Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2022, T. 3, № 3, стр. 322-328

Анализ развития отечественной и зарубежной авиации дает основание утверждать, что вес грузов, размещаемых на внешних узлах подвески самолетов, за последние сорок лет увеличился более чем в 10 раз (рис. 1). Изменились номенклатура грузов, размещаемых на внешних узлах подвески, конфигурация их размещения (рис. 2), расширился диапазон высот и скоростей их применения. При этом возникает проблема взаимной адаптации авиационных средств поражения (АСП) и самолетов, транспортирующих и применяющих их. Причиной этих проблем зачастую является интерференционное взаимодействие между летательным аппаратом (ЛА) и расположенными в непосредственной близости от него АСП.

Способов решения этих проблем несколько.

Первый – проведение исследований в аэродинамических трубах (рис. 3). Проведение экспериментальных исследований в аэродинамических трубах – трудоемкий, энергоемкий, сложный и дорогостоящий процесс. Такие трубы есть в настоящее время в Новосибирске, Жуковском, академии Можайского.

Второй способ – проведение летного эксперимента. Это тоже сложный, дорогостоящий процесс. Говорить о точности проведения подобных исследований иногда бывает сложно, так как возникают проблемы безопасности полета самолета. Известны случаи, когда при исследовании процессов отделения происходит разрушение конструкции летательного аппарата и АСП (рис. 4).

В настоящее время в связи с развитием методов математического моделирования физических процессов и появлением мощных ЭВМ при создании и модернизации самолетов и АСП для определения их аэродинамических характеристик, выполнения расчетов на прочность, исследования проблем интерференционного взаимодействия применяют расчетные программные комплексы Ansys CFX, Nastran, Fluent. Относительно недавно начали использовать при проведении исследований наш отечественный программный продукт ЛОГОС.

Методы математического моделирования проблем аэродинамики в нашей стране разрабатываются достаточно давно.

Так, например, для исследования проблем сверхзвуковой аэродинамики в ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского доктором технических наук, профессором С.А. Попыталовым в конце 70-х гг. прошлого столетия разработан метод возмущенных давлений (метод Р) [1, 2], который был успешно применен его учениками для решения ряда практически важных задач [3–5].

Суть метода Р заключается в том, что коэффициенты аэродинамических сил и моментов рассматриваемого тела в сверхзвуковом потоке зависят от коэффициентов давления в расчетных точках этого тела:

Основой использования метода возмущенных давлений является решение волнового уравнения

для коэффициента возмущенного давления где R = $\sqrt {{{{(\xi - {{\xi }_{1}})}}^{2}} - {{k}^{2}}{{{(\eta - {{\eta }_{1}})}}^{2}} - {{k}^{2}}{{{(\zeta - {{\zeta }_{1}})}}^{2}}} $, k = = $\sqrt {{{M}^{2}} - 1} $.

Задача по определению аэродинамических характеристик ЛА с внешними подкрыльевыми подвесками при сверхзвуковых скоростях полета решалась в линейной постановке.

В зависимости от типа решаемой задачи (определение сопротивления, несущих свойств) и особенностей аэродинамической компоновки при расчете аэродинамических характеристик в методе возмущенных давлений используются различные виды схематизации самолета и грузов.

Принцип схематизации заключается в том, что реальная компоновка заменяется системой базовых плоскостей S [6]. Базовые плоскости параллельны продольной оси самолета и выбираются с тем расчетом, чтобы соответствующие части поверхности самолета и грузов по форме были близки к ним (рис. 5).

Метод Р отличают относительная простота численной реализации, высокое быстродействие программ при достаточной степени точности получаемых результатов.

На рис. 6 представлено сопоставление результатов расчетов с помощью метода Р аэродинамических характеристик АСП в невозмущенном потоке. Представлены сопоставления результатов расчета c помощью метода Р коэффициентов волнового сопротивления ${{с}_{{xв}}}$ и производной коэффициента подъемной силы по углу атаки $с_{y}^{ \propto }$ с экспериментальными данными. Видно удовлетворительное соответствие результатов расчетов и экспериментов.

При решении задач, связанных с проблемами интерференционного взаимодействия летательного аппарата и АСП, с помощью метода Р в численном эксперименте показано, что величина аэродинамических сил с учетом интерференции зависит от режима полета и от положения АСП под крылом. На рис. 7 показано, как изменяются коэффициенты подъемной ${{с}_{y}}$ и боковой ${{с}_{z}}$ аэродинамических сил с учетом интерференции для АСП, расположенного в непосредственной близости от крыла самолета при его различных положениях относительно местной хорды крыла $\bar {В}\, = \,В{\text{/}}L$ при различных числах Маха. Расчеты показывают, что величина аэродинамических сил, определенных с учетом интерференции, сопоставима с весом АСП.

Важно отметить, что величина вертикальной аэродинамической силы при изменении режима полета и положения АСП относительно крыла может изменять свое направление на противоположное. Боковая сила направлена в сторону концевой части крыла, но ее величина также зависит от положения АСП под крылом и числа М полета.

С помощью метода Р решались задачи по оценке влияния интерференционных сил на процесс отделения АСП от летательного аппарата, а также задачи динамики полета ЛА при несимметричном расположении АСП под крылом [7, 8].

Появление высокопроизводительных ЭВМ и численных методов привело к появлению новых эффективных расчетных комплексов, таких как ANSYS, ЛОГОС [9].

Базой для расчетных исследований служат трехмерные электронные макеты самолетов-носителей и АСП (рис. 8), которые создаются с помощью программ КОМПАС-3D, AutoCAD, SolidWorks и других подобных программ 3D-моделирования.

Точность таких моделей ограничивается только количеством исходной информации об изучаемом объекте. Поэтому применение методов математического моделирования обеспечивает высокую точность расчетов моделей авиационной техники и очень высокую информативность получаемых результатов.

Так, на рис. 9 показаны результаты расчетов, выполненные с помощью расчетного комплекса ANSYS.

Видны области высоких и низких давлений, образующихся в результате взаимного влияния летательного аппарата и АСП, скачки уплотнения, их взаимодействие. Наличие такой информации позволит прогнозировать динамику движения АСП после отделения от крыла ЛА, объяснять особенности нагружения элементов конструкции летательного аппарата и АСП.

Расчетный комплекс ЛОГОС – первый отечественный аналог ANSYS, который позволяет решать задачи аэродинамики и прочности ЛА, в том числе с учетом интерференционного взаимодействия. Лидером в освоении этого расчетного комплекса при решении задач создания и модернизации современных ЛА в настоящее время является ПАО “Компания Сухой”.

Решение проблем интерференции, особенно с учетом деформации элементов конструкции ЛА, с помощью рассмотренных современных расчетных комплексов требует наличия мощных ЭВМ.

Вместе с тем наличие высокопроизводительных ЭВМ, современных расчетных комплексов, подготовленных для решения сложных технических проблем коллективов позволит решить широкий круг проблем, возникающих в процессе взаимного влияния между летательным аппаратом и АСП.

На рис. 10 представлен перечень задач по вопросам интерференции, которые возможно решать, используя методы математического моделирования.

Таким образом, применение методов математического моделирования на базе суперкомпьютерных технологий позволит обеспечить необходимую точность расчетов при создании и модернизации современной авиационной техники. Методы математического моделирования позволяют проанализировать поведение объекта во время эксплуатации, не прибегая к натурным испытаниям, тем самым уменьшив время разработки объекта и существенно сократив временные и финансовые затраты на проведение предварительных испытаний.