RATIONAL MOULDING OF CONSTRUCTIONAL FIGURE AND THE USABLE PROPERTIES OF THE AIRPLANE

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertran and Transport, Vol.14, No RATIONAL MOULDING OF CONSTRUCTIONAL FIGURE AND THE USABLE PROPERTIES OF THE AIRPLANE Zbgnew Klepack, Andrzej Majka Rzeszow Techncal Unverst Al. Powstaców Warszaw 8, Rzeszow, Poland tel.: , fax: e-mal: zbgklep@prz.edu.pl, andemajk@prz.edu.pl Abstract The choce of parameters of desgned arplane should take place accordng to ratonal rules, allows to evaluate of project-varants. In spte of the evdence of ths ascertanment, both the theor and the desgnng practce concentrates on the methods of seekng of solutons, and the problem of valung s maxmzed smplfed, and sometmes outrght vulgarzed. Durng that tme, t s crtera and lmtatons determne the form of unknottng, and n the effect about the commercal success of all undertakng. The schema of the general desgnng of the arplane permts to restore approxmate condtons for the real work of the arplane. Obtaned results substantall are relatve to depths of the modellng of the arplane characterstc (accurac of partal models), the end result s a compromse. Authors worked out the software for dfferent tpes of arplanes obtanng probable results of calculatons. The man elements of the defnton of the projects task, the full and reduced morphologcal board, the partal model, the mathematcal model of the arplane are llustrated n the paper. Kewords: transport, arplane desgn, modellng, optmzaton RACJONALNE FORMOWANIE POSTACI KONSTRUKCYJNEJ I CECH UYTKOWYCH SAMOLOTU Streszczene Wbór parametrów projektowanego samolotu pownen odbwa s wedug racjonalnch zasad, pozwalajcch wartocowa warant projektowe. Mmo oczwstoc tego stwerdzena, teora praktka projektowana koncentruje s na technkach szukana rozwza, za problem wartocowana jest maksmalne upraszczan, a czasem wrcz trwalzowan. Tmczasem, to krtera ogranczena stanow o postac rozwzana, a w efekce o sukcese handlowm caego przedswzca. Schemat ogólnego projektowana samolotu pozwala odtworz warunk zblone do rzeczwstego funkcjonowana samolotu, Uzskane wnk w dum stopnu zale od gbokoc modelowana wacwoc samolotu (preczj model czstkowch), rezultat kocow jest wnkem kompromsu. Autorz opracowal oprogramowane dla rónch tpów samolotów uzskujc prawdopodobne wnk oblcze. Gówne element defncj zadana projektowego, pena zredukowana tablca morfologczna, model czstkow oraz model matematczn samolotu s zlustrowane w artkule. Sowa kluczowe: transport, projektowane samolotów, modelowane, optmalzacja 1. Wstp Wspóczesn rnek lotncz, obejmujc usug transportowe, zastosowana gospodarcze wojskowe osgn pozom unemolwajc osgnce sukcesu produkcjnego handlowego prz korzstanu z tradcjnch metod projektowana. Mnogo uwarunkowa techncznch,

