КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОУПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЧЕБНО-БОЕВОГО САМОЛЕТА

© И.Н.Ефремов, В.В.Овчинников
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2006 г.

Проблема проектирования и расчета современных авиационных конструкций на прочность, жесткость и устойчивость в условиях взаимодействия с газовой средой без ЭВМ является неразрешимой задачей. Только на основе численного эксперимента удается более или менее полно оценить влияние аэроупругих эффектов на динамическую прочность, характеристики устойчивости и управляемости, усталостную повреждаемость боевого самолета. Развитие авиации, особенно военного назначения, сопровождается постоянным расширением рабочих режимов полета, что влечет за собой необходимость усложнения конструкции и новых проектных решений.

Для самолета Як-130 характерно маневрирование на больших углах атаки при безотрывном и отрывном обтекании в ходе выполнения фигур пилотажа и в воздушном бою, что приводит к необходимости использования нелинейных математических моделей аэроупругости (ММАУ), которые весьма требовательны к вычислительным ресурсам. Представляется целесообразным для анализа аэроупругих характеристик применять математические модели различного уровня (как нелинейные, так и линейные), так как это может существенно ускорить процесс исследования и проектирования перспективных самолетов.

Применительно к самолету Як-130 расчет аэроупругих характеристик на малых углах атаки по линейным моделям не всегда позволяет отследить физику обтекания летательного аппарата. Выход самолета на большие углы атаки сопровождается срывными явлениями и различными нелинейными эффектами в аэродинамических характеристиках, что существенно затрудняет пилотирование и ограничивает возможность проведения летных испытаний на данных режимах в процессе разработки авиационной техники. Применение экспериментальных методов определения нагрузок при маневрировании на срывных режимах ограничено из-за нестационарности аэродинамических характеристик и больших деформаций самолета, приводящих к резкому изменению несущих свойств конструкции.

Это означает, что аэродинамически линейные ММАУ, применение которых является вполне оправданным для неманевренных и ограниченно маневренных самолетов, по отношению к самолетам маневренным могут быть использованы лишь с весьма существенными ограничениями.

В работе показывается один из путей повышения эффективности расчетов на ЭВМ аэроупругих характеристик учебно-боевого самолета (УБС) типа Як-130 на основе комплексного применения нелинейных и линейных ММАУ, построенных на основе синтеза метода дискретных вихрей и метода собственных форм. Используемые ММАУ базируются на едином комплексе исходных данных и основных допущений, что позволяет легко выбирать для конкретных задач рациональный путь исследования.

При математическом моделировании полета на закритических режимах следует решать задачу о развитии взаимосвязанных процессов обтекания упругой конструкции, ее движения и деформирования. Описание возмущенного движения самолета базируется на применении метода собственных форм. Перемещения точек конструкции в любой момент времени представляются в виде ряда по формам собственных колебаний летательного аппарата. Задача решается по временным шагам, и на каждом шаге при помощи метода дискретных вихрей (вихревых рамок) вычисляются аэродинамические нагрузки с полным учетом изменения формы аппарата.

Именно такой комплекс математических моделей аэроупругости используется в данной работе. Общими для аэродинамически линейной и аэродинамически нелинейной частей этого комплекса являются упругие модели самолетов, которые строятся на основании балочной схемы. Такая общность упрощает синтез моделей аэроупругости.

Приводятся результаты расчетов аэроупругих характеристик самолета, полученные на основе различных ММАУ, проведена оценка достоверности.

Таким образом, на настоящем этапе исследований получена работоспособная математическая модель УБС. Дальнейшую работу предполагается продолжить в направлении исследования аэроупругих характеристик маневренного УБС типа Як-130 на больших углах атаки.