Диссертация (Структурно-параметрический анализ влияния моментно-инерционного фактора на облик самолета арктического базирования)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)«МАИ»На правах рукописиКУПРИКОВ НИКИТА МИХАЙЛОВИЧСТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗВЛИЯНИЯ МОМЕНТНО-ИНЕРЦИОННОГО ФАКТОРАНА ОБЛИК САМОЛЕТААРКТИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯСпециальность:05.07.02. - Проектирование, конструкция и производство летательныхаппаратовДиссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорДОЛГОВ ОЛЕГ СЕРГЕЕВИЧМосква - 2015ОглавлениеОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ .............. 4ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................

7Глава 1 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛИКА САМОЛЕТААРКТИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ ............................................................................................. 251.1 Описание процесса формирования облика самолета арктическогобазирования и особенности полярной эксплуатации .................................. 251.2 Постановка задачи исследования .............................................................. 371.2.1 Вербальная постановка задачи ............................................................................................. 371.2.2 Математическая постановка задачи ..................................................................................... 391.2.3 Анализ ограничений, учитываемых в моделях...................................................................

461.2.4 Определение целевой функции ............................................................................................ 601.3 Место и роль поставленной задачи исследования в рамках процессапроектирования самолетов арктического базирования ............................. 601.4 Выводы ........................................................................................................... 66Глава 2 МОДЕЛИ АГРЕГАТОВ САМОЛЕТА .............................................

672.1 Геометрические модели ............................................................................... 702.1.1 Модели грузового и пассажирского оборудования............................................................ 702.1.2 Модели служебно-бытовых помещений ............................................................................. 742.1.3 Модель фюзеляжа .................................................................................................................. 752.1.4 Модели специального и научного оборудования ...............................................................

762.2 Массовые модели .......................................................................................... 802.2.1 Модель массы фюзеляжа ...................................................................................................... 812.2.2 Модель базирования в полярных условиях.......................................................................... 812.3 Инерционные модели.................................................................................... 822.3.1 Аналитические модели .......................................................................................................... 832.3.2 Модели членения самолета на простейшие геометрические тела .......................................... 852.4 Инфраструктурные модели ........................................................................ 902.4.1 Модели потребной (минимальной) дальности полёта .......................................................

902.4.2 Модели потребной (минимальной) транспортной операции ............................................ 902.4.3 Модели потребной (минимальной) толщины льда для выявления максимальнойдопустимой посадочной массы ..................................................................................................... 912.4.4 Модели ледяных полей и айсбергов, используемых в качестве взлетно-посадочныхполос ................................................................................................................................................ 922.5 Выводы ........................................................................................................... 95Глава 3 МЕТОДИКА ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙКОМПОНОВКИ САМОЛЕТА АРКТИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ......

963.1 Прямая и обратная задача компоновки фюзеляжа ............................... 963.2 Метод контрольных точек ........................................................................ 1003.3 Стратегия поперечной компоновки грузовой палубы ........................ 1023.4 Матрично-топологический метод синтеза продольной компоновкигрузовой палубы ................................................................................................

1043.4.1 Формирование обобщенной траектории полета ............................................................... 10723.4.2 Стратегия продольной компоновки грузовой палубы ..................................................... 1103.5 Анализ процесса проектирования самолета арктическогобазирования .......................................................................................................

1123.6 Выводы ......................................................................................................... 114Глава 4 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГОСИНТЕЗА МОМЕНТНО-ИНЕРЦИОННОЙ КОМПОНОВКИ .............. 1154.1 Анализ основных требований, предъявляемых к современным САПР............................................................................................................................... 1174.2 Программный комплекс синтеза моментно-инерционного обликасамолета .............................................................................................................. 1204.3 Параметры, варьируемые в подсистеме, и выходные данныемоментно- инерционного анализа .................................................................. 1264.4 Выводы ......................................................................................................... 129Глава 5 ПРОЕКТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .................................................

1305.1 Постановка задачи, учитываемые факторы и допущения, принятые врамках исследования ....................................................................................... 1305.2 Анализ альтернативных вариантов моментно-инерционнойкомпоновки целевой нагрузки ....................................................................... 1335.3 Анализ влияния моментно-инерционной компоновки целевойнагрузки на массу фюзеляжа .......................................................................... 1385.3 Проектные исследования влияния инфраструктурно-климатическихусловий эксплуатации на ЛТХ самолета арктического базирования ...

1415.4 Перспективные направления синтеза моментно-инерционногооблика самолетов .............................................................................................. 1445.5 Анализ влияния применения моментно-инерционной модели налетно-технические показатели самолёта .....................................................

