Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ И МОМЕНТА

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и предназначено для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов при испытании их в аэродинамических трубах.

Устройство может также использоваться при гидродинамических испытаниях моделей судов в опытных бассейнах и каналах.

К числу основных видов экспериментов в аэродинамических трубах относится эксперимент по определению суммарных аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов.

Основным средством измерения являются многокомпонентные аэродинамические весы, которые измеряют составляющие векторов аэродинамической силы и момента по осям принятой системы координат.

В соответствии с принципом действия различают механические и тензометрические весы.

Механические весы (см. Авиация. "Большая Российская энциклопедия". Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е.Жуковского, Москва, 1994, стр.134) состоят из жесткой рамы (расположена за границами потока аэродинамической трубы) и связанных между собой рычажных систем, удерживающих ее в положении равновесия; выходные звенья рычажных механизмов соединены с динамометрами, измеряющими составляющие векторов аэродинамической нагрузки. Модель крепится на раме при помощи растяжек, представляющих собой ленты профилированного сечения, ориентированные вдоль потока. Рама имеет замкнутую форму, охватывающую поток аэродинамической трубы.

По своему функциональному назначению рама суммирует нагрузки, действующие на модель, а также на ленты, и при помощи рычажной системы нагрузки раскладываются на составляющие по осям координат и измеряются динамометрами.

Основной недостаток механических весов, являющихся аналогом предлагаемого решения, состоит в суммировании аэродинамических нагрузок, действующих на модель и ленты. В результате характеристики модели оказываются искаженными. Степень искажений растет по мере совершенствования аэродинамических форм летательных аппаратов.

Для уменьшения искажений и повышения точности определения аэродинамических характеристик модели проводят специальные эксперименты по определению поправок на влияние лент.

Для этого в "пустой" трубе при отсутствии модели измеряются составляющие аэродинамической нагрузки, действующей на ленты в широком диапазоне скоростей потока. Результаты измерений после соответствующей обработки используются в качестве поправок.

Учитывая, что характеристики модели с лентами и поправки определяются в различных опытах, точность определения характеристик модели падает. Кроме того, эксперименты по определению поправок требуют дополнительных затрат, что, в свою очередь, снижает экономическую эффективность испытаний.

Наиболее близким является устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента - тензометрические весы (см. В.В.Богданов, B.C.Волобуев. Многокомпонентные тензометрические весы. "Датчики и системы", 2004, №3, стр.3), состоящие из упругого тела, динамометрических элементов и тензорезисторов, преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы.

Динамометрические элементы ориентированы так, чтобы деформация элемента, вызванная соответствующей составляющей векторов аэродинамической силы и момента, была максимальной. Тензометрические весы представляют собой стержневую конструкцию, размещаемую внутри испытываемой модели, к одному концу весов крепится испытываемая модель, а другой конец соединен с державкой и через нее - с механизмом изменения углового положения модели.

Важно отметить, что компоновка тензовесов с моделью и державкой является консольной с одной точкой опоры на державке.

Недостаток тензометрических весов данной компоновки, являющейся прототипом предлагаемого решения, состоит в том, что указанные весы не могут быть непосредственно использованы в схеме с ленточной подвеской модели, имеющей две точки опоры на носовую и хвостовые ленты.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Техническим результатом является нечувствительность тензометрических весов к аэродинамическим нагрузкам, действующим на ленты.

Результат достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, содержащем многокомпонентные тензометрические весы, жестко соединенные с испытываемой моделью, опору, опора выполнена в виде ленточной подвески, состоящей из носовой и хвостовой лент, а между опорами на лентах и тензометрическими весами установлена промежуточная рама, изготовленная в виде вилки с сегментовидными зубьями, между которыми размещены тензометрические весы плоской конструкции, и которые вместе с весами в поперечном сечении образуют окружность диаметром D, причем один конец весов соединен с основанием вилки, а на другом конце установлена модель, при этом рама опирается на носовую и хвостовые ленты при помощи двух втулок, одна из которых соединяет носовую ленту с основанием вилки, а другая проходит через весы и соединяет хвостовые ленты с зубьями вилки так, что между весами и втулкой образуется кольцевой зазор, величина которого выбирается большей, чем максимальная расчетная деформация весов и рамы под нагрузкой, а отношение поперечного размера b весов к диаметру D описанной окружности лежит в пределах . В результате весы с закрепленной на них моделью представляют консольную компоновку, свободную от действия любых других сил, кроме аэродинамических, приложенных к модели, а нагрузки, действующие на ленты, замыкаются на промежуточную раму.

Для более подробного пояснения принципа действия предлагаемого устройства на фиг. 1 приведена его компоновка.

На фиг. 2 показана схема деформирования весов и рамы под действием составляющих Y и M_Z.

Устройство состоит из весов 1, снабженных двумя посадочными конусами 2 и 3, промежуточной рамы 4 в виде вилки с сегментами 5 и основанием 6; носовой ленты 7, двух хвостовых лент 8, втулок 9 и 10, соединяющих раму с носовой и хвостовыми лентами соответственно. Один конец весов при помощи посадочного конуса 3 соединен с основанием 6 рамы, а к другому концу при помощи посадочного конуса 2 крепится испытываемая модель 11. Между весами 1 и втулкой 10 образован кольцевой зазор 12.

Устройство работает следующим образом. Измеряемые составляющие X, Y, Z, М_X, M_Y, M_Z векторов аэродинамической силы и момента от модели 11 через посадочный конус 2 воздействуют на шестикомпонентные тензометрические весы 1, представляющие собой два динамометрических элемента 13, 14. Элемент 13 предназначен для измерения продольной силы X, элемент 14 измеряет остальные составляющие аэродинамической силы и момента.

Благодаря наличию кольцевого зазора 12 все составляющие полностью воспринимаются весами и измеряются без каких-либо искажений. Далее через посадочный конус 3 составляющие замыкаются на промежуточную раму 4, выполненную в виде вилки. Рама через втулки 9 и 10 удерживается в положении равновесия реакциями опор со стороны носовой 7 и хвостовых 8 лент.

Действие составляющих аэродинамической нагрузки вызывает сложную пространственную деформацию весов и рамы, которая обычно рассчитывается на ЭВМ методом конечного элемента. Вместе с тем, наибольшая аэродинамическая нагрузка приходится на две составляющие - нормальную силу Y и продольный момент M_Z, действующие в вертикальной плоскости. В этой же плоскости реализуются максимальные деформации весов и рамы. На фиг. 2 показана схема деформации весов и рамы под действием составляющих Y и M_Z.

На схеме приняты следующие обозначения: 1 - рама, 2, 3 - шарнирные опоры на носовую и хвостовые ленты, 4 - весы, 5 - абсолютно жесткая скоба, имитирующая модель, Δ - вертикальное смещение оси отверстия в весах под втулку 10. Смещение Δ обусловлено деформацией весов и деформацией рамы. Смещение Δ рассчитывается так, чтобы его максимальная величина не выходила за пределы кольцевого зазора 12. Задачей расчета является также минимизация Δ при заданном диаметре D описанной окружности весов и рамы.

При такой постановке минимальная величина Δ получается при определенном отношении поперечного размера весов b к диаметру описанной окружности D, лежащем в пределах . В нашем случае минимум достигается при .

Положительный результат заключается в том, что паразитная осевая сила, действующая между лентами, замыкается через раму и не оказывает влияния на измерение продольной аэродинамической силы X, что приводит к повышению точности измерения.