Перейти до вмісту
Наукові вісті КПІ
ISSN 2617-5509 · e‑ISSN 2663-7472 Відкритий доступ · CC BY 4.0
Т. 137 · № 1-4 · 2024 гру 31, 2024 статті

ПРИНЦИПИ ОПТИМІЗАЦІЇ ФОРМИ БЕЗПІЛОТНИХ АПАРАТІВ ВЕЛИКОЇ ДАЛЬНОСТІ

ІН
Ігор Нестерук Відповідальний Institute of Hydromechanics, National Academy of Sciences of Ukraine, Dep. of Free boundary flows, Ukraine Україна
Опублікованогру 31, 2024
PDF
НВКПІ 1-4 ТОМ 137 · 1-4
ТОМ 137 · № 1-4 · 2024 Переглянути випуск

Анотація

Проблематика. Оптимізація характеристик безпілотних апаратів вимагає вдосконалення їхньої форми для зменшення аеро- або гідродинамічного опору. Зокрема, апарати максимальної дальності повинні мати високу економічну ефективність, а саме великі значення відношення ваги до опору. Відповідні ідеї та формули опубліковані в цьому журналі ще декілька років тому. Разом з тим, великий інтерес до безпілотних апаратів вимагає короткого викладу основних принципів та ілюстрації на конкретних прикладах, які могли би бути доступними широкому колу інженерів і менеджерів. Мета дослідження. Мета роботи – систематизувати власний доробок щодо методів збільшення комерційної інтенсивності, безвідривних тіл обертання і крил малого опору та окреслити сфери застосування для наземних, повітряних і водних апаратів великої дальності. Методика реалізації. Використано отримані раніше аналітичні формули для безвідривних тіл з урахуванням аеродинамічного опору на корпусах та опору, пов’язаного з підтриманням ваги апаратів, для ламінарного і турбулентного режимів обтікання. Результати дослідження. Отримано просте співвідношення для швидкості, об’єму та довжини корпуса оптимально апарата, що забезпечує ламінарний режим обтікання та максимальну дальність. Визначено діапазони чисел Фруда, в яких доцільно використовувати динамічну підтримку ваги. Розраховано характеристики оптимальних крил для відповідних літаків і планерів. Наведено приклад оптимального підводного апарата й запропоновано перспективну форму корпуса катера. Висновки. Форму корпусів для беспілотних апаратів слід вибирати близькою до запропонованих раніше безвідривних тіл обертання, що можуть бути також розраховані відповідно до конкретних потреб. Слід дотримуватись запропонованого співвідношення між об’ємом і довжиною корпуса, швидкістю усталеного руху та кінематичною в’язкістю повітря або води. Оптимальні крила мають мати максимальне видовження та експлуатуватись на максимально допустимих кутах атаки. Великі значення економічної ефективності відкривають перспективи досягнення великої дальності навіть у разі застосування електричних двигунів, отримання дальності від 410 км до 850 км для літаків, 420–750 км для КАБів, що скидаються з висоти 10 км, 800 - 1200 км для підводних і надводних апаратів та фактично необмеженого перебування в повітрі дирижаблів, що живляться сонячною енергією.

