cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-1-72-87caht-2298Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGСнижение влияния отказа двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолетаReducing the effect of engine failure on the aerodynamic performance of the light transport aircraft modelМихайловЮ. С.MikhailovYu. S.

Михайлов Юрий Степанович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ.

Жуковский

Yuri S. Mikhailov - Candidate of Technical Sciences, Chief Researcher of Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI).

Zhukovsky

mikh47@yandex.ruЦентральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic InstituteRussian Federation2024290220242717287Copyright © Михайлов Ю.С., 20242024Михайлов Ю.С.Mikhailov Y.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2298

В последнее время производители авиадвигателей проявляют повышенный интерес к разработке гибридных силовых установок (ГСУ), представляющих собой комбинацию газотурбинных двигателей (ГТД) с электродвигателями-генераторами. Использование ГСУ позволяет повысить топливную эффективность самолета, а также создать новые конфигурации с улучшенными аэродинамическими и тяговыми характеристиками. Повышение топливной эффективности достигается в результате оптимизации режима работы силовой установки под требования крейсерского полета с компенсацией недостающей мощности при взлете и уходе на второй круг за счет подключения электродвигателей с питанием от аккумуляторов. Создание новых конфигураций с улучшенными характеристиками может быть обеспечено благодаря синергетическому эффекту взаимодействия воздушных винтов с планером самолета. Успешные летные испытания опытных образцов ГСУ в компоновках легких самолетов позволяют рассчитывать на их возможное применение в будущем в проектах новых винтовых самолетов. Потенциальные преимущества применения новых силовых установок на самолетах местных авиалиний могут привести как к сокращению расхода топлива, так и к снижению выбросов углерода. Также возможно кратковременное поддержание безопасного режима полета в случае отказа одного двигателя при использовании нескольких источников энергии. Энергия, вырабатываемая электрическим генератором, подключенным к работающему двигателю, может использоваться как для привода электродвигателей концевых воздушных винтов, так и для вращения движителя отказавшего двигателя. В работе представлены результаты исследований влияния отказа критического двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета, полученные как при отсутствии, так и при наличии электрической передачи между работающим и отказавшим двигателем. Экспериментальные исследования проведены в малоскоростной аэродинамической трубе Т-102 ЦАГИ. Моделирование работы электрической трансмиссии проведено путем установки режима работы двух имитаторов силовой установки, соответствующего половинному значению коэффициента нагрузки воздушного винта Bo одного двигателя на взлетном режиме.

Recently, aircraft engine manufacturers have shown increased interest in developing hybrid powerplants, which are a combination of gas turbine engines (GTE) with electric motor-generators. The use of the hybrid powerplant makes it possible to increase the fuel efficiency of an airplane, as well as to create new configurations with improved aerodynamic and thrust characteristics. The fuel efficiency improvement is achieved as a result of optimizing the powerplant operation mode to meet the cruising flight requirements, compensating insufficient power during the takeoff and go-around procedures by activating battery-powered electric motors. The creation of new configurations with improved performance can be ensured due to the synergetic effect of the propeller-airframe interaction. Successful flight tests of the hybrid powerplant prototypes in light aircraft configurations allow us to rely on their possible application in the future regarding the projects of new propeller-driven aircraft. The potential benefits of using new powerplants on local airlines can lead to both fuel savings and carbon emission reduction. Short-term maintaining a safe flight mode is also practical in case of one engine failure when using multiple power sources. The power, generated by an electric generator connected to the running engine, can be used both for the electric motor drive of the tip propellers and for rotating the thrust producer of the failed engine. The paper presents the study results of the critical engine failure effect on the aerodynamic performance of the light transport aircraft model obtained as under available electrical transmission as under non-available one between a running and a failed engine. Experimental studies were carried out in a low-speed wind tunnel T-102 TsAGI. The simulation of the electric transmission operation was carried out by setting the operation mode of two power-plant simulators corresponding to the half value of the load factor of one engine propeller Bo in the take-off mode.

