Метод вибору масово-енергетичних та геометричних параметрів безпілотного літального апарату на сонячній енергії

Abstract

Робота присвячена розробці методу вибору масово-енергетичних та геометричних параметрів літака на сонячній енергії з забезпеченням тривалого польоту в умовах приземної атмосфери. Розроблено загальний аналітично-експериментальний метод визначення масово-енергетичних та геометричних параметрів літака на СЕ, що дозволяє сформувати масив основних параметрів – злітну масу, аеродинамічну якість, масу і площу сонячних панелей, масу акумулятора, навантаження на крило, площу крила, тощо – реалізація яких забезпечує тривалий політ з урахуванням умов польоту в приземній атмосфері та вимог позааеродромної експлуатації. Розроблено розрахункову модель масово-енергетичного балансу літака, шляхом врахування особливостей реалізації типових режимів польоту, законів генерації енергії Сонця, метеорологічних умов, орієнтації енергоустановки у просторі, конструктивних факторів та геометричних параметрів ЛА. Запропонована, методика визначення раціональних проектних параметрів БЛА на СЕ що основана на рішенні сукупності рівнянь описуючих умови існування ЛА. Новими є результати щодо впливу типових траєкторій та етапів польоту безпілотного літального апарату на умови забезпечення енергетичного та масового балансу літака.

Работа посвящена разработке метода выбора массово-энергетических и геометрических параметров беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии с обеспечением длительного полета в условиях приземной атмосферы. Проблема определения рациональных проектных параметров беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии является основной при создании эффективного летательного аппарата. Вследствие малой эффективности солнечных панелей вопросы многокритериальной оптимизации геометрических, аэродинамических, массовых характеристик аппарата является определяющим. Отсутствие комплексного подхода к определению рациональных массово-энергетических параметров беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии побудило автора к написанию данной работы. Автором этой работы сделана попытка проанализировать и обобщить накопленный опыт по созданию летательных аппаратов на солнечной энергии, разработать и апробировать комплексную методику определения массово-энергетических параметров летательного аппарата данного типа. Создание ЛА на СЭ это итерационный процесс формирования параметров самолета, эффективность которого зависит от решения следующих задач: выполнение условий реализации и эксплуатации самолета на СЭ (условия энергетического баланса); эффективного использования солнечного излучения, удовольствие эксплуатационных требований, выполнение условий прочности и жесткости конструкции. Разработана расчетная модель массово-энергетического баланса самолета на основе типовых режимов полета и законов генерации энергии солнца. Данная модель объединяет в себе технологические, эксплуатационные, проектные параметры и является основой для формирования алгоритма выбора параметров самолета на солнечной энергии. Усовершенствованы математические модели работы БЛА на солнечной энергии при реализации типовых маршрутов полета, в которых учитываются: массовые, аэродинамические, энергетические характеристики; траекторные, атмосферные, эксплуатационные условия. Предложена дискретная модель формирования траектории маршрута. Разработан обобщенный алгоритм определения условий реализации длительного полета БЛА на СЭ. Усовершенствована математическая модель солнечной энергоустановки при изменении степени освещения температуры и пространственной ориентации ЛА. Получен алгоритм расчета рабочих характеристик солнечной энергоустановки самолета, учитывающий: метеорологические условия; ориентацию энергоустановки в пространстве; конструктивные факторы и геометрические параметры. Сформирован критерий для рационального выбора параметров беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии, что позволяет в достаточном приближении анализировать существующие и проектные варианты летательных аппаратов данного типа, выбирать наиболее удачные и определять направления совершенствования. Создано несколько опытных образцов и проведен комплекс летных, наземных испытаний БЛА на СЭ, в том числе, его отдельных частей. Подтверждена возможность реализации ЛА на СЭ для позааэродромной эксплуатации с продолжительностью полета 4-6год. Проведена экспериментальная проверка компоновочных вариантов конструкции крыла; создано несколько прототипов самолета на солнечной энергии, с помощью которых проведен ряд экспериментов, в том числе летных.

The work is devoted to the development of a method for selecting the parameters of an unmanned aerial vehicle on solar energy with a view to ensuring a long flight in conditions of restless ground atmospheres. The design model of the mass-energy balance of the aircraft is developed, taking into account the peculiarities of the implementation of the typical flight regimes and the laws of generating solar energy. An advanced mathematical model for determining the rational parameters of an unmanned aerial vehicle on solar energy with the provision of a long flight in conditions of restless ground atmospheres. The mathematical model of the solar power installation was developed for the first time, taking into account the meteorological conditions, the orientation of the power plant in space; constructive factors and geometric parameters, and allows to determine the operational characteristics of a solar power plant of an unmanned aerial vehicle. The proposed method for determining the rational design parameters of the UAV on solar energy is based on the solution of the set of equations describing conditions of existence of the aircraft. New ones are the results of the influence of typical trajectories and flight stages of an unmanned aerial vehicle on the conditions for ensuring the energy and mass balance of the aircraft.