Метод анализа статической аэроупругости крыла беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии с учетом геометрической нелинейной деформации
Авторы: Чэнь Лэй , Стрелец Д.Ю.
Опубликовано в выпуске: #7(175)/2026
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция, производство, испытания и эксплуатация летательных аппаратов
Предложен интегрированный метод анализа, связывающий статическую аэроупругость и эффективность поглощения солнечной энергии с учетом упругости конструкции и ярко выраженных нелинейных деформаций конструкции беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на солнечной энергии с крылом большого удлинения. На примере такого крыла проведено сравнение результатов линейного и нелинейного анализа, выполнена оценка энергетического баланса для суточного полета в день летнего солнцестояния. Результаты показывают, что геометрическая нелинейность приводит к значительным изгибно-крутильным деформациям крыла. По сравнению с линейным методом нелинейный расчет демонстрирует существенное изменение аэродинамических характеристик, при этом отклонение потребной мощности для горизонтального полета достигает 21,6 %. Хотя относительное влияние деформации на захват солнечного излучения невелико (0,8 %), абсолютная потеря энергии за день превышает 400 Вт×ч, что критично для БПЛА с низким энергопотреблением. Проведенное исследование подтверждает необходимость учета эффектов нелинейной аэроупругости на начальном этапе проектирования для точной оценки летных характеристик и возможностей выполнения требований технического задания.
EDN KHYRKM
Литература
[1] Zhang J., Xiang J. Nonlinear Aeroelastic Response of High-Aspect-Ratio Flexible Wings. Chinese Journal of Aeronautics, 2009, vol. 22, no. 4, pp. 355–363. DOI: 10.1016/S1000-9361(08)60111-9
[2] Самойловский А.А. Методика формирования облика беспилотных летательных аппаратов с силовой установкой на солнечной энергии: дис. … канд. техн. наук. Москва, МАИ, 2016, 147 с.
[3] Ma D., Zhang L., Yang M., et al Review of key technologies of ultra-long endurance solar powered unmanned aerial vehicle. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, vol. 41, no. 3, paper 623418. DOI: 10.7527/S1000-6893.2019.23418
[4] Zhao S., Yang Y., Zhou L., Zhang Z. Nonlinear static aeroelastic analysis and optimization for high-altitude solar-powered UAV with large aspect ratio. IEEE Access, 2023, vol. 11, pp. 36970–36979. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3235482
[5] Coggin J.M., Kapania R.K., Zhao W. et al. Nonlinear aeroelastic analysis of a truss braced wing wind tunnel model. 55th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (13–17 January 2014; National Harbor, Maryland). DOI: 10.2514/6.2014-0335
[6] Погосян М.А., Лисейцев Н.К., Стрелец Д.Ю. Проектирование самолетов. 5-е изд., перераб. и доп. Москва, Инновационное машиностроение, 2018, с. 864.
[7] Гунчин В.К., Больших А.А., Устинов Б.Е. Разработка и апробация методики численного моделирования аэроупругого состояния крыла на основе методов конечных элементов и контрольных объемов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, вып. 7. DOI: 10.18698/2308-6033-2023-7-2291
[8] Безуевский А.В., Ишмуратов Ф.З. Влияние квазистатических деформаций на характеристики аэроупругости самолета с крылом большого удлинения. Вестник Московского авиационного института, 2022, т. 24, № 4, с. 14–25.
[9] Безуевский А.В. Особенность характеристик статической и динамической аэроупругости летательных аппаратов с крылом большого удлинения: дис. … канд. техн. наук. Жуковский, ЦАГИ, 2019, 151 с.
[10] Братухин А.Г., Серебрянский С.А., Стрелец Д.Ю. [и др.] Цифровые технологии в жизненном цикле российской конкурентоспособной авиационной техники. Москва, Изд-во МАИ, 2020, 448 с. ISBN 978-5-4316-0694-6. EDN ZGQVGN.
[11] Амирьянц Г.А., Зиченков М.Ч., Карабухов С.И. [и др.] Аэроупругость. Москва, Инновационное машиностроение, 2019, 650 с.
[12] Xie C., Wang L., Yang C., Liu Y. Static aeroelastic analysis of very flexible wings based on non-planar vortex lattice method. Chinese Journal of Aeronautics, 2013, vol. 26, no. 3, pp. 514–521. DOI: 10.1016/j.cja.2013.04.048
[13] Xie C., Liu Y., Yang C., Cooper J.E. Geometrically nonlinear aeroelastic stability analysis and wind tunnel test validation of a very flexible wing. Shock and Vibration, 2016. ID 5090719. DOI: 10.1155/2016/5090719
[14] Patil M.J., Hodges D.H. On the importance of aerodynamic and structural geometrical nonlinearities in aeroelastic behavior of high-aspect-ratio wings. Journal of Fluids and Structures, 2004, vol. 19, no. 7, pp. 905–915. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2004.04.012
[15] Hodges D.H. Geometrically exact, intrinsic theory for dynamics of curved and twisted anisotropic beams. AIAA Journal, 2003, vol. 41 (6), pp. 1131–1137. DOI: 10.2514/2.2054
[16] Hermanutz A., Hornung M. Aeroelastic wing platform design optimization of a flutter constrained wing. Aerospace, 2020, vol. 7, no. 45. DOI: 10.3390/aerospace7040045
[17] Katz J., Plotkin A. Low-Speed Aerodynamics. 2nd ed. Cambridge University Press, Cambridge, 2001, 629 p. ISBN 978-0-521-66219-2
[18] Bathe K. Finite Element Procedures. Prentice Hall, New Jersey, 1996, 1037 p. ISBN 0-13-301458-4
[19] Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчеты механических конструкций в системе MSC. PATRAN-NASTRAN. Москва, Изд-во МИИТ, 2003, ч. І., 130 с.
[20] Tomas Melin. A Vortex Lattice MATLAB Implementation for Linear Aerodynamic Wing Applications. Royal Institute of Technology (KTH), 2000. URL: https://www.researchgate.net/publication/238671899