RU2558498C2 - Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft - Google Patents

Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft Download PDF

Info

Publication number
RU2558498C2
RU2558498C2 RU2013157078/11A RU2013157078A RU2558498C2 RU 2558498 C2 RU2558498 C2 RU 2558498C2 RU 2013157078/11 A RU2013157078/11 A RU 2013157078/11A RU 2013157078 A RU2013157078 A RU 2013157078A RU 2558498 C2 RU2558498 C2 RU 2558498C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
drag
ratio
optimal
force
Prior art date
Application number
RU2013157078/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013157078A (en
Inventor
Алексей Юрьевич Галактионов
Екатерина Сергеевна Лихачева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО "МГУЛ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО "МГУЛ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО "МГУЛ")
Priority to RU2013157078/11A priority Critical patent/RU2558498C2/en
Publication of RU2013157078A publication Critical patent/RU2013157078A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2558498C2 publication Critical patent/RU2558498C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Abstract

FIELD: aircraft engineering.
SUBSTANCE: proposed method comprises subjecting the aircraft airfoil to effects with application of optimisation criterion. The latter represents the relationship between the factors of lift and drag wherefrom optimum aircraft airfoil is derived to solve the problem of deviation from collision with application of numerical methods of the solution of complete equations of Navier-Stocks. Note here that rational arrangements of structural surfaces and aircraft nose shape are defined for minimum heat loads.
EFFECT: optimised deviation from collision.
8 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для определения оптимальной формы поверхности гиперзвукового летательного аппарата, предназначенного для спасения экипажа с борта космической станции, терпящей аварию.The claimed invention relates to rocket and space technology and can be used to determine the optimal surface shape of a hypersonic aircraft designed to save the crew from the board of a space station in an accident.

Известно построение поверхности гиперзвукового планирующего летательного аппарата с использованием в качестве критерия оптимальности формы - условие максимума для аэродинамического качества синтезируемого изделия (K→max), что является определенным ограничением из-за неучета уклонения [1].It is known to build the surface of a hypersonic gliding aircraft using the form optimality criterion as the maximum condition for the aerodynamic quality of the synthesized product (K → max), which is a certain limitation due to the neglect of evasion [1].

Ближайшим решением к заявляемому является способ построения оптимальной аэродинамической поверхности гиперзвукового летательного аппарата, заключающийся в воздействии с использованием критерия оптимизации, связанного с максимизацией аэродинамического коэффициента лобового сопротивления [2].The closest solution to the claimed is a method of constructing the optimal aerodynamic surface of a hypersonic aircraft, which consists in exposure using an optimization criterion associated with maximizing the aerodynamic drag coefficient [2].

Недостатком известного решения являются ограниченные возможности способа вследствие невозможности обеспечения оптимального уклонения от столкновения.A disadvantage of the known solution is the limited capabilities of the method due to the inability to ensure optimal collision avoidance.

Задача заключается в предложении определения критериев уклонения от столкновения и способа построения оптимальной поверхности гиперзвукового летательного аппарата для обеспечения оптимального уклонения от столкновения.The objective is to propose the definition of collision avoidance criteria and a method for constructing the optimal surface of a hypersonic aircraft to ensure optimal collision avoidance.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе построения оптимальной аэродинамической поверхности гиперзвукового летательного аппарата, включающем воздействие на его поверхность с использованием критерия оптимизации, в качестве критерия оптимизации используют отношение степеней коэффициентов подъемной силы и силы лобового сопротивления P = C y a a C x a b

Figure 00000001
, по которому формируют оптимальную поверхность летательного аппарата для решения задачи уклонения от столкновения, с использованием численных методов решения полных уравнений Навье-Стокса, для чего определяют рациональное расположение несущих поверхностей и форму носовой части аппарата с минимальными тепловыми нагрузками, гдеThe solution of this problem is provided by the fact that in the method of constructing the optimal aerodynamic surface of a hypersonic aircraft, including the impact on its surface using the optimization criterion, the ratio of the degrees of the lift and drag coefficients is used as the optimization criterion P = C y a a C x a b
Figure 00000001
using which the optimal surface of the aircraft is formed to solve the collision avoidance problem using numerical methods for solving the complete Navier-Stokes equations, which determine the rational location of the bearing surfaces and the shape of the nose of the vehicle with minimal thermal loads, where

