АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

AERODYNAMIC ADAPTATION OF AIRCRAFT

Alexander Ermilov

Postgraduate student of the Peoples' Friendship University of Russia,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Цель статьи — выявить принципы аэродинамической адаптации летательных аппаратов. Методы: анализ, обобщение, анализ релевантной научной литературы, сравнительный анализ. Результаты: рассмотрены ключевые принципы и механизмы адаптации в аэродинамике и управлении. Вывод: адаптивные механизмы в аэродинамике и системах управления предлагают комплексный подход к улучшению летно-технических характеристик и безопасности самолета в условиях неопределенности, применяя передовые технологии и обучающие алгоритмы для динамичной и оперативной корректировки.

ABSTRACT

The purpose of the article is to identify the principles of aerodynamic adaptation of aircraft. Methods: analysis, generalization, analysis of relevant scientific literature, comparative analysis. Results: the key principles and mechanisms of adaptation in aerodynamics and control are considered. Conclusion: adaptive mechanisms in aerodynamics and control systems offer a comprehensive approach to improving the flight performance and safety of an aircraft in conditions of uncertainty, using advanced technologies and training algorithms for dynamic and operational adjustments.

Ключевые слова: аэродинамическая адаптация; устойчивость; летательный аппарат; аэродинамика; системы управления.

Keywords: stability; stability; aircraft; aerodynamics; control systems.

Несмотря на то, что у всех имеется общее представление о том, как летают самолёты, целесообразно представить ключевые принципы и механизмы адаптации в аэродинамике и управлении.

Аэродинамический профиль, наклоненный под углом к ​​движущемуся воздушному потоку, будет испытывать результирующую силу из-за аэродинамических эффектов. Эта результирующая аэродинамическая сила создается следующим:

• Снижение давления на верхнюю поверхность крыла, поскольку воздушный поток ускоряется, следуя кривизне или развалу крыла.
• Увеличение давления на нижнюю поверхность крыла за счет ударного давления составляющей воздушного потока под прямым углом к ​​нижней поверхности [2].

Около двух третей этой результирующей аэродинамической силы обусловлено уменьшением давления над верхней поверхностью крыла и около одной трети — увеличением давления на нижней поверхности [1] (рис. 1).

Рисунок 1. Распределение давления по крылу самолёта

Аэродинамическую силу, действующую на аэродинамический профиль, можно также объяснить как силу реакции, возникающую в результате скорости изменения количества движения движущегося воздушного потока под действием аэродинамического крыла, отклоняющего воздушный поток от его первоначального направления (рис. 2).

Рисунок 2. Распределение давления по крылу самолёта

Современный летательный аппарат, такой как самолёт, представляет собой систему, которая должна сохранять стабильность во время полёта. Стабильная система возвращается к своему исходному состоянию после внешнего воздействия. Нейтрально-устойчивая система сохраняет своё новое состояние после возмущения, тогда как неустойчивая система отклоняется от первоначального состояния даже при незначительном внешнем воздействии.

Ключевая проблема, вызывающая необходимость обеспечения стабильности, связана с характеристиками устойчивости и управляемости самолета по всем трем осям полета, а именно:

• Продольная устойчивость и управляемость связаны с реакцией самолета на изменение тангажа или угла атаки в зависимости от степени свободы.
• Поперечная устойчивость и управляемость зависят от поперечной оси или степени свободы качения.
• Курсовая устойчивость и управляемость зависят от оси рыскания или степени свободы направления (флюгера) [3].

Например, самолет может продолжать наклоняться носом вниз и выходить за пределы начального триммированного состояния. Затем нос снова поднимается и возвращается к дифференту, но снова промахивается. Этот процесс может продолжаться в виде серии движений кабрирования вверх и вниз. Предположим, что эти колебательные движения со временем затухают и заставляют самолет вернуться к исходному дифференту. Это затухающее колебательное движение означает, что самолет динамически устойчив (рис. 3).

