EXPERIENCE IN THE DESIGN OF SMALL-SIZE GAS-TURBINE ENGINES FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES

M. О. КАТРЕНКО; Г. О. СТРЕЛЬНІКОВ; Н. С. ПРЯДКО

Автор(и)

M. О. КАТРЕНКО Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України, 15, вул. Ляшко-Попеля, Дніпро, 49005, Україна; e-mail: Katrenko.M.O@nas.gov.ua
Г. О. СТРЕЛЬНІКОВ Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України, 15, вул. Ляшко-Попеля, Дніпро, 49005, Україна
Н. С. ПРЯДКО Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України, 15, вул. Ляшко-Попеля, Дніпро, 49005, Україна

Ключові слова:

повітряно-реактивний двигун, питомі параметри, безпілотний літальний апарат, тяга, витрата пального, масові характеристики, дальність, агрегатний склад, схема.

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.035

Об'єктом дослідження є повітряно-реактивні двигуни малої тяги, які використовуються у безпілотних та пілотованих літальних апаратах, силових та енергетичних установках тощо. Проведений огляд існуючих зразків авіаційної техніки, в яких використані повітряно-реактивні двигуни малої тяги різних типів. Розглянуті основні конструктивні та принципові схеми газотурбінних двигунів у діапазоні сили тяги, що розвивається в межах від 100 Н до 3000 Н. Подано огляд досвіду проєктування, створення і використання повітряно-реактивних двигунів у складі безпілотних літальних апаратів різноманітного призначення. Визначені особливості існуючих зразків двигунів малої тяги. Показана необхідність уточнення, доповнення та упорядкування параметричних даних повітряно-реактивних двигунів малої тяги стосовно їх можливої уніфікації. Наведені тягові та питомі характеристики зразків двигунів, що виробляються, та тенденції їх зміни. Коректність методичних підходів до проведеного дослідження верифікована за результатами інших авторів.

Мета проведеного дослідження полягає у визначенні основних напрямків проєктування, створення та тенденцій розвитку і використання повітряно-реактивних двигунів малої тяги для безпілотних літальних апаратів.

Новизна проведеного дослідження полягає в отриманні нових даних щодо впливу параметрів безпілотного літального апарата, призначення та умов польоту на вибір типу газотурбінного двигуна малої тяги, його агрегатного складу та основних характеристик. Отримані результати дозволяють встановити області зміни значень параметрів робочого процесу двигунів при формуванні технічного завдання та проєктування основних агрегатів і двигуна в цілому.

Практичні значення приведених результатів полягає в можливості використання отриманих даних у процесі проєктування малорозмірних газотурбінних двигунів для безпілотних літальних апаратів, а також для уточнення розрахункових методик.

ПОСИЛАННЯ

1. Халатов А. А, Немчін О. Ф, Шквар Є. О., Кузьмін А. В., Кобзар С. Г. Бойові малорозмірні безпілотні літальні апарати з реактивною тягою: монографія. під ред. академіка НАН України, А. А. Халатова. Дніпро: Ліра, 2023. 144 с.

2. Handbook of Unmanned Aerial Vehicles / ed. Valavanis K. P., Vachtsevanos G. J. Dordrecht, Netherlands: Springer Netherlands, 2015. 3022 p. URL: https://dh8.kr/workshop/sejong_control/Handbook_of_Unmanned_Aerial_Vehicles.pdf (дата звернення 10.03.2025).

3. Arjomandi M. Classification of unmanned aerial vehicles. Adelaide, Australia: University of Adelaide, 2007. P. 48. URL: https://www.academia.edu/2055673/Classification_of_Unmanned_Aerial_Vehicles (дата звернення 10.03.2025).

4. Classification of the Unmanned Aerial Systems | GEOG 892: Unmanned Aerial Systems [Electronic resource]. URL: https://www.e-education.psu.edu/geog892/node/5 (дата звернення 10.03.2025).

5. Oktay T., Coban S. A review of tactical unmanned aerial vehicle design studies // The Eurasia Proceedings of Science, Technology, Engineering & Mathematics (EPSTEM). Antalya, Turkey: ISRES Publishing, 2017. Vol. 1. P. 30–35. URL: http://www.epstem.net/tr/download/article-file/361494 (дата звернення 10.03.2025).

6. Coban S., Oktay T. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) According to Engine Type. J. Aviat. 2018. URL: https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/598807 (дата звернення 10.03.2025). https://doi.org/10.30518/jav.461116

7. Chin W. J., Sern V. C. Y. Unmanned aerial vehicle: Development trends & technology forecast. DSTA Horizons. 2005. Vol. 1. P. 20–37. URL: https://www.researchgate.net/publication/293115444_Unmanned_aerial_vehicle_Development_trends_technology_in_Singapore (дата звернення 10.03.2025).

