Адаптивне крило з роторним рушієм
| dc.contributor.advisor | Зінченко, Д. М. | |
| dc.contributor.author | Комаров, Богдан Глібович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-20T14:56:29Z | |
| dc.date.available | 2024-02-20T14:56:29Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Комаров Б.Г. Адаптивне крило з роторним рушієм. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 134 – Авіаційна та ракетно-космічна техніка. – Навчально-науковий інститут аерокосмічних технологій, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена дослідженню та створенню пропульсивних силових установок, а саме конструкції крила та фюзеляжу з використанням роторного рушія. В роботі розглянуто історію впровадження тангенціальних вентиляторів в авіації в якості роторних рушіїв. Вченими значна увага приділялася конструкціям крил з роторними силовими установками, а саме двом типам – “Propulsive-Wing” та “Fan-Wing”. "Propulsive-Wing" включає в себе інтеграцію роторних вентиляторів в крило літака, що дозволяє покращити аеродинамічні характеристики та знизити опір повітря. З іншого боку, "Fan-Wing" використовує конструкцію з вентиляторами більшого діаметру, та аналогічно великого видовження, розташованих в передній частині вздовж розмаху крила літака, що дозволяє отримувати більші значення сили тяги з кожного вату потужності у порівнянні з використанням традиційних силових установок. Дослідження в роботі, окрім використання роторних рушіїв у крилах, розглядали їх використання в конструкції фюзеляжу. Також вивчалася можливість використання роторних рушіїв як хвостових балок для вертольотів, що має потенціал покращити їх надійність, безпеку, стабільність та маневреність. Усі ці аспекти були детально проаналізовані та обговорені в роботі з метою визначення переваг і недоліків використання тангенціальних вентиляторів у різних сферах авіації. В результаті дослідження були виявлені потенційні переваги цих рішень, які можуть вплинути на майбутні тенденції в авіаційній індустрії. Оскільки за принципом роботи тангенціальні роторні рушії відрізняються від традиційних перевірених роками гвинтових, імпелерних, та турбінних силових установок, то для їх обрахунків потрібно зібрати та використовувати новий математичний апарат, якого на даний час не існує. Створена нова математична модель для швидкого розрахунку пропульсивних систем за конструктивною схемою “Propulsion-Wing” та “Fan-Wing”, яка була апробована за допомогою натурних експериментів. Також було проведено симуляції поведінки аеродинамічних характеристик моделей на різних режимах польоту для підтвердження результатів обчислень. Даний математичний апарат використовує модифіковані рівняння Бернуллі з урахуванням специфіки обтікання з додатковим прискоренням потоку над крилом. В її створенні було застосовано відомі залежності для розрахунків тангенціальних вентиляторів з поділом ротора вентилятора на три області. Область A є головною для проходу потоку в вентиляторі і відіграє ключову роль у виконанні основної корисної роботи, тому в даній області не має бути елементів, перешкоджаючих потоку. Області B і C перешкоджаючи роботі системи, знижуючи її ефективність. Область B має обмежений вплив на загальну продуктивність системи, за винятком визначення форми перехідного потоку, та корисна робота над газом в цій області не приносить великої кількості енергії, бо за принципом руху є подібною до гребного винта. Область C характеризується наявністю ексцентричного вихору і повністю складається з рециркуляційного потоку. Також були створені нові залежності для профілю крила з вбудованим в нього тангенціальним роторним рушієм, для яких також можна виділити певні регіони, а саме той що знаходиться перед роторним рушієм і взаємодіє з вільним потоком, регіон, який охоплює взаємодію роторного рушія та набігаючого потоку повітря, область за роторним рушієм з повітрям, що має додатковий імпульс, та вільними регіонами, які взаємодіють лише з набігаючим потоком повітря та на які не впливає роторний рушій. Для розрахунку підйомної сили та сили опору потрібно знати розподіл швидкостей та тиску на поверхнях профілю. Створено три нові експериментальні профілі для крил типу “Fan-Wing” з адаптивними органами керування та механізації: СЧК-2 з вбудованою впуклістю, що забезпечує краще приєднання потоку повітря до поверхні крила, СЧК-3 та СЧК-4 з S-подібними контурами, що дає можливість покращити аеродинамічні характеристики профілю з мінімальними модифікаціями, не ускладнюючими конструкцію, підвищивши при цьому міцність і жорсткість та зменшивши масу з суттєвим зменшенням внутрішнього об’єму крила. Створено новий експериментальний профіль для крила типу “PropulsiveWing” з адаптивним дефлектором, що знаходиться в задній частині крила та може керувати потоком на виході