аэродинамическая трубамодель винтового самолетаотказ двигателяэлектрическая трансмиссияwind tunnelpropeller-driven aircraft modelengine failureelectric transmissionReferencesSchafer A.W., Barrett S.R.H., Doyme K. et al. Technological, economic and environmental prospects of all-electric aircraft // Journal Nature Energy. 2019. Vol. 4. Pp. 160–166. DOI: 10.1038/s41560-018-0294-xSchafer, A.W., Barrett, S.R.H., Doyme, K. et al. (2019). Technological, economic and environmental prospects of all-electric aircraft. Journal Nature Energy, vol. 4, pp. 160–166. DOI: 10.1038/s41560-018-0294-xEpstein A.H., O’Flarity S.M. Considerations for reducing aviation’s CO2 with aircraft electric propulsion // Journal of Propulsion and Power. 2019. Vol. 35, no. 3. Pp. 572–582. DOI: 10.2514/1.B37015Epstein, A.H., O’Flarity, S.M. (2019). Considerations for reducing aviation’s CO2 with aircraft electric propulsion. Journal of Propulsion and Power, vol. 35, no. 3, pp. 572–582. DOI: 10.2514/1.B37015Veldhuis L.L.M. Radical Aircraft based on hybrid-electric propulsion. Clean Sky2. TUDelft. Contribution of NOVAIR to LPA WP1.6.4 and 1.6.3 [Электронный ресурс] // zenodo.org, 17 November 2020. URL: https://zenodo.org/records/4277193 (дата обращения: 09.06.2023).Veldhuis, L.L.M. (2020). Radical Aircraft based on hybrid-electric propulsion. Clean Sky2. TUDelft. Contribution of NOVAIR to LPA WP1.6.4 and 1.6.3, 17 November. zenodo.org. Available at: https://zenodo.org/records/4277193 (accessed: 09.06.2023).Zamboni J. A method for the conceptual design of hybrid electric aircraft / J. Zamboni, R. Vos, M. Emeneth, A. Schneegans [Электронный ресурс] // AIAA Scitech 2019 Forum. 7–11 January 2019. DOI: 10.2514/6.2019-1587 (дата обращения: 09.06.2023).Zamboni, J., Vos, R., Emeneth, M., Schneegans, A. (2019). A method for the conceptual design of hybrid electric aircraft. In: AIAA Scitech 2019 Forum, 7–11 January. DOI: 10.2514/6.2019-1587 (accessed: 09.06.2023).Patterson M.D., Derlaga J.M., Borer N.K. High-lift propeller system configuration selection for NASA’s SCEPTOR distributed electric propulsion flight demonstrator [Электронный ресурс] // 16th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Washington, D.C., June 2016. DOI: 10.2514/6.2016-3922 (дата обращения: 09.06.2023).Patterson, M.D., Derlaga, J.M., Borer, N.K. (2016). High-lift propeller system configuration selection for NASA’s SCEPTOR distributed electric propulsion flight demonstrator. In: 16th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, Washington, D.C., June. DOI: 10.2514/6.2016-3922 (accessed: 09.06.2023).Klunk G.T., Freeman J.L. Vertical tail area reduction for aircraft with spanwise distributed electric propulsion [Электронный ресурс] // 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium. Cincinnati, Ohio, 9–11 July 2018. DOI: 10.2514/6.2018-5022 (дата обращения: 09.06.2023).Klunk, G.T, Freeman, J.L. (2018). Vertical tail area reduction for aircraft with spanwise distributed electric propulsion. In: 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium, Cincinnati, Ohio, 9–11 July. DOI: 10.2514/6.2018-5022 (accessed: 09.06.2023).Nguyen E., Troillard P., Jezegou J. et al. Reduction of vertical tail using differential thrust: Influence on flight control and certification [Электронный ресурс] // AEGATS 2018. France, Toulouse, October 2018. Pp. 1–8. URL: https://hal.science/hal-02183315 (дата обращения: 09.06.2023).Nguyen, E., Troillard, P., Jezegou, J. et al. (2018). Reduction of vertical tail using differential thrust: Influence on flight control and certification. In: AEGATS 2018, France, Toulouse, October, pp. 1–8. Available at: https://hal.science/hal-02183315 (accessed: 09.06.2023).Armstrong M. Stability, transient response, control, and safety of a high-power electric grid for turboelectric propulsion of aircraft / M. Armstrong, C. Ross, D. Phillips, M. Blackwelder [Электронный ресурс] // NASA/CR-2013-217865, 2013. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140000336/downloads/20140000336.pdf (дата обращения: 09.06.2023).Armstrong, M., Ross, C., Phillips, D., Blackwelder, M. (2013). Stability, transient response, control, and safety of a high-power electric grid for turboelectric propulsion of aircraft. NASA/CR-2013-217865. Available at: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140000336/downloads/20140000336.pdf (accessed: 09.06.2023).Hepperle М. Electric flight – potential and limitations [Электронный ресурс] // MP-AVT-209-09. 30 p. URL: https://elib.dlr.de/78726/1/MP-AVT-209-09.pdf (дата обращения: 09.06.2023).Hepperle, М. Electric flight – potential and limitations. MP-AVT-209-09, 30 p. Available at: https://elib.dlr.de/78726/1/MP-AVT-209-09.pdf (accessed: 09.06.2023).Duffy K.P., Jansen R.H. Partially turboelectric and hybrid electric aircraft drive key performance parameters [Электронный ресурс] // 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium. Cincinnati, Ohio, 9–11 July 2018. DOI: 10.2514/6.2018-5023 (дата обращения: 09.06.2023).Duffy, K.P., Jansen, R.H. (2018). Partially turboelectric and hybrid electric aircraft drive key performance parameters. In: 2018 AIAA/IEEE electric aircraft technologies symposium, Cincinnati, Ohio, 9–11 July. DOI: 10.2514/6.2018-5023 (accessed: 09.06.2023).Jansen R.H., Duffy K.P., Brown G.V. Partially turboelectric aircraft drive key performance parameter [Электронный ресурс] // 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 10–12 July 2017. USA, Georgia, Atlanta. DOI: 10.2514/6.2017-4702 (дата обращения: 09.06.2023).Jansen, R.H., Duffy, K.P., Brown, G.V. (2017). Partially turboelectric aircraft drive key performance parameter. In: 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 10–12 July, Atlanta, Georgia, USA. DOI: 10.2514/6.2017-4702 (accessed: 09.06.2023).Pohl M. Preliminary design of integrated partial turboelectric aircraft propulsion systems / M. Pohl, J. Köhler, H. Kellermann, M. Lüdemann, D. Weintraub, P. Jeschke, M. Hornung // Journal of the Global Power and Propulsion Society. 2022. Vol. 6, no. 1. Pp. 1–23. DOI: 10.33737/jgpps/145907Pohl, M., Köhler, J., Kellermann, H., Lüdemann, M., Weintraub, D., Jeschke, P., Hornung, M. (2022). Preliminary design of integrated partial turboelectric aircraft propulsion systems. Journal of the Global Power and Propulsion Society, vol. 6, no. 1, pp. 1–23. DOI: 10.33737/jgpps/145907Дунаевский А.И., Редькин А.В. Способ синхронизации и обеспечения симметрии тяги воздушных винтов силовой установки летательного аппарата и электрическая синхронизирующая трансмиссия для его реализации. Патент № RU 2646696, C1, B64C 11/50, B64D 31/12: опубл. 06.03.2018. 11 с.Dunaevskij, A.I., Redkin, A.V. (2018). Method of synchronization and provision of symmetry of propellers thrust of aircraft power plant and electric synchronizing transmission for its realization. Patent RU no. 2646696, C1, B64C11/50, B64D31/12: publ. March 6, 11 p. (in Russian)Михайлов Ю.