2 Z. Klepack, A. Majka prawnch, organzacjnch z jednej stron zoono rozwza techncznch, technologcznch eksploatacjnch unemolwa prost ocen walorów samolotu. Now, rokujc nadzej sukcesu, samolot mus gwarantowa stotn popraw wacwoc. Ow popraw uzska mona wkorzstujc: nowe osgnca aerodnamk, nowe matera technologe, nowe technk projektowana ogólnego szczegóowego. W nnejszm artkule pokaem metod odbegajcego od standardu formuowana zadana projektowego, pozwalajcego na urealnene opsu samolotu, uwzgldnene stosunkowo szerokego spektrum uwarunkowa samolotu zoonej ocen jego efektwnoc.. Stan aktualn Problematka projektowana urzdze techncznch, w tm samolotów, ma bogat lteratur. Jej krtczne szczegóowe omówene przekracza ntencj ram nnejszego artkuu. Przedstawajc wbrane pozcje (gówne podrcznk, monografe, dorobek wasn) dla zlustrowana problemu wskaem stotne kweste zwzane z tematem artkuu. Zmenne deczjne Parametrczn model zadana Ogranczena Zadana Krtera wboru Rs. 1. Gówne element defncj zadana projektowego Fg. 1. The man elements of the defnton of the projects task Tpowe formuowane zadana projektowego wnka z postac warunków techncznch ustalanch dla nowego wrobu. Najczcej jest to zestaw wmaga dotczcch wacwoc lotnch, mas mar jakoc rozwzana, prz nejednoznaczne zdefnowanm zadanu lotnm (punkce oblczenowm). Sformuowane take odpowada modelow jednokrteralnej optmalzacj z ogranczenam w postac: F mn f xd x, (1) gdze: D - zbór rozwza dopuszczalnch, spenajcch ogranczena wnkajce z Warunków Techncznch. Tak posta zadana projektowego spotka moem w wkszoc opracowa dotczcch projektowana samolotów [1,, 6, 9, 10, 13, 14, 3, 8, 9, 3,33]. Charakterzuje je prostota sformuowana, atwo nterpretacj, ale równe newstarczajca zdolno odtworzena ocen jakoc rozwzana warunków utkowana. W rzeczwstoc ocena jakoc rozwzana jest zoona, bazuje na welu, z regu sprzecznch, krterach czstkowch. Uwzgldnene welu krterów odpowada zadanu optmalzacj welokrteralnej w postac: 7

3 Ratonal Mouldng of Constructonal Fgure and the Usable Propertes of the Arplane x x 1 s F opt F f,..., f. () xd Operator ocen cznej opt( ) agregujc ocen czstkowe pownen odtwarza sstem wartocowana potencjalnego odborc samolotu, ne pomjajc prz tm preferencj producenta. Sposób agregacj jest neobektwn, wnka z ndwdualnch preferencj projektanta, czasem obektwzowanch poprzez odpowedne badana preferencj szerszego grona ekspertów utkownków. W lteraturze tak sposób opsu zadana projektowego spotkan jest znaczne rzadzej [7, 8]. Kolejnm elementem opsu warunków utkowana samolotu jest jego welozadanowo. Samolot w trakce utkowana realzuje zadana o znacznm rozrzuce cech geometrcznch (dugocach wsokocach przelotu), masach adunku utecznego, a czasem rónch rodzajach adunku zwzanego z nm wposaena dodatkowego. Welozadanowo samolotu jest uwzgldnana do rzadko [4, 5, 4] mmo stotnego wpwu na posta rozwzana [15, 16, 17, 19, 0]. Wznaczane zboru zada realzowanch przez now samolot, utkowan jako jeden z welu tpów wstpujcch na rnku przewozów lotnczch stanow oddzelne zoone zagadnene [19, 0, 1, ] pomnte w nnejszm artkule, bdze bowem tematem nnego wstpena na Konferencj. W dalszej czc artkuu przedstawm sformuowane zadana projektowego, uwzgldnajcego welokrteraln ocen efektwnoc welozadanowo. 