з тангенціального роторного рушія. Це дозволяє використовувати векторизацію тяги та даний новий елемент як орган керування та одночасно з тим бути органом механізації, що є корисним при створенні літаків короткого взльоту та посадки. Запропоновано новий тип роторного рушія без перегородок між секціями, та без валу в середині, що перешкоджає потоку, дані модифікації зменшують опір повітрю, сприяють вільній циркуляції повітря, що проходить крізь нього. Досліджено вплив форми лопаток та кута їх встановлення для найбільш оптимального захвату та викидання повітря з пропульсивної системи. Натурно перевірено ротори на міцність та посилено конструкцію елементами з’єднання лопаток для запобігання руйнівного ефекту центробіжної сили на великих швидкостях обертання, які майже не перешкоджають проходженню повітря та дозволяють зменшити масу конструкції за рахунок лопаток великого видовження. Спроектовано літак традиційної аеродинамічної схеми з Т-подібним оперенням та фюзеляжем типу човен, на якому випробувались різні типи крила: звичайне з профілем NACA 4412, крило типу “Fan-Wing” з адаптивною механізацією, що створено на базі профілю Clark Y, а також пропульсивне крило з модифікованим профілем Gottingen 570 та адаптивним дефлектором. Далі виготовлено фізичну модель фюзеляжу, яка була створена для зльоту з водяної поверхні та посадки на неї для запобігання аварійних випадків з участю злітнопосадкової смуги та забезпечення кращої надійності завдяки відсутності шасі для моделей та прототипів. Експерименти проводилися для підтвердження запропонованих математичних моделей з вимірюванням динамічних параметрів літака в умовах стоячої води з урахуванням швидкості вітру, проти якого злітав літак, щоб отримати достовірні експериментальні дані та в результаті обрахунків знайти аеродинамічні характеристики для якісного аналізу та порівняння. Розглянуто нові та перспективні компонувальні схеми літальних апаратів з використанням пропульсивних систем в їх конструкції та їх раціональність. З усього різноманіття конструкцій було виділено аеродинімічну схему “качка” з пропульсивним крилом та дефлектором для активного керування потоком, що в комбінації з пасивними методами дозволяє суттєво покращити аеродинамічні характеристики, та поєднання яких здатне позбавити недоліків дану аеродинамічну схему. А також двохбалкового фюзеляжу з можливістю вертикального зльоту та посадки та горизонтального польоту при використанні роторних рушіїв з векторизацією тяги, що закладені в конструкції його фюзеляжу. Для протидії явищу, що має назву “клювок”, притаманному літальним апаратам схеми “качка”, використано новий орган керування для даного типу літаків, що базується на впровадженні аеродинамічного дефлектора як активної робочої поверхні за роторним рушієм, підтримуючи стабільність по висоті на малих швидкостях. Також з’являється можливість злітати на коротких дистанціях та безпечно приземлятись за малих швидкостей, що непритаманно для літальних апаратів схеми “качка”, додається можливість керувати потоком повітря, що виходить з пропульсивної установки для керування по крену за умови використання диференційованого керування дефлектором та зміни напрямку польоту літака. Представлена компоновка є простою в реалізації, компактною та підіймає продуктивність літального апарату. | |
| dc.description.abstractother | Komarov B.G. Adaptive wing with a propulsive power plant – Qualification scientific work on manuscript right. Thesis for graduation scientific degree of Philosophy Doctor by specialty 134 - Aviation and aerospace technologies, Educational and Scientific Institute of Aerospace Technologies, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation work is dedicated to the research and advancement of propulsion powerplants, with a specific emphasis on pioneering wing and fuselage designs that incorporate cross-flow fans. This comprehensive study also delves into the historical evolution of cross-flow fans as integral components of aviation, particularly as rotor propulsors. Researchers have dedicated substantial attention to aircraft wing designs featuring innovative powerplants, notably focusing on two distinct types: the propulsive wing and the Fan-Wing. In the case of the propulsive wing, rotor fans are skillfully integrated into the aft section of the aircraft's wing, thereby augmenting its aerodynamic characteristics and reducing air resistance. Conversely, the Fan-Wing concept involves strategically positioning fans at the leading edge along wing's span, yielding a superior thrust-to-power ratio compared to other configurations. The dissertation's research also ventures into the application of rotor propulsors within fuselage designs and examines the potential utility of rotor propulsors as tail beams for