Рисунок 3. Примеры стабильности, нейтральности и нестабильности летательного аппарата (самолёта)

При этом для того, чтобы быть динамически устойчивым, самолет должен быть статически устойчивым, т. е. необходимым условием динамической устойчивости является статическая устойчивость. Следовательно, статически неустойчивый самолет будет и динамически неустойчивым. Вместе с тем самолет может быть статически устойчивым и динамически неустойчивым, но все же летать, особенно если динамическая реакция достаточно медленная для того, чтобы пилот мог управлять, используя соответствующие входные сигналы управления полетом. Однако такой самолет, как правило, имеет худшие летные качества и может налагать большую нагрузку на пилота [4]. Динамическая реакция может также зависеть от веса самолета, положения центра тяжести и скорости полета [5].

Представленные базовые основы аэродинамики демонстрируют всю её сложность. Фундаментальным аспектом проектирования современных самолетов, направленным на повышение эксплуатационных характеристик, безопасности и эффективности в широком диапазоне условий эксплуатации является адаптация аэродинамики и систем управления. Эта концепция основана на способности самолета изменять своё поведение и конструкцию в ответ на любые внешние раздражители, тем самым поддерживая оптимальные эксплуатационные характеристики и стабильность системы. Основные принципы этой адаптации включают в себя интеграцию передовых материалов, интеллектуальных систем управления и алгоритмов прогнозирования для облегчения корректировки аэродинамических сил и управляющих параметров в режиме реального времени.

Суть аэродинамической адаптации заключается в динамическом изменении свойств поверхности или формы самолета для оптимизации воздушного потока и снижения лобового сопротивления, что повышает топливную экономичность и снижает выбросы вредных веществ. Адаптация систем управления направлена на корректировку управления полетом в режиме реального времени для поддержания стабильности и маневренности в условиях непредсказуемых внешних факторов. Сложные датчики и авионика непрерывно отслеживают параметры полета и окружающей среды, а усовершенствованные алгоритмы определяют оптимальные управляющие воздействия. Беспроводные системы, которые заменяют ручное управление электронными интерфейсами, облегчают точную и своевременную настройку поверхностей управления на основе анализа этих данных.

Работоспособность летательных аппаратов во многом зависит от возможностей систем навигации и управления. Чтобы максимизировать производительность, система адаптивного управления должна быть интеллектуальной. Внедрение машинного обучения и искусственного интеллекта в эти системы повышает адаптируемость к изменчивости окружающей среды и способствует переходу к автономной или полуавтономной эксплуатации воздушных судов [6]. Адаптивные механизмы в рамках аэродинамики и систем управления предлагают комплексную стратегию повышения летно-технических характеристик и безопасности воздушного судна в условиях неопределенности, используя передовые технологии и обучающие алгоритмы для динамичной, быстро реагирующей корректировки.

Список литературы:

1. Babister, A. W. Aircraft Dynamic Stability and Response: Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies // Pergamon. – 2013 –246 с.
2. Collinson, R. P. G. Aerodynamics and aircraft control. In Introduction to Avionics Systems – 2023. – С. 73-114.
3. Liu Q. et al. Enhancing aircraft engine remaining useful life prediction via multiscale deep transfer learning with limited data. Journal of Computational Design and Engineering. – 2024. – Т. 11. – №. 1. – С. 343-355.
4. Seabridge, A., & Moir, I. Design and development of aircraft systems // John Wiley & Sons. – 2020. – 363 с.
5. Wang, L., & Liu, Y. A novel method of distributed dynamic load identification for aircraft structure considering multi-source uncertainties // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2020. – Т. 61 – №5. – С. 1929-1952.
6. Zeh, T., Rosenow, J., Alligier, R., & Fricke, H. Prediction of the propagation of trajectory uncertainty for climbing aircraft // AIAA/IEEE 39th Digital Avionics Systems Conference (DASC). – 2020. – С. 1-9