P - отношение степеней коэффициентов подъемной силы и силы лобового сопротивления, характеризующее показатель эффективности, полученный в результате численного решения дифференциальной игры качества,P is the ratio of the degrees of the coefficients of the lifting force and the drag force, which characterizes the efficiency indicator obtained as a result of the numerical solution of the differential quality game,

C y a a

Figure 00000002
- коэффициент подъемной силы, определяемый как отношение подъемной силы к скоростному напору и характерной площади, C y a a
Figure 00000002
- the coefficient of lifting force, defined as the ratio of the lifting force to the pressure head and the characteristic area,

C x a b

Figure 00000003
- коэффициент силы лобового сопротивления, определяемый как отношение силы лобового сопротивления к скоростному напору и характерной площади. C x a b
Figure 00000003
- drag coefficient of force, defined as the ratio of drag to velocity pressure and characteristic area.

Изобретение поясняется следующим примером.The invention is illustrated by the following example.

Схема конфликтной ситуации об избежании столкновения двух летательных аппаратов (двух игроков с противоположными (антагонистическими) интересами) представлена на фиг.1. Игрок Р стремится сблизиться с игроком Е на минимальное расстояние, игрок Е стремится максимизировать минимальное расстояние. Игра заканчивается победой Р в случае, если отрезок РЕ окажется менее величины l, и поражением Р, если игрок Е пройдет область сближения на расстояние более l.A diagram of a conflict situation on avoiding a collision of two aircraft (two players with opposing (antagonistic) interests) is presented in Fig. 1. Player P seeks to get closer to player E by the minimum distance, player E seeks to maximize the minimum distance. The game ends with victory P if the PE segment turns out to be less than l, and defeat P if player E passes the area of convergence closer than l.

Дифференциальная игра качества решалась численно в связанной в игроком Р системе координат при условии превосходства игрока Е в скорости и первоначальном расположении игроков на встречных курсах. Схематизация дифференциальной игры в системе координат, связанной с минимизирующим игроком, представлена на фиг.2. Маневренные возможности игрока Е были ограничены величиной минимального радиуса разворота (значением коэффициента подъемной силы), а его скорость уменьшалась по квадратичному закону с коэффициентом пропорциональности, связанным с аэродинамическим коэффициентом лобового сопротивления.The differential game of quality was solved numerically in the coordinate system associated with the player P, provided that player E was superior in speed and the players were initially placed on the opposite courses. A schematic diagram of a differential game in a coordinate system associated with a minimizing player is shown in FIG. The maneuverability of player E was limited by the minimum turning radius (the value of the coefficient of lift), and his speed was reduced quadratically with a proportionality coefficient associated with the aerodynamic drag coefficient.

В отмеченной постановке дифференциальная игра была описана системой обыкновенных дифференциальных уравнений:In the noted formulation, the differential game was described by a system of ordinary differential equations:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

где x и y - геометрические координаты (уклоняющегося игрока Е в системе координат, связанной с игроком Р);where x and y are geometric coordinates (of the evading player E in the coordinate system associated with player P);

w1 и w2 - скорости игроков Р и Е;w 1 and w 2 are the speeds of the players P and E;

R1 и R2 - минимальные радиусы кривизны траекторий Р и Е;R 1 and R 2 are the minimum radii of curvature of the trajectories P and E;

θ - ориентация вектора скорости (w2) уклоняющегося игрока Е;θ is the orientation of the velocity vector (w 2 ) of the evading player E;

φ и ψ - параметры управления движением игроков Р и Е, -1≤φ, ψ≤1;φ and ψ are the parameters for controlling the movement of players P and E, -1≤φ, ψ≤1;

C N ( 1 )

Figure 00000008
, C N ( 2 )
Figure 00000009
- коэффициенты нормальных сил игроков Р и Е; C N ( one )
Figure 00000008
, C N ( 2 )
Figure 00000009
- the coefficients of the normal forces of the players P and E;

k - масштабирующий коэффициент для выделения безразмерных аэродинамических коэффициентов, учитывающих высоту полета, массу игроков и их характерную площадь;k is the scaling factor for the allocation of dimensionless aerodynamic coefficients taking into account the flight altitude, the mass of the players and their characteristic area;

C τ ( 2 )

Figure 00000010
- коэффициент тангенциальной силы игрока Е, C τ ( 2 )
Figure 00000010
is the tangential force coefficient of player E,

с начальными условиями на терминальной поверхности в точке ее касания поверхностью барьера, изображенными на фиг.3.with the initial conditions on the terminal surface at the point of contact with the barrier surface, shown in Fig.3.