3. Ogóln model matematczn zadana projektowego projektowana uwzgldnajc cech samolotu wmenone w rozdzale, mus b uzupenon dodatkowm zaoenam: wkonalnoc w ramach przjtej technolog, korzstanu z najlepszej wedz umejtnoc konstruktora na etapach szczegóowego projektowana, zasad kompozcj br samolotu. 1 3 Schemat aerodnamczn lczba pooene paat 3 3 obrs 4 5 usterzena 5 ukad 6 1 podwoze tp elementu jezdnego czteropodporowe koowe pozowe koowo-pozowe tarczowe gsenncowe poduszka powetrzna pwakowe 7 ukad kaduba gondola normaln dwubelkow dwukadubow odzow non zespó napdow tp slnka lo pooene slnków w nosowej w centralnej w tlnej czc kaduba czc kaduba czc kaduba u nasad skrzde na skrzdle mnow parow tokow turbo- (wsokoprn) mgow turboodrzutow turboodrzutow dwuprzepwow strumenow na kocach na plonach w tlnej skrzde nad skrzdem pod skrzdem czc kaduba 4 pod kadubem raketow na palwo ceke raketow na palwo stae kombnowan 4 na plonach 4 u nasad 4 w tlnej rozdzeln pod skrzdem pod skrzdemczc kaduba (dla STOL) Rs.. Pena zredukowana tablca morfologczna Fg.. The full and reduced morphologcal board 73

4 Z. Klepack, A. Majka Ostatne z wmenonch zaoe wmaga pewnego wjanena. Rs. Przedstawa fragment tablc morfologcznej, uwzgldnajcej gówne cech samolotu. Wersze odpowadaj cechom samolotu, kolumn warantom cech. Ilo stopn swobod konstruktora (lo nezalench warantów samolotu) w ogólnm przpadku opsuje zaleno Dla penej tablc z rs. 1 dostanem W n w. (3) 1 n , (4) j1 W w warantów samolotu. Po redukcj mao prawdopodobnch cech pozostaje do rozpatrzena n (5) j1 W w33515 Jest to zdecdowane za dua lczba warantów, unemolwajca rozsdne porównane cech samolotów w rónch ukadach. Koneczna jest dalsza redukcja warantów rozwza, umolwajcch zbudowane wzgldne prostego modelu postac (sntez) samolotu. Dla tak uwarunkowanego zadana projektowego, model wboru rozwzana mona opsa zalenoc: t xx u xx u F opt F f,,, t,..., f,,, t, (6) xx Y u U 1 s gdze: F - funkcjona (operator) cznej ocen samolotu, f --ta czstkowa funkcja krteralna, x - wektor parametrów projektowch, (X jest zborem dopuszczalnch zmennch deczjnch, X R n ), - wektor zadana Y (Y jest zborem zada (zewntrznm, nezalenm od konstruktora) Y R ), m x - wektor kompletacj konfguracj samolotu dla zadana, k u t - wektor sterowa x X R, U R u t U z dopuszczalnego zboru sterowa r realzujcch zadana lotne opsane zalenocam: z - wektor wspórzdnch fazowch Z m kocowm, zt0 Z0, tk k u t U, x Y, z Z, z z, x, x, u t,t, (7) R, z warunkam pocztkowm z Z oraz ogranczenam - wektor -tej realzacja zadana o elementach 1,..., m m, - lczba parametrów charakterzujcch jednoznaczne -te zadane lotne,, 74

5 j Ratonal Mouldng of Constructonal Fgure and the Usable Propertes of the Arplane - j-ta cecha -tego zadana. Dla dowolnego samolotu x moem wznacz zgodne z (6)-(7) ogóln czstkowe ocen jakoc samolotu. Zadane projektowe opsane równanem (6) ma zoon struktur. Opsuje zagadnene optmalzacj meszanej (statcznej dnamcznej). Rozwzane takego zadane jest nezwkle pracochonne ne zawsze molwe. W praktce projektowej dokonuje s neformalnej dekompozcj zadana (6), wdzelajc zadane statczne, rozwzwane dla zadanch tpowch (zaoonch) sterowa: * * F extr f x, p, x,, u t,..., f