коэффициенты Сатерлэнда.с− коэффициент аэродинамической подъемной силы ЛА вскоростной системе координатскукоэффициент аэродинамической подъемной силы,соответствующий максимальному аэродинамическому качествукрейссу− крейсерское значение коэффициента аэродинамическойподъемной силы в скоростной системе координатску− коэффициент аэродинамической подъемной силы крыласгоу− коэффициент аэродинамической подъемной силы ГОсво− коэффициент аэродинамической боковой силы ВОХ− сила лобового сопротивления ЛА в скоростной системекоординатс− коэффициент лобового сопротивления ЛА в скоростнойсистеме координатсф− коэффициент лобового сопротивления фюзеляжа в скоростнойсистеме координатск− коэффициент лобового сопротивления крыла в скоростнойсистеме координатсгокоэффициент лобового сопротивления ГО в скоростной7системе координатсвокоэффициент лобового сопротивления ВО в скоростнойсистеме координатс− коэффициент лобового сопротивления летательногоаппарата при нулевой подъемной силеск− коэффициент лобового сопротивления крыла при нулевойподъемной силесго− коэффициент лобового сопротивления ГО при нулевойподъемной силесво− коэффициент лобового сопротивления ВО при нулевойподъемной силес− коэффициент поверхностного трения плоской пластинкис− увеличение коэффициента лобового сопротивления,обусловленное наличием выступающих за ТК частейгп− скорость горизонтального полетанв− скорость набора высоты− высота полета− скоростной напор− эффективная скорость порывасхэлем− дополнительное сопротивлениеRe− число Рейнольдса− коэффициент, учитывающий переход от коэффициентаповерхностного трения плоской пластинки к коэффициентусопротивления− коэффициент Освальда− ускорение свободного падения− угол наклона траектории8Геометрия планераго− статический момент горизонтального оперенияво− статический момент вертикального оперениякр− площадь крылаго̅− относительная площадь ГОво̅− относительная площадь ВОомцт− площадь омываемой поверхности центрального тела фюзеляжаомхб− площадь омываемой поверхности хвостовой балки фюзеляжаоммг− площадь омываемой поверхности мотогондолыомф− площадь омываемой поверхности фюзеляжаФЭП− площадь, покрытая ФЭПФЭП− дополнительная площадь ФЭПкр− размах крылацт− длина центрального тела фюзеляжахб− длина хвостовой балкиф− полная длина фюзеляжа̅− относительная толщина профиля− удлинение крылацт− удлинение центрального тела− хорда крыла− бортовая хорда крылак− концевая хордаƞ− сужение крыла− сторона куба, определяющая габариты полезной нагрузкисрмидцтцт− средний диаметр хвостовой балки− диаметр миделевого сечения центрального тела фюзеляжа− диаметр центрального тела фюзеляжа9констрзазор− толщина конструкции фюзеляжа− зазоры между полезной нагрузкой и конструкцией фюзеляжаф− площадь полной поверхности фюзеляжаχ− угол стреловидности крыла по линии ¼ хорд− сужение крылас− поправочный коэффициент, учитывающий толщину профиля− количество поверхностей оперенияПространственно-временные и энергетические характеристики Солнцан∆− зенитный угол Солнца− величина поправки зенитного угла в момент восхода/заходаСолнца на атмосферную рефракцию и высоту полета ЛАср− средний радиус Земли− высота плотной облачности− время суток−солнечная постоянная− угол наклона земной оси к плоскости ее орбиты− календарный день− географическая широта района полетов, градус.− 3.14159265 – числон− продолжительность ночного времени суток− 6356.766 км – радиус земного шара (полярный)− эксцентриситет орбиты ЗемлиP10− коэффициентС2− коэффициент− угол широты солнца− порядковый номер дня, отсчитанный от первого января− угол склонения Солнца10− часовой угол в момент восхода Солнцаω− часовой угол Солнца для заданного момента времени− оптическая масса воздухаср_сут− среднесуточное значение интенсивности солнечногоизлучения, приходящейся на 1м2 горизонтальной поверхностиF θ− степенной показатель функции зенитного угла− интенсивность солнечного излучения− интенсивность солнечного излучения на горизонтальнуюповерхность− интенсивность солнечного излучения на вертикальнуюповерхность− интенсивность солнечного излучения на поверхность спроизвольным углом наклона11относительно вертикалиВведениеИнтенсивно ведущиеся во всем мире исследования и разработки посозданию самолетов, использующих энергию солнечного излучения дляподдержания и энергетического обеспечения полета, объясняются стремлениемнайти альтернативные, более эффективные способы решения ряда народнохозяйственныхи оборонныхзадач,связанныхсмониторингом земнойповерхности, ретрансляцией сигналов глобальной связи и др.Использование солнечной энергии на летательных аппаратах (ЛА)открывает невозможные ранее перспективы осуществления длительных (втечениенесколькихмесяцевидажелет)полетов.Солнцеявляетсянеисчерпаемым источником энергии.