С. Анализ взаимодействия воздушных винтов с планером легкого транспортного самолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2021. Т. 24, № 5. C. 76–88. DOI: 10.26467/2079-0619-2021-24-5-76-88Mikhailov, Yu.S. (2021). Analysis of the propellers-airframe interaction of the light transport aircraft. Civil Aviation High Technologies, vol. 24, no. 5, pp. 76–88. DOI: 10.26467/2079-0619-2021-24-5-76-88 (in Russian)Михайлов Ю.С. Влияние отказа двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2022. Т. 25, № 4. С. 56–69. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-4-56-69Mikhailov, Yu.S. (2021). Effect of engine failure on aerodynamic characteristics of a light transport aircraft model. Civil Aviation High Technologies, vol. 25, no. 4, pp. 56–69. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-4-56-69 (in Russian)Adu-Gyamfi B.A., Good C. Electric aviation: A review of concepts and enabling technologies [Электронный ресурс] // Transportation Engineering. 2022. Vol. 9. ID 100134. DOI: 10.1016/j.treng.2022.100134 (дата обращения: 09.06.2023).Adu-Gyamfi, B.A., Good, C. (2022). Electric aviation: A review of concepts and enabling technologies. Transportation Engineering, vol. 9, ID 100134. DOI: 10.1016/j.treng.2022.100134 (accessed: 09.06.2023).Preston R. Aerodynamics for professional pilots. 4th ed., 2010. 213 p.Preston, R. (2010). Aerodynamics for professional pilots. 4th ed., 213 p.Horling H. Control and performance during asymmetrical powered flight [Электронный ресурс] // AvioConsult. 2012. 28 p. URL: https://www.avioconsult.com/downloads/Control%20and%20Performance%20During%20Asymmetrical%20Powered%20Flight.pdf (дата обращения: 09.06.2023).Horling, H. (2012). Control and performance during asymmetrical powered flight. AvioConsult, 28 p. Available at: https://www.avioconsult.com/downloads/Control%20and%20Performance%20During%20Asymmetrical%20Powered%20Flight.pdf (accessed: 09.06.2023).Quillet D. Parallel hybrid-electric powertrain sizing on regional turboprop aircraft with consideration for certification performance requirements / D. Quillet, V. Boulanger, D. Rancourt, R. Freer, P. Bertrand [Электронный ресурс] // AIAA AVIATION Forum. 2–6 August 2021. DOI: 10.2514/6.2021-2443 (дата обращения: 09.06.2023).Quillet, D., Boulanger, V., Rancourt, D., Freer, R., Bertrand, P. (2021). Parallel hybrid-electric powertrain sizing on regional turboprop aircraft with consideration for certification performance requirements. In: AIAA AVIATION Forum. August 2–6. DOI: 10.2514/6.2021-2443 (accessed: 09.06.2023).Pope A., Barlow J.B., Rae W.H. Low-speed wind tunnel testing. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc., 1999. 728 p.Pope, A., Barlow, J.B., Rae, W.H. (1999). Low-speed wind tunnel testing. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc., 728 p.Pettersson K., Rizzi A. Aerodynamic scaling to free flight conditions: Past and present // Progress in Aerospace Sciences. 2008. Vol. 44, iss. 4. Pp. 295–313.Pettersson, K., Rizzi, A. (2008). Aerodynamic scaling to free flight conditions: Past and present. Progress in Aerospace Sciences, vol. 44, issue 4, pp. 295–313.Варюхин А.Н., Захарченко В.С., Рахманкулов Д.Я. и др. Традиционные, гибридные и электрические силовые установки самолетов местных воздушных линий // Авиационные двигатели. 2022. № 1 (14). С. 19–32. DOI: 10.54349/26586061_2022_1_19Varyukhin, A.N., Zakharchenko, V.S., Rakhmankulov, D.Ya. et al. (2022). Traditional, hybrid and electric propulsion systems of commuter aircrafts. Aviation Engines, no. 1 (14), pp. 19–32. DOI: 10.54349/26586061_2022_1_19 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.