8. Zhang B. et al. Overview of Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles. Energies. 2022. Vol. 15, № 2. P. 455. https://doi.org/10.3390/en15020455

9. Brelje B. J., Martins J. R. R. A. Electric, hybrid, and turboelectric fixed-wing aircraft: A review of concepts, models, and design approaches. Prog. Aerosp. Sci. 2019. Vol. 104. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2018.06.004

10. Hassanalian M., Abdelkefi A. Classifications, applications, and design challenges of drones: A review. Prog. Aerosp. Sci. 2017. Vol. 91. P. 99–131. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2017.04.003

11. Lidor A., Weihs D., Sher E. Novel Propulsion Systems for Micro Aerial Vehicles. J. Propuls. Power. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2019. Vol. 35, № 1. P. 243–267. https://doi.org/10.2514/1.B36930

12. Birch G. C., Griffin J. C., Erdman M. K. UAS Detection, Classification, and Neutralization: Market Survey 2015: SAND2015-6365. Livermore, CA, US: Sandia National Laboratories, 2015. P. 74. https://doi.org/10.2172/1222445

13. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С. М. Шляхтенко. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1987. 568 с.

14. Dutczak J. Micro turbine engines for drones propulsion. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 148, № 1. P. 012063. https://doi.org/10.1088/1757-899X/148/1/012063

15. Герасименко В. П. Теорія авіаційних двигунів. Підручник. Харків: Нац. аерокосм. ун-т “Харк. авіац. ін-т,” 2003. 199 p.

16. Jet Central: miniature jet engines for the seriuos flyer [Electronic resource]. Jet Central. URL: https://jetcentral.com.mx/ (дата звернення 15.09.2022).

17. Ростопчин В. В. Микро-ТРД для беспилотных летательных аппаратов. Беспилотная Авиация. 2005. 15 с. URL: https://www.researchgate.net/publication/348540913_Analiz_konstrukcii_i_ocenka_harakteristik_mikro-TRD (дата звернення 10.03.2025).

18. Minijets.org. Jet engine from 0 to 100 Kg thrust Class [Electronic resource] // Minijets. URL: https://minijets.org/en/0-100 (дата звернення 10.03.2025).

19. Sehra A. K., Shin J. Revolutionary Propulsion Systems for 21st Century Aviation: NAS 1.15:212615. Cleveland, Ohio, US: NASA Glenn Research Center, 2003. P. 13. URL:https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20040001042/downloads/20040001042.pdf (дата звернення 7.10.2003).

20. Пономарев Б. А. Настоящее и будущее авиационных двигателей. М.: Воениздат, 1982. 240 с. URL: https://libarch.nmu.org.ua/handle/GenofondUA/79097 ( дата звернення 10.03.2025).

21. Двигатели 1944 – 2000: авиационные, ракетные, морские, промышленные. М.: ООО “АКС-конверсалт”, 2000. 464 с.

22. Иностранные авиационные двигатели: справочник / под общ. ред. Л. И. Соркина. М.: Изд. дом «Авиамир», 2000. 534 с.

23. Connors J. The engines of Pratt & Whitney: a technical history / Ned Allen, editor-in-chief. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 2010. 561 p. URL: https://doi.org/10.2514/5.9781600867293.0000.0000 (дата звернення 7.10.2023). https://doi.org/10.2514/5.9781600867293.0000.0000

24. Elodie Roux. Turbofan and Turbojet Engines: Database Handbook. Blagnac, France, 2007. 596 p. URL: https://compress-pdf-free.obar.info/ (дата звернення 10.03.2025).

25. Leyes R. A. II, Fleming W. A. The history of North American small gas turbine aircraft engines. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Reston, Virginia. 1999. Р. 673–688. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/The-History-of-North-American-Small-Gas-Turbine-Leyes-Fleming/ (дата звернення 7.10.2003). https://doi.org/10.2514/4.473326

26. James St. Peter, The history of aircraft gas turbine engine development in the United States: a tradition of excellence. International Gas Turbine Institute of the American Society of Mechanical Engineers. Atlanta, Georgia. 1999. 592 p. URL: https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA211347.pdf ( дата звернення 10.03.2025)

27. Sullivan K. H, Milberry L. Power: The Pratt and Whitney Canada Story. Toronto, CANAV Books. 1989. 320 p.

28. Turbomeca 1938 – 1988. Cinquante annees de progress continus dans les turbo-machines. Bordes. Realisation Service Documention Turbomeca. 1989. 116 p. URL: https://openlibrary.org/show-records/marc_loc_2016/BooksAll.2016.part30.utf8:127974393:801 (дата звернення 10.03.2025).

29. Wilkinson P. H. Aircraft Engines of the World 1966/1967. International, Pan American and Universal – 304 p. URL: https://raes.soutron.net/Portal/Default/en-GB/RecordView/Index/57630 (дата звернення 10.03.2025).