1475.6 Выводы ......................................................................................................... 149ВЫВОДЫ ........................................................................................................... 151Список литературы .......................................................................................... 155Приложение 1..................................................................................................... 167Приложение 2..................................................................................................... 1793ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫСокращения:ААНИИ- Арктический и Антарктический научно-исследовательскийинститут;АЗРФ- Арктическая зона Российской Федерации;АРМ- автоматизированное рабочее место;БД- база данных;БПЛА- беспилотный летательный аппарат;ВПП- взлётно-посадочная полоса;ВПХ-взлётно-посадочные характеристики;ВСУ- вспомогательная силовая установка;ВТС- военно-транспортный самолет;ВО- вертикальное оперение;ГО- горизонтальное оперение;ДЗЗ- дистанционное зондирование Земли;ЛА- летательный аппарат;МИ- моменты инерции;ОСН (О)- основной;КБ- конструкторское бюро;ИКО- инфраструктурно-климатические ограничения;ЛТХ- лётно-технические характеристики;САБ- самолет арктического базирования;САПР- система автоматизированного проектирования;СГМ- система геометрического моделирования;СМП- Северный морской путь;СЛО- Северный Ледовитый океан;СП- Северный полюс;СУ- силовая установка;ФОС- формирование облика самолета.4Обозначения:- осевой момент инерции относительно оси Х;- переносной момент инерции;- плоскостные моменты инерции относительно плоскости YZ;- полярный момент инерции;- радиус инерции;- собственный момент инерции;- центробежные моменты инерции относительно осей XY;IOZY- плоскостной момент инерции вдоль оси ОХ;D- диаметр, м;L- длина, м;NM - морская миля, nm;m- масса, кг;S- площадь, м2;V- объём, м3;М- число Маха.Индексы:вн- внутренний;в.ц.м - виртуальный центр масс;доп - допустимый;кр- крыло;н.ч- носовая часть;об- оборудование;ом- омываемый;п.с- пустой снаряженный;пас- пассажир;р.ч- регулярная часть;5сн- снаряжение;с.у- силовая установка;хв.ч - хвостовая часть;ц.м- центр масс;ц.н- целевая нагрузка;max - максимальный;min - минимальный.6ВВЕДЕНИЕРост активности полярных регионов РФ зависит от наличия в авиапаркеотечественной авиационной техники специализированных самолетов [1] дляполярной эксплуатации.Географическое расположение Российской Федерации выделяет ярковыраженную региональную обособленность Арктической зоны РоссийскойФедерации(АЗРФ).ВРоссииболее40%территорийявляютсятруднодоступными и удалёнными регионами заполярья – Арктики, чтотребует использования авиационной техники (самолетов и вертолётов) дляобеспечения бесперебойного авиационного сообщения и транспортнойдоступности АЗРФ [82].

В этих регионах, как нигде актуальны вопросыувеличенияобъёмапассажирскихиигрузовыхповышенияэкономичностинадёжностижёсткихинфраструктурно–климатическихперевозокэксплуатации[3,94],вусловияхограничений(ИКО)[18-22,43,47,55,86,98,102].Решениезадачибесперебойногоавиационногосообщенияитранспортной доступности районов Крайнего Севера и Дальнего Востока[43,82] является компромиссом лётно-технических и эксплуатационныххарактеристик летательного аппарата.Сегодня выполнение транспортной задачи в Арктическом регионеобеспечивается с помощью устаревшего парка самолетов [43], а также путемразработки новых перспективных самолетов, предназначенных для полярнойэксплуатации (рис.В.1).Опыт развития отечественной авиации в 1940-1980 годах показываетнепосредственную связь между уровнем развития авиационной техники иавиатранспортной сети [2] в труднодоступных и отдалённых регионах истепенью развития и освоения полярных регионов Крайнего Севера иДальнего Востока, являющихся АЗРФ (рис.В.2).7Позиционирование на мировой политической арене арктическихтерриторий [86] как исключительной экономической зоны РоссийскойФедерации [63] требует развития региональной транспортной сети [82], в томчисле грузовых и пассажирских авиаперевозок [94].В августе 2014 года Президент Российской Федерации Владимир Путинзаявил [48]: «Россия должна больше внимания уделить укреплению позиций вАрктике, поскольку этот регион представляет сосредоточение интересовстраны во многих сферах.Арктика является важнейшим и оченьперспективным регионом России, а помимо сырья, он ещё и исключительноудобен для развития транспортной инфраструктуры».В утверждённой 20 февраля 2013 года Президентом РФ «СтратегииразвитияАрктическойзоныРоссийскойФедерациииобеспечениянациональной безопасности на период до 2020 года» [94], отмечается дефицитсамолетов и технологических возможностей по изучению, освоению ииспользованиюарктическихпространствиресурсов,недостаточнаяготовность к переходу на инновационный путь развития Арктической зоныРоссийской Федерации (п.4).