helicopters, with the aim of enhancing their reliability, safety, stability, and maneuverability. This multifaceted analysis thoroughly scrutinizes these aspects, meticulously weighing the advantages and disadvantages associated with the deployment of tangential fans across diverse aviation domains. The research not only identifies potential benefits but also sheds light on how these findings may shape future trends in the aviation industry. Furthermore, the dissertation delves into the utilization of rotor propulsors in fuselage designs, adding another layer of depth to the exploration of innovative propulsion systems in aviation. Given the distinct operational characteristics of cross-flow rotor propulsors, which diverge significantly from traditional propeller, impeller, and turbine powerplants, there is a pressing need for the development of a novel mathematical framework tailored to their unique requirements. As of now, such a framework is conspicuously absent from existing literature. A new mathematical model has been created for rapid calculations of propulsion systems based systems. This model was validated through physical experiments, and simulations of aerodynamic characteristics were conducted at different flight regimes to confirm calculation results. This mathematical framework utilizes modified Bernoulli's equations, considering the specific flow acceleration characteristics over the wing. In its development, known dependencies for tangential fans with rotor division into three regions were applied. Region A is crucial for the fan's flow passage and is responsible for its primary functionality. It plays a vital role in performing the main useful work, and it's essential to ensure that nothing obstructs the flow in this region. On the other hand, Regions B and C are unavoidable but negatively affect the system's efficiency, leading to reduced performance. Region B's impact on overall system productivity is limited. Its primary function is to determine the transitional flow shape, and the energy gained from the gas in this region is minimal, similar to a paddlewheel's operation. Region C, on the other hand, is characterized by the presence of an eccentric vortex and consists entirely of recirculation flow. In summary, Region A is the most critical for the fan's performance, while Regions B and C have negative effects on system efficiency, with Region B primarily shaping flow and Region C exhibiting recirculation flow characteristics. New dependencies have been established for the wing profile featuring an integrated tangential rotor propulsor. These dependencies enable the precise characterization of distinct zones, including: 1. The zone located in front of the rotor propulsor, where it interfaces with the incoming airflow. 2. The region where the rotor propulsor interacts with the incoming air. 3. The zone situated behind the rotor propulsor, where air gains supplementary momentum due to its interaction with the rotor. 4. Unaffected, open areas that exclusively interact with the incoming airflow, remaining independent of the rotor propulsor's influence. To accurately compute lift and drag forces, it is imperative to have a comprehensive understanding of the velocity and pressure distributions across the profile surfaces. Three innovative experimental profiles have been devised to enhance the performance of "Fan-Wing" type wings, incorporating adaptive control and mechanization elements. These profiles include: Section-2 with Built-In Convexity: This section introduces a built-in convexity feature designed to optimize airflow attachment to the wing's surface. This innovation enhances aerodynamic efficiency by promoting smoother airflow over the wing. Section-3 and Section-4 with S-Shaped Contours: In Sections 3 and 4, S-shaped contours have been ingeniously integrated. These contours serve to enhance the aerodynamic characteristics of the wing profile with minimal structural modifications. Importantly, these modifications do not overly complicate the wing's design, instead increase its strength and rigidity. But these changes result in a substantial reduction in the wing's internal volume. These groundbreaking developments signify significant progress in improving the performance and functionality of "Fan-Wing" wings while maintaining structural integrity and efficiency. A pioneering experimental profile has been devised for a propulsive-wing configuration, featuring a cutting-edge adaptive deflector positioned at the rear of the wing. This remarkable deflector possesses the capability to precisely regulate airflow at the exit of the tangential rotor propulsor. Not only does this enable thrust vectoring, but it also serves as a vital control element, rendering it