RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2555610.22363/2312-8143-2020-21-3-166-174Aviation and rocket and space technologyАвиационная и ракетно-космическая техникаResearch ArticleAssessment of wing deformation influence on airload determination at the initial design stagesВлияние учета деформации крыла при определении аэродинамических нагрузок на начальных этапах проектированияBaranovskiSergey V.БарановскиСергей Владиславович

postgraduate student, assistant lecturer of the Department SM-13 Rocket and Space Composite Structures of the Bauman MSTU

аспирант, ассистент кафедры СМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ имени Н.Э. Баумана

konst_mi@mail.ruMikhaylovskiyKonstantin V.МихайловскийКонстантин Валерьевич

Associate Professor of the Department SM-13 Rocket and Space Composite Structures of the Bauman MSTU; Candidate of Science (Eng.)

доцент кафедры СМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ имени Н.Э. Баумана; кандидат технических наук

konst_mi@mail.ruBauman Moscow State Technical University (National Research University of Technology)Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)15122020213VOL 21, NO3 (2020)ТОМ 21, №3 (2020)16617429012021Copyright ©; 2020, Baranovski S.V., Mikhaylovskiy K.V.Copyright ©; 2020, Барановски С.В., Михайловский К.В.2020Baranovski S.V., Mikhaylovskiy K.V.Барановски С.В., Михайловский К.В.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/25556

At designing aircraft, much attention is given to the wing, as one of the most critical elements of the airframe. It is necessary to have a clear-eyed outlook at response sequence, efficiency of various factors and calculation features on the receipt timing and quality of the result. In addition, the design of a structural element is a complex multidisciplinary task affecting various fields of science, which is complicated by the use of polymer composite materials. In the furtherance of solving the urgent task of the methods of designing of a polymer composite wing, it is necessary to determine the influence of wing deformation on the airload used in the calculation and determination of product parameters. Methods of designing of a polymer composite wing used at the initial stages and taking into account the choice of the external appearance, justification of the structural arrangement and load-bearing elements. The paper considers the flow of air over the wing of a passenger airliner and analyzes the pressure values for various flight modes. A comparison is made of the initial theoretical wing surface and deformed during flight, and the difference in loading of the considered options is determined. A future methodology of polymer composite wing design based on parametric modelling will take these results into account and make use of them.

При проектировании самолетов большое внимание уделяется крылу как одному из наиболее ответственных элементов планера. Во время разработки необходимо иметь четкое представление о последовательности действий, степени влияния различных факторов и особенностей расчета на сроки получения и качество результата. Кроме того, само проектирование такого элемента конструкции является сложной комплексной мультидисциплинарной задачей, затрагивающей различные области науки, которая значительно усложняется с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ). В рамках решения актуальной задачи по составлению методики проектирования крыла из ПКМ, применяемой на начальных этапах и учитывающей выбор внешнего облика, обоснование конструктивно-силовой схемы и отдельных силовых элементов, необходимо определить степень влияния деформации крыла на получаемые нагрузки, используемые при расчете и определении параметров изделия. В работе рассмотрено обтекание воздушным потоком крыла пассажирского авиалайнера и проанализированы величины давления при различных режимах полета. Проведено сравнение исходной теоретической поверхности крыла и деформированной при полете, а также определено различие в нагружении рассмотренных вариантов. Результаты будут учтены и использованы при составлении методики проектирования крыла из ПКМ на основе параметрического моделирования.

