Снижение влияния отказа двигателя на аэродинамические характеристики модели легкого транспортного самолета

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 B_o одного двигателя на взлетном режиме.

1. Schafer 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-x

2. Epstein 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.B37015

3. Veldhuis 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. 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).

11. 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).

12. 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/145907

13. Дунаевский 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.

14. Михайлов Ю.С. Анализ взаимодействия воздушных винтов с планером легкого транспортного самолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2021. Т. 24, № 5. C. 76–88. DOI: 10.26467/2079-0619-2021-24-5-76-88

15. 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: 10.26467/2079-0619-2022-25-4-56-69

16. 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).

17. Preston R. Aerodynamics for professional pilots. 4th ed., 2010. 213 p.

18. 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).

19. 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).

20. Pope A., Barlow J.B., Rae W.H. Low-speed wind tunnel testing. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc., 1999. 728 p.

21. 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.

22. 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_19