Распределенная двигательная установка

В аэронавтике распределенная двигательная установка — это устройство, при котором движущие и связанные с ними потоки воздуха распределяются по аэродинамическим поверхностям самолета. Цель состоит в том, чтобы улучшить аэродинамическую, двигательную и/или конструктивную эффективность корабля по сравнению с эквивалентной традиционной конструкцией.

Ожидаемые преимущества включают улучшение топливной эффективности , снижения выбросов, шума, длины посадочной площадки и управляемости.

Распределенная силовая установка может быть реализована за счет распределения по размаху частично или полностью встроенных нескольких небольших двигателей или вентиляторов вдоль крыла. Альтернативно, это может включать в себя направление выхлопных газов вдоль всей задней кромки крыла.

Принципы проектирования

Определение

Распределенная тяга на самолете обычно характеризуется не только распределенным характером реактивной тяги, но и использованием ее влияния на аэродинамику самолета. ^[1] Движущие потоки воздуха распределяются по аэродинамическим поверхностям летательного аппарата, обычно по размаху неподвижного крыла. Эти потоки могут взаимодействовать с другим воздухом, обтекающим крыло, и существенно влиять на аэродинамику . Однако общепринятого формального определения не существует. ^[2]^[3]

Были определены три широких класса распределенных двигательных установок: ^[3]

Распределенный выхлоп, например реактивные закрылки.
Несколько отдельных движителей (вентиляторов, пропеллеров или струйных двигателей), которые могут приводиться в действие индивидуально или с помощью дистанционного привода от меньшего количества двигателей.
Поперечные вентиляторы , представляющие собой разновидность ротора с горизонтальной осью .

Аэродинамические функции

Помимо обеспечения движения, были изучены распределенные двигательные установки с целью обеспечения различных аэродинамических функций. К ним относятся: ^[4]

Прямое восстановление пограничного слоя
Управление разделением потоков
Электропривод управления подъемом/циркуляцией
Уменьшение вязкостного сопротивления
Контроль вихря/завихренности
Управление транспортным средством/векторная тяга

Потенциальные преимущества

Было выявлено несколько областей, в которых распределенная двигательная установка может иметь преимущества по сравнению с традиционными конструкциями. ^[1] К ним относятся топливная экономичность, снижение шума, крутой набор высоты для короткого взлета и посадки (STOL), новые подходы к управлению (в частности, исключение поверхностей управления для моментов крена, тангажа и рыскания) и высокие коэффициенты двухконтурности. Также было высказано предположение, что движители меньшего размера будут дешевле в производстве и с ними будет легче обращаться во время сборки и обслуживания. ^[2]

Распределенное топливо

Стратегия с несколькими двигательными установками предполагает использование трех или более двигательных установок. Эти устройства расположены в конфигурациях «Лидер» или «Последователь». Они подразделяются на пять классов интенсивности (А–Е) и три категории тяговооруженности (I–III). Они могут быть расположены внутри/над/вокруг или поперек крыла(ий)/фюзеляжа(ов) или планера. ^{[ нужна ссылка ]}

Лидерные устройства используют двигательные установки для непосредственного создания тяги, т. е. распределенные двигатели. В ведомом устройстве используются вторичные двигательные установки, например, несколько вентиляторов, приводимых в действие одним двигателем. В последнем случае передача мощности между вентиляторами и двигателями может быть связана с помощью каналов горячего газа, механических передач или линий электропередачи. ^{[ нужна ссылка ]}

Распределенная электрическая силовая установка

Распределенная электрическая силовая установка (DEP) состоит из нескольких небольших вентиляторов или пропеллеров, приводимых в движение электродвигателями. Обычно каждое отдельное подруливающее устройство приводится в движение собственным относительно небольшим и легким электродвигателем. Электрическая мощность может обеспечиваться любым подходящим источником. ^[5]

Преимущества распределенной силовой установки для легких самолетов с большим удлинением на солнечных батареях проиллюстрированы проектами AeroVironment HALSOL/Pathfinder / Helios , начатыми в 1983 году, и X-HALE Мичиганского университета , летающими примерно с 2012 года. ^[6] Распределение электродвигателей по размаху позволило контролировать изгиб планера в полете, что позволило конструкции быть намного легче, чем традиционный жесткий эквивалент. ^[3]

Аэроупругость

Распределение тяжелых двигательных установок по крылу позволяет облегчить конструкцию крыла. Однако их вес и тяга могут взаимодействовать с естественной тенденцией крыла к изгибу при различных нагрузках ( аэроупругость ). Это может вызвать проблемы, например, это стало основной причиной крушения исследовательского самолета НАСА «Гелиос» . Одним из исследуемых решений является использование активных аэроупругих средств управления для коррекции или даже использования изгиба крыла во время полета. ^[7]

История

Многомоторные установки стали характерной чертой самолетов с момента появления на вооружении самолета Сикорского «Илья Муромец» незадолго до Первой мировой войны. Однако большинство из них существенно не изменяют воздушный поток над крыльями и не всегда рассматриваются как распределенная тяга.