airlinerwingairloadaerodynamic pressingairfoil flowfinite elementsавиалайнеркрылоаэродинамические нагрузкиаэродинамическое давлениеобтекание поверхностиконечные элементыGagnon H, Zingg DW. High-fidelity aerodynamic shape optimization of unconventional aircraft through axial deformation. 52nd Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum (National Harbor, 2014). AIAA Paper. 2014-0908. p. 1−18.Gagnon H., Zingg D.W. High-fidelity Aerodynamic Shape Optimization of Unconventional Aircraft through Axial Deformation // 52nd Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech Forum (National Harbor, 2014). AIAA Paper. 2014-0908. Pp. 1-18.Zlenko NA, Kursakov IA. Optimizatsiya geometrii uzla podveski motogondoly pod krylom passazhirskogo samoleta na osnovanii chislennykh raschetov s ispol'zovaniem uravnenii RANS [Geometry optimization of motor-gondola attachment lug under the wing of passenger aircraft based on numerical calculations using RANS equations]. TsAGI Science Journal. 2015;46(5):21−38. (In Russ.)Зленко Н.А., Курсаков И.А. Оптимизация геометрии узла подвески мотогондолы под крылом пассажирского самолета на основании численных расчетов с использованием уравнений RANS // Ученые записки ЦАГИ. 2015. Т. 46. № 5. С. 21-38.Bragin NN, Bolsunovskiy AL, Buzoverya NP, et al. Issledovaniya po sovershenstvovaniyu aerodinamiki vzletno-posadochnoi mekhanizatsii kryla passazhirskogo samoleta [Research on improvement of high lift devices aerodynamics of passenger plane]. TsAGI Science Journal. 2013;44(4):1−14. (In Russ.)Брагин Н.Н., Болсуновский А.Л., Бузоверя Н.П., Губанова М.А., Скоморохов С.И., Хозяинова Г.В. Исследования по совершенствованию аэродинамики взлетнопосадочной механизации крыла пассажирского самолета // Ученые записки ЦАГИ. 2013. Т. 44. № 4. С. 1-14.Hann R. UAV Icing: Comparison of LEWICE and FENSAP-ICE for Ice Accretion and Performance Degradation. 2018 Atmospheric and Space Environments Conference, AIAA Aviation Forum (Atlanta, 2018). AIAA Paper. 2018-2861. p. 1–8.Hann R. UAV Icing: Comparison of LEWICE and FENSAP-ICE for Ice Accretion and Performance Degradation // 2018 Atmospheric and Space Environments Conference, AIAA Aviation Forum (Atlanta, 2018). AIAA Paper. 2018-2861. Pp. 1-8.Borisova NA, Goryachev DV, Koshcheyev AB. Otsenka aerodinamicheskikh kharakteristik letatel'nogo apparata pri polete v usloviyakh obledeneniya [Evaluation of aerodynamic characteristics of the aircraft during flight in icing conditions]. TsAGI Science Journal. 2014; 45(6):43–49. (In Russ.)Борисова Н.А., Горячев Д.В., Кощеев А.Б. Оценка аэродинамических характеристик летательного аппарата при полете в условиях обледенения // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. 45. № 6. С. 43-49.Schütte A. Numerical investigations of the vortical flow on swept wings with round leading edges. 34th AIAA Applied Aerodynamics Conference (Washington, 2016). AIAA Paper. 2016-4172. p. 1–45.Schütte A. Numerical investigations of the vortical flow on swept wings with round leading edges // 34th AIAA Applied Aerodynamics Conference (Washington, 2016). AIAA Paper. 2016-4172. Pp. 1-45.Barber TJ, Doig G, Beves C, Watson I, Diasinos S. Synergistic integration of computational fluid dynamics and experimental fluid dynamics for ground effect aerodynamics studies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G. Journal of Aerospace Engineering. 2012;226(6):602–619.Barber T.J., Doig G., Beves C., Watson I., Diasinos S. Synergistic integration of computational fluid dynamics and experimental fluid dynamics for ground effect aerodynamics studies // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G. Journal of Aerospace Engineering. 2012. Vol. 226. No. 6. Pp. 602-619.Ageev ND. Chislennoe issledovanie sovmestnogo vliyaniya strelovidnosti perednei kromki kryla i radiusa zakrugleniya nosika profilya na aerodinamicheskie kharakteristiki kryla pri sverkhzvukovykh skorostyakh [A numerical study of the joint effect of wing leading edge sweep and the profile nose radius of curvature of the on the wing aerodynamic characteristics at supersonic speeds]. Proceedings of MIPT. 2013;5(4):3–10. (In Russ.)Агеев Н.Д. Численное исследование совместного влияния стреловидности передней кромки крыла и радиуса закругления носика профиля на аэродинамические характеристики крыла при сверхзвуковых скоростях // Труды МФТИ. 2013. Т. 5. № 4. С. 3-10.Gorbunov VG, Dets DO, Zhelannikov AI, Setukha A.V. Modelirovanie obtekaniya samoletov na bol'shikh uglakh ataki vikhrevym metodom [Flow over aircraft simulation by using the discrete singularity method]. Civil Aviation High Technologies. 2012;177:10−13. (In Russ.)Горбунов В.Г., Дець Д.О., Желанников А.И., Сетуха А.В. Моделирование обтекания самолетов на больших углах атаки вихревым методом // Научный вестник МГТУ ГА. 2012. № 7. С. 10-13.Lyu Z, Martins JRRA. Aerodynamic Shape Optimization of an Adaptive Morphing Trailing Edge Wing. Journal of Aircraft. 2015;52(6):1951−1970.Lyu Z., Martins J.R.R.A. Aerodynamic Shape Optimization of an Adaptive Morphing Trailing Edge Wing // Journal of Aircraft. 2015. No. 52 (6). Pp. 1951-1970.Schuhmacher G, Murra I, Wang L, Laxander A, O’Leary OJ, Herold M. Multidisciplinary Design Optimization of a Regional Aircraft Wing Box. 9th AIAA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, Multidisciplinary Analysis Optimization Conferences (Atlanta, 2002). AIAA Paper. 2002-5406. p. 1–10.Schuhmacher G., Murra I., Wang L., Laxander A., O’Leary O.J., Herold M. Multidisciplinary Design Optimization of a Regional Aircraft Wing Box // 9th AIAA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, Multidisciplinary Analysis Optimization Conferences (Atlanta, 2002). AIAA Paper. 