Задача решалась численно методами Эйлера и Рунге-Кутта, достоверность результатов подтверждена сходимостью процессов по математическому времени (по числу итераций) и по сетке управляющих параметров. В качестве самостоятельного теста было рассмотрено сравнение численного и аналитического решения задачи о «шофере-убийце», предложенной Р. Айзексом [3], как показано на фиг.4.The problem was solved numerically by the methods of Euler and Runge-Kutta, the reliability of the results was confirmed by the convergence of processes in mathematical time (in the number of iterations) and in the grid of control parameters. As an independent test, we considered a comparison of the numerical and analytical solutions of the “driver-killer” problem proposed by R. Isaacs [3], as shown in Fig. 4.

Численные расчеты заканчивались в контрольной точке - пересечение барьером плоскости симметрии дифференциальной игры, соответствующей точке начала маневрирования и, соответственно, некой линейной меры оптимального уклонения. Терминальная поверхность и поверхности барьеров 4-хмерного фазового пространства представлены на фиг.5.Numerical calculations ended at the control point — the intersection by the barrier of the symmetry plane of the differential game, corresponding to the starting point of maneuvering and, accordingly, of some linear measure of optimal evasion. The terminal surface and the surface of the barriers of the 4-dimensional phase space are presented in figure 5.

Аппроксимация результатов параметрических исследований и их дальнейший анализ позволил установить закон степеней для показателя эффективности аэродинамической компоновки гиперзвукового летательного аппарата: P = C y a a C x a b

Figure 00000001
.The approximation of the results of parametric studies and their further analysis made it possible to establish the law of degrees for the efficiency indicator of the aerodynamic layout of a hypersonic aircraft: P = C y a a C x a b
Figure 00000001
.

Поверхность гиперзвукового летательного аппарата оптимальной формы была построена численно методом локальных вариаций с целевой функцией: P→max и начальной формой поверхности летательного аппарата в виде затупленного по сфере конуса ограниченной длины и миделевого сечения и структурированной сеткой четырехугольных ячеек на его поверхности, показанной на фиг.6.The surface of the hypersonic aircraft of the optimal shape was constructed numerically by the method of local variations with the objective function: P → max and the initial surface shape of the aircraft in the form of a cone of a limited length and midsection section blunted over a sphere and a structured grid of quadrangular cells on its surface, shown in Fig. 6 .

Численное решение вариационной задачи о построении оптимальной поверхности летательного аппарата было получено за 3000 итераций, зависимость соответствующего показателя эффективности показана на фиг.7. Значение показателя эффективности Р для оптимальной компоновки при ограничениях на форму носка и донного среза, длину аппарата и размеры отсеков для полезной нагрузки составило 1,5, а его форма приведена на фиг.8 (а - вид спереди, б - вид сверху, в - вид сбоку).The numerical solution of the variational problem of constructing the optimal surface of the aircraft was obtained for 3000 iterations, the dependence of the corresponding efficiency indicator is shown in Fig.7. The value of the efficiency indicator P for the optimal layout with restrictions on the shape of the toe and bottom cut, the length of the apparatus and the dimensions of the compartments for the payload was 1.5, and its shape is shown in Fig. 8 (a - front view, b - top view, c - side view).