x, p, x,, u t, (8) xx, p P, xx, Y * u t U, 1 n oraz dnamczne, w którm parametr statczne zadana s znane z rozwzana (8), za poszukwane s optmalne sterowana: " * * * * * * F extr f x, p, x,, u t,..., f x, p, x,, u t. (9) * x X, * p P, * x X, Y u t U, 1 n Rozwzujc sekwencjne (8) (9) uzskujem wnk w rozsdnej lczbe przble, z regu jest to bowem proces szbko zben. 4. matematczn wacwoc samolotu Rozwzane zadana ogólnego (6) lub dekomponowanego (8) mona zrealzowa dowoln metod (np. prób bdów), acz we wspóczesnch realach oczwste wdaje s wkorzstane modelowana matematcznego maszn cfrowch. e matematczne cech samolotu maj wted ogóln posta (10) (rs. ): 1 x, p, x,,,,..., 0. (10) p x z,j x j j Rs. 3. czstkow Fg. 3. The partal model Ogólna posta modelu matematcznego samolotu ma wc posta (rs. 4): MMS x, p, x,, z, G, A, M, N, L, D, T, K 0, (11) 75

6 Z. Klepack, A. Majka za defncje model czstkowch: G x, p, x,, N 0 - geometr, K x, p, x,, G, A, M, N, LT, 0 - krterów, T x, p, x,, M, L, D 0 - zadana, D x, p, x,, G, A, M, N, L 0 - dnamk, L x, p, x,, G, A, M, N, D 0 - wacwoc lotnch,,,,,,,,,,, 0 - zespou napdowego A x, p, x,, G, M, N, L, D, T, K 0 - aerodnamk. N x p x G A M L D T K, Zmenne deczjne geometra aerodnamk masow wacwoc lotnch zespou napdowego zadana lotnego krterów zada Rs. 4. matematczn samolotu Fg. 4. The mathematcal model of the arplane ten wprzgnt w odpowedn procedur szukana (optmalzacj) pozwala na wbór parametrów samolotu w molwe szerokm zakrese realzujcego zaoena projektowe. A tm samm gwarantujcego sukces rnkow. 5. Uwag wnosk Omówon w artkule schemat ogólnego projektowana samolotu pozwala odtworz warunk zblone do rzeczwstego funkcjonowana samolotu. Uzskane wnk w dum stopnu zalee bd od gbokoc modelowana wacwoc samolotu (preczj model czstkowch). Rezultat kocow bdze wnkem rozsdnego kompromsu mdz preczj model praco- czasochonnoc przgotowana oprogramowana, danch wejcowch oblcze. 76

7 Ratonal Mouldng of Constructonal Fgure and the Usable Propertes of the Arplane Autorz opracowal przetestowal oprogramowane realzujce przedstawon schemat postpowana, dla rónch tpów samolotów uzskujc prawdopodobne (po czc zwerfkowane praktczne) wnk oblcze. Z uwag na ogranczon objto artkuu, przkadowe wnk przedstawone zostan w wstpenu konferencjnm. Lteratura [1] Anderson, J. D., Arcraft Performance and Desgn, McGraw-Hll, [] Badagn, A. A., Muchamedow, F. A., Projektrowane legkch samoletow, [3] Badagn,.., Eger.., et al., Projektrowane samoletow, Moskwa, Masznostrojene, [4] Brusow, W., Optmalzacja parametrów samolotów welocelowch, Wdawnctwo Insttutu Lotnctwa, Warszawa, [5] Brusow, W.., Baranow, S. K., Optmalnoje projektrowane letatelnch apparatow, Mnogocelewoj podchod, Moskwa, Masznostrojene, [6] Eger, S. M., et al., Projektrowane samoletow, Moskwa, Masznostrojene, [7] Eger, S. M., et al., Osnow awtomatzrowannogo projektrowanasamoletow, Moskwa, Masznostrojene, [8] Eger, S. M., et al., Projektrowane samoletow. Moskwa, ogos, 005. [9] Goroszczenko, B. T., Et al., Eskznoje Projektrowane samoleta, Moskwa, Masznostrojene,, [10] Hale, F. J., Introducton