ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ РАСЧЁТА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК «КОСМОПЛАНА»

© Д.Н.Лобанов, А.Г.Топорков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2014 г.

Объектом исследования является «космоплан», который относится к беспилотным летательным аппаратам самолётного типа, предназначенного для полёта в условиях земной атмосферы. В донной области для стабилизации аппарата расположены оперения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В данном исследовании рассматриваются различные варианты аэродинамической компоновки «космоплана». Основные характеристики аппарата:

– размеры: размах крыла 2180 мм, длина 2000 мм;

– диаметр фюзеляжа 160 мм;

– масса без полезной нагрузки 2,5 кг.

Полезная нагрузка может представлять собой фотокамеру для съёмки подстилающей поверхности Земли, телескоп для фотографирования удаленных космических объектов, мини-лабораторию для проведения научных экспериментов.

Расчёты по определению аэродинамических характеристик проводились для случая набора высоты «космоплана». В работе представлены результаты математического (численного) моделирования и аналитических расчётов для дозвукового и сверхзвукового обтекания «космоплана». Расчёты выполнены в программных средах SolidWorks (FloSimulation) и ANSYS CFX. Полученные результаты сравниваются с результатами, которые были получены при классическом (аналитическом) расчёте.

Аналитический расчёт выполнялся по принципу расчленения летательного аппарата на изолированные элементы. В соответствии с этим «космоплан», который представляет собой комбинацию корпуса с крылом и оперением, был заменён расчётной схемой, в которой были выделены следующие элементы: изолированное крыло, изолированное оперение и изолированный корпус.

Расчётная область при моделировании в ANSYS CFX представляет собой цилиндр: 1,5 м в диаметре и 3,2 м в длину. Данная расчётная область соответствует случаю сложенных крыльев вдоль фюзеляжа. Расчётная сетка состоит из 2700115 тетрагональных элементов с длиной рёбер в диапазоне от 1 мм до 100 мм.

В ходе проведённых расчётов была выбрана аэродинамическая компоновка «космоплана», которая наилучшим образом удовлетворяет предъявляемым требованиям и характеристикам по прочности и надёжности летательного аппарата.

Результаты исследований показывают, что имеются расхождения в значениях Cx и Cy при численном моделировании и аналитическом расчёте, это объясняется, в первую очередь, отсутствием учёта в проведенном аналитическом расчёте взаимодействия элементов головной части — обтекателя фюзеляжа, крыла и оперения.

Работа проводится в рамках проекта ракетомодельного клуба Молодежного космического центра МГТУ им. Н.Э. Баумана.