invaluable in the development of short takeoff and landing aircraft. A new type of rotor propulsion without partitions between sections has been proposed. A groundbreaking rotor propulsion system has been introduced, eliminating the need for partitions between sections. This innovative design significantly minimizes air resistance and promotes unimpeded airflow circulation. Moreover, it operates without an obstructive internal shaft, ensuring smooth flow passage. Extensive research has delved into the critical factors of blade shape and installation angles to achieve the utmost efficiency in air capture and expulsion from the propulsion system. Physical testing of the rotors was conducted to assess their strength. Furthermore, the structural integrity was fortified with blade connection elements to mitigate the potentially damaging centrifugal forces experienced at high rotational speeds. Remarkably, these measures do not impede airflow significantly, but reduct structural mass. Aircraft of a traditional aerodynamic design with a T-shaped empennage and a boat-shaped fuselage were designed, on which various types of wings were tested: a conventional wing with an NACA 4412 profile, a Fan-Wing wing with adaptive mechanization based on the Clark Y profile, and a propulsive wing with a modified Gottingen 570 profile and an adaptive deflector. Experiments were conducted to confirm the proposed mathematical models by measuring the dynamic parameters of the aircraft in stationary water conditions, taking into account the wind speed against which the aircraft took off, in order to obtain reliable experimental data and, as a result of calculations, determine the aerodynamic characteristics for qualitative analysis and comparison. We have examined innovative and promising aircraft design concepts that incorporate propulsive systems. Among various design options, we have identified an aerodynamic configuration known as the canard design, featuring a propulsive wing and an active flow control deflector. This configuration, when combined with passive methods, yields significant improvements in aerodynamic performance and addresses the shortcomings associated with this design. Additionally, we have explored the concept of a twin-boom fuselage capable of vertical takeoff and landing, as well as horizontal flight, utilizing thrust vectoring rotor engines integrated into its fuselage structure. To counter the phenomenon known as stabiliser stalling, inherent to aircraft of the canard scheme, a new control device has been used for this type of aircraft, based on the introduction of an aerodynamic deflector as an active working surface behind the rotor, maintaining altitude stability at low speeds. Additionally, the ability to take off on short distances and safely land at low speeds, which is atypical for canard scheme aircraft, is added, along with the ability to control the airflow exiting the propulsion unit for roll control when using differential deflector control and changing the aircraft's direction. The presented layout is straightforward to implement, compact, and increases aircraft productivity. | |
| dc.format.extent | 231 с. | |
| dc.identifier.citation | Комаров, Б. Г. Адаптивне крило з роторним рушієм : дис. … д-ра філософії : 134 Авіаційна та ракетно-космічна техніка / Комаров Богдан Глібович. – Київ, 2023. – 231 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64801 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | безпілотний літальний апарат | |
| dc.subject | фюзеляж | |
| dc.subject | крило літака | |
| dc.subject | планер | |
| dc.subject | конструкція крила | |
| dc.subject | аеродинамічні характеристики | |
| dc.subject | поляра | |
| dc.subject | пропульсивний роторний рушій | |
| dc.subject | силова установка | |
| dc.subject | мінімізація маси | |
| dc.subject | активні методи керування потоком | |
| dc.subject | примежовий шар | |
| dc.subject | короткий зліт та посадка | |
| dc.subject | вертикальний зліт та посадка | |
| dc.subject | характеристики зльоту та посадки | |
| dc.subject | Unmanned Aerial Vehicle (UAV) | |
| dc.subject | fuselage | |
| dc.subject | aircraft wing | |
| dc.subject | structure | |
| dc.subject | aerodynamic characteristics | |
| dc.subject | polar curve | |
| dc.subject | propulsive cross-flow fan | |
| dc.subject | powerplant | |
| dc.subject | mass minimization | |
| dc.subject | active flow control methods | |
| dc.subject | boundary layer | |
| dc.subject | short takeoff and landing | |
| dc.subject | vertical takeoff and landing | |
| dc.subject | takeoff and landing characteristics | |
| dc.subject.udc | 629.7.02 : 629.7.03 | |
| dc.title | Адаптивне крило з роторним рушієм | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: