Оптимизация формы крыла и выбор рациональных параметров траектории многоразового космического аппарата туристического класса

Приведено решение взаимосвязанных задач оптимизации формы крыла и синтеза закона управления траекторией спуска многоразового космического аппарата туристического класса. Для обеспечения высокого аэродинамического качества крыла, увеличения его несущих свойств, а также улучшения маневренности и управляемости космического аппарата в целом проведена оптимизация формы крыла для до- и сверхзвукового режимов полета. Для дозвуковой скорости полета решена задача минимизации площади крыла при обеспечении уровня подъемной силы, достаточного для совершения посадки, с введением ограничений на минимальный угол стреловидности крыла. Для сверхзвуковой скорости полета в качестве целевой функции использована максимизация аэродинамического качества крыла. Варьируемыми переменными являлись длина и сужение крыла, угол стреловидности по передней кромке, размер корневой и концевой хорд, расположение крыла относительно фюзеляжа. Для выбранной на основе параметрического анализа формы крыла проведен расчет зависимостей аэродинамических коэффициентов космического аппарата от числа Маха, используемых для выбора рациональной программы управления спуском аппарата в атмосфере. Выбор рациональной программы управления выполнен при ограничениях на уровень перегрузок, скоростной напор и максимальный тепловой поток.

Литература

[1] Iacomino C. Towards more ambitious commercial contributions to space exploration. In: Commercial space exploration. Springer, 2019, pp. 89–95.

[2] The annual compendium of commercial space transportation. Federal Aviation Administration, 2018. 249 p.

[3] Резник С.В., Просунцов П.В., Агеева Т.Г. Оптимальное проектирование крыла суборбитального многоразового космического аппарата из гибридного полимерного композиционного материала. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2013, № 1, с. 38–42.

[4] Агеева Т.Г., Ашихмина Е.Р., Просунцов П.В. Оптимизация структуры гибридного композиционного материала для обшивки крыла многоразового космического аппарата туристического класса. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2018, № 1, с. 4–19, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2018-1-4-19

[5] Guerster M., Crawley E.F. Architectural options and optimization of suborbital space tourism vehicles. IEEE Aerospace Conf., 2018, doi: https://doi.org/10.1109/AERO.2018.8396775

[6] Seedhouse E. Suborbital. Industry at the edge of space. Chichester, Springer, 2014. 184 p.

[7] Миненко В.Е., Семененко А.Н., Шиляева Е.Н. Проектные особенности спускаемых аппаратов класса «несущий корпус». Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, № 7, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2013-7-862

[8] Dirkx D., Mooij E. Aerothermodynamics. In: Conceptual shape optimization of entry vehicles applied to capsules and winged fuselage vehicles. Springer, 2017, pp. 41–71.

[9] Skinner S.N., Zare-Behtash H. State-of-the-art in aerodynamic shape optimisation methods. Appl. Soft Comput., 2018, vol. 62, pp. 933–962, doi: https://doi.org/10.1016/j.asoc.2017.09.030

[10] Martin M.J., Andres E., Lozano C., et al. Volumetric b-splines shape parametrization for aerodynamic shape design. Aerosp. Sci. Technol., 2014, vol. 37, pp. 26–36, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2014.05.003

[11] Sivanandam S.N., Deepa S.N. Introduction to genetic algorithms. Berlin, Heidelberg, Springer, 2008. 442 p.

[12] Parsopoulos K.E. Particle swarm methods. In: Handbook of heuristics. Cham, Springer, 2018, pp. 639–685.

[13] Kirkpatrick S., Gelatt C.D., Vecchi M.P. Optimization by simulated annealing. Science, 1983, vol. 220, no. 4598, pp. 671–680, doi: https://doi.org/10.1126/science.220.4598.671

[14] Sahab M.G., Toropov V., Gandomi A.H. A review on traditional and modern structural optimization. In: Metaheuristic applications in structures and infrastructures. Elsevier, 2013, pp. 25–47.

[15] Ашихмина Е.Р., Агеева Т.Г., Просунцов П.В. Анализ температурного состояния и разработка тепловой защиты крыла многоразового космического аппарата туристического класса из гибридного композиционного материала. Тепловые процессы в технике, 2018, т. 10, № 5–6, с. 265–272.

[16] Агеева Т.Г., Дудар Э.Н., Резник С.В. Комплексная методика проектирования конструкции крыла многоразового космического аппарата. Авиакосмическая техника и технология, 2010, № 2, с. 3–8.

[17] Резник С.В., Агеева Т.Г. Сравнительный анализ конструктивно-технологического совершенства многоразовых космических аппаратов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2010, спец. вып, с. 19–34.

[18] Ашихмина Е.Р., Агеева Т.Г., Просунцов П.В. Тепловое проектирование обшивки крыла многоразового космического аппарата туристического класса. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, № 12, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2017-12-1712

[19] Лазарев Ю.Н. Управление траекториями аэрокосмических аппаратов. Самара, Самар. науч. центр РАН, 2007. 274 с.

[20] Dirkx D., Mooij E. Optimization of entry-vehicle shapes during conceptual design. Acta Astronaut., 2014, vol. 94, no. 1, pp. 198–214, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.08.006