Представленная на фиг.8 форма летательного аппарата содержит технические решения по ограничению максимальных тепловых нагрузок, технологичность сборки с разгонным носителем, а также возможность использования критических CALS-технологий. Форма крылатого гиперзвукового летательного аппарата была получена при постоянстве внутренних объемов с полезной нагрузкой, неизменности носовой и кормовой частей летательного аппарата. Фиксированная форма носовой части позволяла обеспечивать необходимый балансировочный угол атаки, а кормовая часть была унифицирована для расположения на разгонной ступени РН.The form of the aircraft shown in Fig. 8 contains technical solutions for limiting maximum thermal loads, manufacturability of an assembly with an accelerating carrier, and the possibility of using critical CALS technologies. The shape of the winged hypersonic aircraft was obtained with constant internal volumes with a payload, invariance of the fore and aft parts of the aircraft. The fixed shape of the bow allowed us to provide the necessary balancing angle of attack, and the aft was unified for location on the booster stage of the launch vehicle.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет решить задачу определения оптимальной формы уклоняющегося гиперзвукового летательного аппарата, который может обеспечить спасение экипажа с борта космической станции, терпящей аварию, а также решение задачи избежания столкновения воздушных судов скоростной гражданской авиации.Thus, the claimed invention allows to solve the problem of determining the optimal shape of the evading hypersonic aircraft, which can ensure the salvation of the crew from the board of the space station in an accident, as well as solving the problem of avoiding a collision of high-speed civil aviation aircraft.

Список литературыBibliography

1. Фофонов Д.М. Оптимизация аэродинамической компоновки гиперзвуковых летательных аппаратов. // Космонавтика и ракетостроение. - 2010. - 17 с.1. Fofonov D.M. Optimization of the aerodynamic layout of hypersonic aircraft. // Cosmonautics and rocket science. - 2010 .-- 17 p.

2. Петров К.П. Аэродинамика транспортных космических систем. - М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 368 с.2. Petrov K.P. Aerodynamics of space transport systems. - M.: Editorial URSS, 2000 .-- 368 p.

3. Айзекс Р. Дифференциальные игры. - М.: Мир, 1967. - 315 с.3. Isaacs R. Differential games. - M .: Mir, 1967 .-- 315 p.

Claims (1)

Способ построения оптимальной аэродинамической поверхности гиперзвукового летательного аппарата, включающий воздействие на его поверхность с использованием критерия оптимизации, отличающийся тем, что в качестве критерия оптимизации используют отношение степеней коэффициентов подъемной силы и силы лобового сопротивления
Figure 00000011
, по которому формируют оптимальную поверхность летательного аппарата для решения задачи уклонения от столкновения, с использованием численных методов решения полных уравнений Навье-Стокса, для чего определяют рациональное расположение несущих поверхностей и форму носовой части аппарата с минимальными тепловыми нагрузками, где
Р - отношение степеней коэффициентов подъемной силы и силы лобового сопротивления, характеризующее показатель эффективности, полученный в результате численного решения дифференциальной игры качества,
Figure 00000012
- коэффициент подъемной силы, определяемый как отношение подъемной силы к скоростному напору и характерной площади,
Figure 00000013
- коэффициент силы лобового сопротивления, определяемый как отношение силы лобового сопротивления к скоростному напору и характерной площади.
A method of constructing the optimal aerodynamic surface of a hypersonic aircraft, including the impact on its surface using the optimization criterion, characterized in that the ratio of the degrees of the lift and drag coefficients is used as the optimization criterion
Figure 00000011
using which the optimal surface of the aircraft is formed to solve the collision avoidance problem using numerical methods for solving the complete Navier-Stokes equations, which determine the rational location of the bearing surfaces and the shape of the nose of the vehicle with minimal thermal loads, where
P is the ratio of the degrees of the coefficients of the lifting force and the drag force, which characterizes the efficiency indicator obtained as a result of the numerical solution of the differential quality game,
Figure 00000012
- the coefficient of lifting force, defined as the ratio of the lifting force to the pressure head and the characteristic area,
Figure 00000013
- drag coefficient of force, defined as the ratio of drag to velocity pressure and characteristic area.
RU2013157078/11A 2013-12-24 2013-12-24 Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft RU2558498C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013157078/11A RU2558498C2 (en) 2013-12-24 2013-12-24 Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013157078/11A RU2558498C2 (en) 2013-12-24 2013-12-24 Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013157078A RU2013157078A (en) 2015-06-27
RU2558498C2 true RU2558498C2 (en) 2015-08-10

Family

ID=53497217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013157078/11A RU2558498C2 (en) 2013-12-24 2013-12-24 Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2558498C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683017C1 (en) * 2017-12-28 2019-03-25 Акционерное общество "Корпорация "Тактическое ракетное вооружение" Aircraft with the air-jet engine aerodynamic appearance determining method
CN110589010A (en) * 2019-09-09 2019-12-20 南京航空航天大学 Hypersonic large-loading-space waverider design method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU98839A1 (en) * 1953-09-05 1953-11-30 Д.С. Китаинов The method of constructing the correct curved surfaces of the fuselage and other aircraft components
US7979255B2 (en) * 2007-03-16 2011-07-12 Airbus Operations Sas Method, system and computer program product for the optimization of power system architectures at the aircraft level during pre-design
US8489373B2 (en) * 2009-04-21 2013-07-16 Airbus Operations S.A.S. Method and tool for simulation of the aerodynamic behaviour of an aircraft in flight close to the ground

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU98839A1 (en) * 1953-09-05 1953-11-30 Д.С. Китаинов The method of constructing the correct curved surfaces of the fuselage and other aircraft components
US7979255B2 (en) * 2007-03-16 2011-07-12 Airbus Operations Sas Method, system and computer program product for the optimization of power system architectures at the aircraft level during pre-design
US8489373B2 (en) * 2009-04-21 2013-07-16 Airbus Operations S.A.S. Method and tool for simulation of the aerodynamic behaviour of an aircraft in flight close to the ground

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683017C1 (en) * 2017-12-28 2019-03-25 Акционерное общество "Корпорация "Тактическое ракетное вооружение" Aircraft with the air-jet engine aerodynamic appearance determining method
CN110589010A (en) * 2019-09-09 2019-12-20 南京航空航天大学 Hypersonic large-loading-space waverider design method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013157078A (en) 2015-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Torres et al. Low aspect ratio aerodynamics at low Reynolds numbers
Horie et al. Optimal fighter pursuit-evasion maneuvers found via two-sided optimization
Panagiotou et al. Winglet design and optimization for a MALE UAV using CFD
CN103884237B (en) The many-one cooperative guidance method of based target probability distribution information
Zhao et al. Particle swarm optimization applied to hypersonic reentry trajectories
Liu et al. Novel approach for designing a hypersonic gliding–cruising dual waverider vehicle
CN104536457B (en) Sliding-mode control method based on small unmanned aerial vehicle navigation
Qu et al. A novel yaw control method for flying-wing aircraft in low speed regime
Ashraf et al. Dynamic modeling of the airship with Matlab using geometrical aerodynamic parameters
CN110322733B (en) Method for establishing arrival takeoff window of lateral runway protection area
CN114200827B (en) Multi-constraint double-channel control method for supersonic large maneuvering target
RU2558498C2 (en) Construction of optimum airfoil for hypersonic aircraft
Hitzel et al. Enhanced maneuverability of a delta-canard combat aircraft by vortex flow control
Mohan et al. Optimal trajectory and control generation for landing of multiple aircraft in the presence of obstacles
CN109459929A (en) The parsing Homotopy Method that martian atmosphere approach section longitudinal direction accessoble region generates
US20210339876A1 (en) Methods and systems for controlling supersonic flight entry/exit of a vehicle
CN113184166A (en) Stability augmentation control method for flying wing layout unmanned aerial vehicle
Polsky et al. CVN airwake modeling and integration: Initial steps in the creation and implementation of a virtual burble for F-18 carrier landing simulations
Zimper et al. Analysis of the transonic flow around a unmanned combat aerial vehicle configuration
Fu et al. Numerical investigation of circulation control applied to flapless aircraft
Hitzel Flightphysical aspects and methods of future military aircraft designs
CN103390109A (en) Quick prediction method for aerodynamic property
Zimper et al. Analysis of the transonic flow around a generic UCAV configuration
Hitzel High-angle-of-attack F-16XL flight simulations at sub-and transonic speeds
Dalle et al. Sensitivity of flight dynamics of hypersonic vehicles to design parameters

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151225