to Arcraft Performance Selecton and Desgn, [11] Howe, D., Arcraft Conceptual Desgn Snthess, 000. [1] Jencquel, C., Konzeptuntersuchungen zu Transportflugzeugen mt Antreben, 001. [13] Jenknson, L. R., Arcraft Desgn Projects for Engneerng Students, 003. [14] Jenknson, L. R., Smpkn, P., Rhodes, D., Cvl Jet Arcraft Desgn, [15] Klepack, Z., Wbór najlepszego tpu samolotu jako zagadnene welokrteralnego porzdkowana zboru dostpnch tpów, III Smpozjum Naukowe Problem techncznoeksploatacjne w ksztacenu plotów. Dbln, , t.1, z. 1, str , [16] Klepack, Z., Optmzacja sstem legkch transportnch samoletow, Projektuwanha, wrobnctwo ta ekspluaatacja awtotranportnch zasobw pojezdb. Prac zahdnogo naukkowogo centru, Transportna Akademja Ukran META, Lww, str 96-98, [17] Klepack, Z., Poloptmalna snteza samolotu welocelowego, Matera XV Ogólnopolskej Konferencj Poloptmalzacja Komputerowe Wspomagane Projektowana, MIELNO 97. str , [18] Klepack, Z., Wbór najlepszego tpu samolotu jako zagadnene welokrteralnego porzdkowana zboru dostpnch tpów. III Smpozjum Naukowe "Problem techncznoeksploatacjne w ksztacenu plotów. Dbln, , t.1, z. 1, str , [19] Klepack, Z., Majka, A., Znaczene struktur zboru zada w projektowanu sstemu welozadanowego, Polske Towarzstwo Mechank Teoretcznej Stosowanej, Mechanka w Lotnctwe ML-IX 000, s 07-14, Warszawa, 000. [0] Klepack, Z., Zawene zboru zada w optmalzacj samolotu welozadanowego, Matera XVII Ogólnopolskej Konferencj Poloptmalzacja I Komputerowe Wspomagane Projektowana, Zeszt Naukowe Wdz. Mechancznego Poltechnk Koszalskej, str , Melno, [1] Majka, A., Dobór parametrów samolotu poprawajcego efektwno lotnczego przedsborstwa transportowego, III Mdznarodowa Konferencja Naukowa TBRD 03, Katowce-Ustro,

8 Z. Klepack, A. Majka [] Majka, A., Optmalzacja parametrów konstrukcjnch oraz przewdwanch charakterstk eksploatacjnch lekkch samolotów transportowch, Rozprawa doktorska, Poltechnka Rzeszowska, Rzeszów, 000. [3] Kopaczkjew, I. N., Problem korotkogo bzleta samoleta, Moskwa, Masznostrojene, [4] Kranz, O., Konfguratonslegung von Verkehrsflugzeugen unter Beruckschtgung hres Enzatzspektrum, Berln [5] Majka, A., Dobór parametrów samolotu poprawajcego efektwno lotnczego przedsborstwa transportowego, III Mdznarodowa Konferencja Naukowa TBRD 03, Katowce-Ustro, 003. [6] Majka, A., Optmalzacja parametrów konstrukcjnch oraz przewdwanch charakterstk eksploatacjnch lekkch samolotów transportowch, Rozprawa doktorska, Poltechnka Rzeszowska, Rzeszów, 000. [7] Pjawskj,.., Brusow,.., Chwon,.., Optmzacja napametrow mnogocelewch apparatow, Moskwa, Masznostrojene,1974. [8] Ramer, D. P., Arcraft Desgn. A Conceptual Approach. AIAA Educaton Seres, Washngton, [9] Roskam, J., Arplane Desgn, Part I -VII, The Unverst of Kansas, [30] Stnton, D., Desgn of the Arplane, Blackwell Scence, [31] Stnton, D., The Anathom of the Arplane, [3] Torenbeek, E., Snthess of Subsonc Arplane Desgn, Kulwer Academc Publshers, Dordrecht/ Boston/ London 198. [33] Torenbeek, E., Fundamentals of Conceptual Desgn Optmzaton of Subsonc Transport Arcraft, Delft,