Decision support modeling in the procedure of increasing load capacity and flight efficiency of transport category aircraft modifications

Abstract

Enhancing flight efficiency is a pressing issue in the development of the aircraft manufacturing industry. Aircraft manufacturers in Europe, the USA, China, and Ukraine are following this path of improvement for such aircraft, as it is the most economically efficient approach. This method significantly reduces the time required for design, prototype production, flight testing, and the start of operation of the first units. At the National Aerospace University "KhAI", the Department of Aircraft and Helicopter Design has established a school focused on implementing necessary modification changes in transport category aircraft. The distinctive feature of this approach is that only outdated parameters of a well-proven baseline aircraft are modified, while the majority of the parameters are carried over to the modification from the original version. This foundation underpins the research presented in this publication. The research aims to develop parametric models to support decision-making during the preliminary design stage for enhancing the load capacity and flight efficiency of transport category aircraft modifications. Research methods: a method of changes assessing in wing induced drag with modifications in its planform shape; a method of "payload-range" characteristics creation. The object of the research is the development of parametric models to support decision-making during the preliminary design stage of transport category aircraft modifications. The following results were obtained a package of models was developed, including: ensuring the specified load capacity and "payload-range" characteristics; a temporal model of parameter changes in modifications considering the time frame for modifications; cost indicators for changes at individual stages and throughout the entire life cycle; representation of modifications in terms of their competitiveness; formation of wing geometric shapes with minimal induced drag at a given lift; ensuring that the takeoff and landing characteristics of modifications remain at the level of the baseline aircraft; coordination of wing lift coefficients and engine throttle characteristics to ensure minimum fuel consumption in cruise flight mode. Each model serves as a tool to address the main tasks of increasing load capacity and the range of useful payload transport at the moment of modification introduction and throughout its entire life cycle. Examples of real modification changes in domestic transport aircraft, such as the An-32, An-32B, and An-132U, demonstrate that using the proposed decision support models during the preliminary design stage has ensured their competitiveness throughout their operational life. Practical significance of the obtained results: Based on the developed models, the load capacity and flight efficiency of modifications like the An-32 and An-32B have been increased, and the parameters of the An-132U modification with Motor Sich engines have been optimized, surpassing the load capacity and flight efficiency of all other analogs of light military transport aircraft. Scientific novelty of the obtained results: For the first time, a method was developed to minimize induced drag during cruise flight with the required lift force, i.e., for a given load, allowing an increase in the range of modified aircraft.

Підвищення ефективності польотів є актуальною проблемою розвитку літакобудування. Цим шляхом удосконалення таких літаків йдуть виробники літаків Європи, США, Китаю та України, оскільки це найбільш економічно ефективний підхід. Такий спосіб значно скорочує час на проектування, виготовлення дослідного зразка, льотні випробування та введення в експлуатацію перших екземплярів. У Національному аерокосмічному університеті імені М. Є. Жуковського «ХАІ» на кафедрі проектування літаків та вертольотів створено школу, спрямовану на впровадження необхідних модифікаційних змін у літаках транспортної категорії. Відмінною рисою цього підходу є те, що модифікуються лише застарілі параметри добре перевіреного базового літака, а більшість параметрів переноситься на модифікацію літака з базової версії літака. На цій основі побудовано дослідження, представлені в цій публікації. Цілі дослідження. Дослідження спрямоване на розробку параметричних моделей для підтримки прийняття рішень на етапі попереднього проектування щодо підвищення вантажопідйомності, рейсової продуктивності модифікацій літаків транспортної категорії. Методи дослідження: метод оцінки зміни індуктивного опору крила при зміні його геометричної форми вигляду в плані; метод побудови характеристик "вантаж - дальність". Об’єктом дослідження є розробка параметричних моделей підтримки прийняття рішень на етапі попереднього проектування модифікацій літаків транспортної категорії. Отримано наступні результати, розроблено пакет моделей, що включає: забезпечення заданої вантажопідйомності та характеристик "вантаж - дальність", часова модель змін параметрів у модифікаціях з урахуванням часових рамок для модифікацій; вартісні показники змін як на окремих етапах створення модифікації літака, так і протягом усього життєвого циклу літального апарату; представлення модифікацій літака з точки зору їх конкурентоспроможності; формування геометричних форм крила з мінімальним наведеним індуктивним опором при заданій підйомній силі; забезпечення злітно-посадкових характеристик модифікацій літака на рівні їх характеристик базових літаків; узгодження коефіцієнтів підйомної сили крила і дросельних характеристик двигуна для забезпечення мінімальних витрат палива в крейсерському режимі польоту. Кожна модель є інструментом для забезпечення основних завдань по збільшенню вантажопідйомності та дальності транспортування корисного вантажу на момент впровадження модифікації літака та протягом усього її життєвого циклу. Приклади реальних модифікаційних змін вітчизняних транспортних літаків, таких як Ан-32, Ан-32Б, Ан-132У, демонструють, що використання запропонованих моделей підтримки прийняття рішень на етапі попереднього проектування забезпечило їх конкурентоспроможність літаків протягом усього терміну експлуатації. Практичне значення отриманих результатів: На основі розроблених моделей підвищено вантажопідйомність і рейсової продуктивності модифікацій типу Ан-32 і Ан-32Б, а також сформовано параметри модифікації літака Ан-132У з двигунами «Мотор Січ», що перевершують за вантажопідйомністю і рейсовою продуктивністю всі інші аналоги легких військово-транспортних літаків. Наукова новизна отриманих результатів: Вперше розроблено метод мінімізації наведеного індуктивного опору під час крейсерського польоту з необхідною підйомною силою, тобто при заданому навантаженні, для збільшення дальності модифікованого літака.