2002-5406. Pp. 1-10.Caixeta PR, Marque SFD. Neural network metamodel-based MDO for wing design considering aeroelastic constraints. 51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Structures, Structural Dynamics, and Materials and Co-located Conferences (Orlando, 2010). AIAA Paper. 2010-2762. p. 1–10.Caixeta P.R., Marque S.F.D. Neural network metamodel-based MDO for wing design considering aeroelastic constraints // 51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Structures, Structural Dynamics, and Materials and Co-located Conferences (Orlando, 2010). AIAA Paper. 2010-2762. Pp. 1-10.Lukyanov OE, Ostrovoy AV, Mendes Soto MA, Klimov EA, Shakhov VG. Osobennosti aerodinamicheskikh kharakteristik bespilotnykh letatel'nykh apparatov s krylom bol'shogo udlineniya [Special characteristics of aerodynamic properties of unmanned aircraft with the high-aspect-ratio wing]. Civil Aviation High Technologies. 2018;21(01):30−39. (In Russ.)Лукьянов О.Е., Островой А.В., Мендес Сото М.А., Климов Е.А., Шахов В.Г. Особенности аэродинамических характеристик беспилотных летательных аппаратов с крылом большого удлинения // Научный Вестник МГТУ ГА. 2018. Т. 21. № 1. С. 30-39.Xiangyu Gu, Ciampa PD, Nagel B. High fidelity aerodynamic optimization in distributed overall aircraft design. 17th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, AIAA Aviation Forum (Washington, 2016). AIAA Paper. 2016-3508. p. 1−19.Xiangyu Gu, Ciampa P.D., Nagel B. High fidelity aerodynamic optimization in distributed overall aircraft design // 17th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, AIAA Aviation Forum (Washington, 2016). AIAA Paper. 2016-3508. Pp. 1-19.Reznik SV, Prosuntsov PV, Mikhailovsky KV, Shafikova IR. Material science problems of building space antennas with a transformable reflector 100 m in diameter. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 4th International Conference on Advanced Composites and Materials Technologies for Arduous Applications, ACMTAA 2015, 2016. p. 1–10Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovsky K.V., Shafikova I.R. Material science problems of building space antennas with a transformable reflector 100 m in diameter // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 4th International Conference on Advanced Composites and Materials Technologies for Arduous Applications, ACMTAA 2015, 2016. 10 p.Prosuntsov PV, Reznik SV, Mikhaylovskii KV, Belenkov ES. Multiscale modeling of the binder polymer composite materials heating using microwave radiation. Journal of Physics Conference Series. 2018;1134:012048. doi: 10.1088/1742-6596/1134/1/012047.Prosuntsov P.V., Reznik S.V., Mikhaylovskii K.V., Belenkov E.S. Multiscale modeling of the binder polymer composite materials heating using microwave radiation // Journal of Physics Conference Series. 2018. Vol. 1134. 012048. doi: 10.1088/1742-6596/1134/1/012047.Reznik SV, Prosuntsov PV, Mikhailovsky KV. Thermal regime of large space structure with transformable elements from hybrid composite. Journal of Physics: Conference Series. 7th International Conference on Functional Nanomaterials and High Purity Substances, FNM. 2018:1–8.Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovsky K.V. Thermal regime of large space structure with transformable elements from hybrid composite // Journal of Physics: Conference Series. 7th International Conference on Functional Nanomaterials and High Purity Substances, FNM. 2018. 8 p.Mikhailovskiy KV, Baranovski SV. Metodika proektirovaniya kryla iz polimernykh kompozitsionnykh materialov na osnove parametricheskogo modelirovaniya. Ch. 1. Obosnovanie vybora geometricheskikh razmerov i raschet aerodinamicheskikh nagruzok na krylo [The Methods of Designing a Polymer Composite Wing Using Parametrical Modeling. Part 1. The Rationale for Selecting Wing Geometry and the Calculation of Airloads]. Маchine Building. 2016;11:86–98. (In Russ.)Михайловский К.В., Барановски С.В. Методика проектирования крыла из полимерных композиционных материалов на основе параметрического моделирования. Ч. 1. Обоснование выбора геометрических размеров и расчет аэродинамических нагрузок на крыло // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 11 (680). С. 86-98.Mikhailovskiy KV, Baranovski SV. Metodika proektirovaniya kryla iz polimernykh kompozitsionnykh materialov na osnove parametricheskogo modelirovaniya. Ch. 2. Proektirovanie silovoi konstruktsii [The Methods of Designing a Polymer Composite Wing Using Parametrical Modeling. Part 2. Design of the load bearing structure]. Маchine Building. 2016;12:106–116. (In Russ.)Михайловский К.В., Барановски С.В. Методика проектирования крыла из полимерных композиционных материалов на основе параметрического моделирования. Ч. 2. Проектирование силовой конструкции // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 12 (681). С. 106-116.Mikhaylovskiy KV, Baranovski SV. Opredelenie aerodinamicheskikh nagruzok na krylo s uchetom osnovnykh elementov avialainera pri parametricheskom modelirovanii [Determining aerodynamic loads affecting an aircraft wing during parametric modelling taking the main airliner components into account]. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series: Mechanical Engineering. 2018;5:15–28. (In Russ.)Михайловский К.В., Барановски С.В. Определение аэродинамических нагрузок на крыло с учетом основных элементов авиалайнера при параметрическом моделировании // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2018. № 5. С. 15-28.