Коллектив ученых из МФТИ, Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского и Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева смоделировал обтекание воздушными массами крыла экраноплана. Установлена зависимость подъемной силы от конструкции крыла и режима полета. Результаты работы опубликованы в журнале «Вестник Московского авиационного института».
Экраноплан — это летательный аппарат, который движется в воздухе благодаря экранному эффекту. Под указанным эффектом понимают резкое увеличение подъемной силы крыла вблизи так называемого экрана, то есть земной поверхности. Происходит это из-за роста давления воздуха под крылом. Давление создают отраженные воздушные массы. Во время полета они распространяются от крыла, достигают земли, отражаются и опять возвращаются к крылу.
Чтобы успеть попасть в крыло, поток воздуха должен переместиться на две высоты полета — от воздушного судна до земли и обратно — за время, в течение которого судно преодолеет отрезок пути, равный ширине крыла. Чем меньше скорость и высота полета и шире крыло, тем большее число раз воздушная волна пройдет обозначенное расстояние и надавит на крыло снизу вверх. Следовательно, сильнее будет проявляться экранный эффект.
Изменение наземного покрова не ограничивает передвижение экраноплана. Аэродинамическим экраном, а также местом базирования может выступать не только почва, но и вода, снег или лед. Судно развивает скорость до 250 км/ч на малой высоте: как правило, от 4 до 14 м. Такие технические характеристики экранопланов позволяют осуществлять грузопассажирские перевозки с низкими эксплуатационными затратами.
Оптимизация конструкции крыла открывает перспективы для выхода на новый уровень экономичности и безопасности полета. Эффективность оптимизации зависит от точности математической модели движения летательного аппарата. Группа ученых в составе Ольги Павленко, Андрея Февральских и Мухаммеда Заки Натура провела численные исследования влияния земной поверхности на обтекание воздушными массами крыла экраноплана. Для расчетов были выбраны следующие условия окружающей среды: температура — 6 °C, давление — 641,36 мм рт. ст., плотность воздуха — 1,068 кг/м3.
Ученые работали в программном пакете ANSYS Fluent, написанном на основе решений системы уравнений Навье-Стокса. Это дифференциальные уравнения, характеризующие течение жидкости или газа с учетом вязкости.
Моделирование выполнено для двух профилей крыла: NACA 5312 и Clark Y+ с неотклоненным закрылком и отклоненным во взлетное положение — на угол 20° (Рисунок 1). Оба профиля имеют одинаковую хорду, равную 0,4826 м. Хордой называют отрезок, соединяющий наиболее удаленные друг от друга точки, лежащие на носовой и хвостовой части крыла.
Рисунок 1. Расчетные профили крыла: а) NACA 5312, Clark Y+ с закрылком б) неотклоненным, в) отклоненным на угол 20°. Хорда показана штрихпунктирной линией. Источник: журнал «Вестник Московского авиационного института».
Взаимосвязь между режимом полета и подъемной силой крыла NACA 5312 ученые исследовали в ходе расчетов и экспериментов, используя метод зеркальных отображений. Прежде всего, учитывалось влияние высоты полета и угла атаки, то есть угла между вектором скорости набегающего потока и хордой профиля.
Опыты проводились в аэродинамической трубе. Для этого в ее рабочую часть зеркально установили две физические модели: крыло NACA 5312 сверху и вспомогательное — снизу. Реализация указанного метода при математическом моделировании осуществлялась путем применения плоскости симметрии. Воображаемое крыло было начерчено согласно правилам построения изображений в системе зеркал (Рисунок 2).
Рисунок 2. Исследование движения профиля крыла NACA 5312 вблизи земли: а) экспериментальная модель, б) расчетная модель. H — высота полета, b — хорда профиля, α — угол атаки. Источник: журнал «Вестник Московского авиационного института».
Результаты расчетов и опытов хорошо согласуются (Рисунок 3), что свидетельствует о точности моделирования.
Рисунок 3. Зависимость коэффициента подъемной силы Cy профиля крыла NACA 5312 от а) высоты полета H, отнесенной к хорде профиля b; б) угла атаки α. Источник: журнал «Вестник Московского авиационного института».
«Наша научная группа по результатам компьютерного моделирования установила зависимости аэродинамических характеристик крыла с выбранными профилями от параметров его положения относительно экрана», — сказал Андрей Февральских, доцент НГТУ им. Р. Е. Алексеева.
«Мы определили количественно, как на подъемную силу крыла в совокупности влияет изменение высоты над землей, угла атаки и угла отклонения закрылка», — сообщила Ольга Павленко, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского центра аэрогидродинамики ЦАГИ и сотрудник МФТИ.
«При определенном режиме полета можно увеличить подъемную силу крыла на 16–19 %», — добавил Мухаммед Заки Натур, аспирант МФТИ.
Следовательно, для модернизации конструкции экранопланов надо учитывать не только особенности устройства комплектующих, но и режим полета. Полученные учеными данные будут использованы в дальнейшем проектировании перспективных летательных аппаратов.