Посилання

  1. I. Nesteruk “Efficiency of Steady Motion and its Improvement with the Use of Unseparated and Supercavitating Flow Patterns”//Naukovi Visti NTUU “KPI”, no. 6, pp. 51–67, 2016. https://doi.org/10.20535/1810-0546.2016.6.81605
  2. http://www.clubit.tv/2014/12/worlds-smallest-rc-drone-nano-quad-copter-2/
  3. Y. Gabrielly and Th. von Karman, “What Price Speed”, Mechanical Engineering, USA, vol. 72, no. 10, pp. 775–779, 1950.
  4. I. Nesteruk, “Rigid Bodies without Boundary-Layer Separation”, Int. J. of Fluid Mechanics Research, vol. 41 (3), pp. 260–281, 2014.
  5. I. Nesteruk, G. Passoni and A. Redaelli, “Shape of Aquatic Animals and Their Swimming Efficiency”, J. Marine Biology, 2014. Article ID 470715, doi:10.1155/2014/470715
  6. I. Nesteruk, M. Brühl and Th. Möller. “Testing a special shaped body of revolution similar to dolphins trunk”. KPI Science News, no. 2, pp. 44–52, 2018. DOI: 10.20535/1810- 0546.2018.2.129140
  7. I. Nesteruk, “Maximal speed of underwater locomotion”, Innov Biosyst Bioeng, vol. 3, no. 3, pp. 152–167, 2019. Doi: https://doi.org/10.20535/ibb.2019.3.3.177976
  8. I. Nesteruk. “Fastest Fish Shapes and Optimal Supercavitating and Hypersonic Bodies of Revolution”. Innov Biosyst Bioeng, vol. 4, no. 4, pp. 169–178, 2020. doi: 10.20535/ibb.2020.4.4.215578
  9. I. Nesteruk, “Shapes of the fastest fish and optimal underwater and floating hulls”, Theoretical and Applied Mechanics Letters, 2022. https://doi.org/10.1016/j.taml.2022.100378
  10. I. Nesteruk “Special Shaped Low Drag Bodies of Revolution Without Boundary-Layer Separation and Stagnation Points on the Noses”. Conference: Topical Problems of Fluid Mechanics 2024, Prague, February 21–23, 2024. https://doi.org/10.14311/TPFM.2024.021
  11. I. Nesteruk, “Reserves of the hydrodynamical drag reduction for axisymmetric bodies”, Bulletin of Kiev University, Series: Physics & Mathematics, no.1, pp. 112–118, 2002.
  12. J. Gray, (1936), “Studies in animal locomotionVI. The propulsive powers of the dolphin”, J .Exp. Biol., vol. 13, pp. 192–199.
  13. Yu. G. Aleyev Nekton / Yu. G. Aleyev. Dr. W. Junk, “The Hague”, pp. 167–255, 1977.
  14. https://www.thetravelalmanac.com/lists/fish-speed.htm [accessed 5th June 2023].
  15. https://www.jagranjosh.com/general-knowledge/fastest-fish-in-the-world-1556626683-1 [accessed 5th June 2023].
  16. https://www.fao.org/4/ac480e/ac480e05.pdf
  17. https://en.wikipedia.org/wiki/Underwater_glider
  18. Larsson & Raven. “Ship resistance and flow. The principle of naval architecture”. 2010, SNAME.
  19. T. H. Havelock. “Wave Patterns and Wave Resistance”.Trans RINA, (1934) pp. 430–442.
  20. E.O. Tuck, J. L. Collins and W. H. Wells, “On Ship Waves and their Spectra”, J Ship Res, (1971), pp. 11–21.
  21. I. Nesteruk, S. Krile, T. Möller, “Improved Low-Drag Pontoons for Water Bikes”. J. Mar. Sci. Eng., no. 11, 1754 p., 2023. https://doi.org/10.3390/jmse11091754
  22. I. Nesteruk, “Tyrannosaurus Rex Running? Estimations of Efficiency, Speed and Acceleration”, Innovative Biosystems and Bioengineering, vol. 2, no. 1, pp. 42–48, 2018. doi: 10.20535/ibb.2018.2.1.120491
  23. https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio#Electrochemical_(galvanic)_and_electrostatic_cell_systems
  24. https://www.engineeringtoolbox.com/international-standard-atmosphere-d_985.html
  25. “Tires and Passenger Vehicle Fuel Economy: Informing Consumers, Improving Performance” – Special Report 286. National Academy of Sciences, Transportation Research Board, 2006 (PDF).
  26. Willett, Kraig. “Roller Data”. www.biketechreview.com. Retrieved 2017-08-05.
  27. D. J. Irschick and B. C. Jayne, (1999) “Comparative three-dimensional kinematics of the hindlimb for high-speed bipedal and quadrupedal locomotion of lizards”. J. Exp. Biol., no. 202, pp. 1047–1065. http://onlinelibrary.wiley.com/resolve/reference/PMED?id=2051129
  28. https://en.wikipedia.org/wiki/Lift-to-drag_ratio
  29. https://uk.wikipedia.org/wiki/Shahed_136
  30. https://www.baylor.edu/content/services/document.php/41147.pdf
  31. https://en.wikipedia.org/wiki/Eta_(glider)
  32. https://www.hybridairvehicles.com/airlander/airlander-10/
  33. “SMARTS Modeling of Solar Spectra at Stratospheric Altitude and Influence on Performance of Selected”, III–V Solar Cells (researchgate.net).
  34. https://en.wikipedia.org/wiki/Atlantic_bluefin_tuna
  35. https://sun-energy.com.ua/articles/skilky-vyroblyaye-sonyachna-panel
  36. https://www.naval-technology.com/projects/slocum-underwater-glider/?cf-view
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

МОДИФІКАЦІЯ НЕЙРОМЕРЕЖЕВОГО МЕТОДУ SPINN ДЛЯ НАБЛИЖЕНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ МІШАНОЇ ЗАДАЧІ ДЛЯ РІВНЯННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ В ЕЛІПТИЧНІЙ ОБЛАСТІ

Валерій Лось, Олександр Ряхін

Проблематика. Параболічні диференціальні рівняння є математичними моделями інженерії, призначеними для дослідження широкого кола прикладних задач. Це приводить до…

#рівняння теплопровідності #мішана параболічна задача #еліптична область #фізико-інформативна нейронна мережа
10.20535/kpisn.2026.3.367316

ДВОЕТАПНИЙ ПІДХІД ДО СЕГМЕНТАЦІЇ СУПУТНИКОВИХ ЗНІМКІВ ДЛЯ ОЦІНЮВАННЯ ПЛОЩІ АСФАЛЬТОВАНОГО ПОКРИТТЯ ПАРКОВОК

Олександр Гончарук, Надія Недашківська

Проблематика. Точна оцінка площі асфальтованих парковок є важливою для містобудування та екологічного моніторингу. Однак спектральна подібність асфальту паркувальних…

#семантична сегментація #супутникові знімки #паркінг #нейронна мережа
10.20535/kpisn.2026.3.367540

ФОРМАЛІЗАЦІЯ РОЗРІДЖЕНОГО ANP З БІНАРНИМИ ПОРІВНЯННЯМИ НА ОСНОВІ ДАНИХ У КОЛІ ОДНОРІДНИХ КОМПОНЕНТІВ ДЛЯ ПРІОРИТИЗАЦІЇ РОЗПОДІЛУ РЕСУРСІВ

Вадим Романюк

Проблематика. Задачі розподілу обмежених ресурсів між взаємозалежними однорідними об’єктами виникають у багатьох прикладних сферах — зокрема, під час конкурсного…

#розподіл ресурсів #однорідні компоненти #взаємозалежності #аналітичний мережевий процес
10.20535/kpisn.2026.3.368158