В 1963 году исследовательский самолет Hunting H.126 был построен для исследования прямого использования реактивного закрылка для движения, а летающая лодка ShinMaywa US-2 2003 года использовала выдувные закрылки для улучшения характеристик короткого взлета и посадки (КВП) и впоследствии была запущена в производство. . ^[3]

FanWing начала разработку поперечноточного вентилятора как комбинированной подъемно-движительной системы в 1997 году и в течение следующих нескольких лет эксплуатировала несколько моделей и исследовательских дронов. Последующие исследования в США были сосредоточены на использовании поперечного вентилятора, установленного в верхней задней кромке крыла, в качестве основного привода для управления пограничным слоем и движения реактивных закрылков. ^[2]

Совсем недавно в нескольких проектах беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) был изучен потенциал распределенной силовой установки для обеспечения снижения шума, топливной эффективности и производительности на коротких дистанциях. пилотируемый X-самолет X -57 Maxwell По состоянию на 2022 год в НАСА разрабатывается несколько прототипов легкого самолета Lilium Jet , а в Германии уже летало .

Список самолетов с распределенной силовой установкой

Aurora XV-24 LightningStrike : Распределенные электрические вентиляторы. Исследовательский БПЛА. Летал в 2016 году.
FanWing : Поперечный вентилятор. Серия исследовательских БПЛА.
Охотничий H.126 : Реактивный закрылок. Пилотируемый исследовательский самолет. Летал с 1963 года.
Lilium Jet : Распределенные электрические вентиляторы. Серия пилотируемых прототипов.
NASA X-57 Maxwell (Sceptor): распределенные электрические вентиляторы. Пилотируемый исследовательский самолет. Развитие остановилось.
Electra EL-2 Goldfinch : Распределенные электрические вентиляторы. Пилотируемый демонстратор. В разработке.
Whisper Aero Whisper Jet: распределенные электрические вентиляторы. Концептуальный автомобиль
Whisper Aero Whisper Jetliner: распределенные электрические вентиляторы. Концептуальный автомобиль

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Эпштейн, А.Х. (2007) «Распределенная двигательная установка: новые возможности для старой концепции» . Массачусетский технологический институт. (получено 16 июня 2022 г.).
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Ким, Хён Дэ. (2010) «Транспортные средства с распределенной двигательной установкой» , 27-й Международный конгресс авиационных наук, ICAS 2010, стр. 1–11. (получено 16 июня 2022 г.)
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Берстон и др. «Принципы проектирования и цифровое управление перспективными распределенными двигательными установками» . в: Каракоч и др. (ред.). Energy Специальный выпуск «Новые энергетические технологии и альтернативные виды топлива для авиации» , том 241, 15 февраля 2022 г.
^ Гохардани, А.С. (2013) «Синергетический взгляд на перспективы технологии распределенной двигательной установки и концепции электрического самолета для будущих беспилотных летательных аппаратов и коммерческой/военной авиации». Прогресс в аэрокосмических науках , Том 57. Февраль 2013 г. Страницы 25–70. ( Ссылка : платный доступ)
^ Ким, Хён Д. (22 июня 2020 г.). Обзор концепций распределенной электрической силовой установки для авиационных транспортных средств (PDF) (Отчет). НАСА.
^ Джонс, Джессика Икс-ХЕЙЛ: Летные испытания очень гибкого БПЛА для нелинейных аэроупругих испытаний , Мичиганский университет. (получено 17 июня 2022 г.)
^ Нхан Т. Нгуен, Нхан Т. и др. ал. (2018) «Самолет с распределенной силовой установкой и аэроупругим управлением формой крыла для повышения аэродинамической эффективности» , НАСА. (получено 26 июня 2022 г.)

[epstein-1] Перейти обратно: ^а ^б Эпштейн, А.Х. (2007) «Распределенная двигательная установка: новые возможности для старой концепции» . Массачусетский технологический институт. (получено 16 июня 2022 г.).

[kim2010-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Ким, Хён Дэ. (2010) «Транспортные средства с распределенной двигательной установкой» , 27-й Международный конгресс авиационных наук, ICAS 2010, стр. 1–11. (получено 16 июня 2022 г.)

[burston-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Берстон и др. «Принципы проектирования и цифровое управление перспективными распределенными двигательными установками» . в: Каракоч и др. (ред.). Energy Специальный выпуск «Новые энергетические технологии и альтернативные виды топлива для авиации» , том 241, 15 февраля 2022 г.

[4] Гохардани, А.С. (2013) «Синергетический взгляд на перспективы технологии распределенной двигательной установки и концепции электрического самолета для будущих беспилотных летательных аппаратов и коммерческой/военной авиации». Прогресс в аэрокосмических науках , Том 57. Февраль 2013 г. Страницы 25–70. ( Ссылка : платный доступ)

[5] Ким, Хён Д. (22 июня 2020 г.). Обзор концепций распределенной электрической силовой установки для авиационных транспортных средств (PDF) (Отчет). НАСА.

[6] Джонс, Джессика Икс-ХЕЙЛ: Летные испытания очень гибкого БПЛА для нелинейных аэроупругих испытаний , Мичиганский университет. (получено 17 июня 2022 г.)

[7] Нхан Т. Нгуен, Нхан Т. и др. ал. (2018) «Самолет с распределенной силовой установкой и аэроупругим управлением формой крыла для повышения аэродинамической эффективности» , НАСА. (получено 26 июня 2022 г.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]