Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для исследования нестационарных аэродинамических характеристик модели в аэродинамической трубе

Изобретение относится к области экспериментальных исследований летательных аппаратов в аэродинамических трубах.

Для исследования нестационарных аэродинамических характеристик летательных аппаратов (ЛА) в настоящее время используются испытания аэродинамических моделей в аэродинамических трубах (АДТ) [Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения//Москва. Машиностроение - 1979, стр. 31-35]. При этом применяются как методы вынужденных колебаний моделей, так и испытания при свободных колебаниях моделей, в том числе и на упругом шарнире.

При вынужденных колебаниях модель либо движется вместе с колеблющейся державкой [Экспериментальные исследования нестационарных аэродинамических характеристик изолированных крыльев в условиях срыва потока, Жук А.Н., Колинько К.А. и др., Препринт №86, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, 1997], либо закрепляется на шарнире и приводится в движение внешней тягой [Стенд для определения вращательных производных аэродинамических сил и моментов модели в аэродинамической трубе, Маслов Л.А., Вишневский Г.А. и др., патент РФ №2515127, от 10.05.2014]. Главным недостатком такого метода испытаний является высокая мощность, которую необходимо подводить к модели с поддерживающим устройством для движения модели с большой частотой и амплитудой, в частности, при испытаниях в АДТ сверхзвуковых скоростей, а также деформация поддерживающих устройств под действием больших приводящих в движение модель сил, что снижает точность экспериментальных исследований.

Известно устройство для испытаний модели ЛА при свободных колебаниях, в котором модель закрепляется на державке с помощью шарнира с датчиком угла и силоизмерительным элементом с возможностью свободного поворота в заданных пределах [Устройство для испытаний моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах, Лагутин В.И., Быков М.А., патент РФ 2539763, от 27.01.2015]. Механизмом установки и пуска с приводом в виде пневмоцилиндра, расположенном внутри державки, управляемым дистанционно, модель поворачивается на заданный угол относительно державки, а затем освобождается и совершает свободные колебания на шарнире. Основным недостатком такого метода испытаний является возможность проводить измерения только в области балансировочных углов атаки и скольжения модели, а также то, что для моделирования безразмерных частот колебания модели она должна быть динамически подобна, при этом испытания проводятся при одном значении частоты колебаний.

В качестве прототипа рассмотрим устройство для исследования нестационарных аэродинамических характеристик модели, содержащее державку, упругий шарнир с тензометрическим датчиком измерения угла поворота модели и пятикомпонентными тензовесами, и устройство взвода-сброса модели, с пневмоприводом, расположенным внутри державки [Беговщиц В.Н., Кабин С.В., Колинько К.А., Нуштаев П.Д., Храбров А.Н., Ученые записки ЦАГИ №3-4/том XXVII/1996, Метод свободных колебаний на упругом шарнире для исследования нестационарных аэродинамических производных при трансзвуковых скоростях потока]. Основным недостатком указанного устройства является то, что его упругий шарнир выполнен в виде системы упругих балок и должен быть достаточно гибким для обеспечения упругих колебаний модели относительно его оси, значительно ограничивает возможную величину аэродинамических нагрузок, действующую на модель, что приводит к необходимости проведения испытаний в узком диапазоне углов атаки и скольжения моделей, при малых значениях скоростного напора в АДТ, а для некоторых типов и компоновок ЛА делает испытания невозможными. Существенным недостатком устройства является то, что в случае поломки балок упругого шарнира модель оказывается незакрепленной в потоке АДТ, что может привести к ее отделению от поддерживающего устройства, и последующему разрушению модели и повреждению АДТ. Поскольку упругий шарнир устройства выполнен неразъемным с пятикомпонентыми тензовесами, для проведения испытаний модели с несколькими заданными частотами колебаний, необходимо изготавливать, тарировать и аттестовывать несколько упругих шарниров с тензовесами с соответствующими параметрами жесткости, что значительно удорожает испытания и замедляет их, вследствие необходимости перемонтажей узла упругого шарнира целиком. Кроме того, используемая кинематическая схема упругого шарнира в виде расположенных накрест упругих балок, приводит к смещению истинной оси колебаний модели относительно теоретической, что ухудшает точность проводимых измерений.

Техническим результатом является расширение типов и компоновок испытуемых моделей ЛА, увеличение скоростей потока и чисел Рейнольдца в АДТ за счет возможности увеличения действующих на модель аэродинамических нагрузок, повышение безопасности проведения испытаний, повышение точности измерений за счет уменьшения смещения истинной оси колебаний модели от теоретической, получение возможности точного моделирования безразмерной частоты колебаний модели при не динамически подобных моделях, уменьшение стоимости испытаний при нескольких значениях заданных частот колебаний.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования нестационарных аэродинамических характеристик модели в АДТ, содержащем державку, упругий шарнир с тензометрическим датчиком измерения угла поворота модели и тензовесами, кронштейн для крепления модели, устройство взвода-сброса модели, шарнир выполнен с подшипниками, установленными вдоль оси колебаний модели и одной, или несколькими парами упругих элементов, при этом упругие элементы установлены с предварительным напряжением и могут быть выполнены сменными, а жесткость каждого элемента определяется по формуле с=ω_i² J_i/(2 N h²), где ω_i - заданная круговая частота колебаний модели относительно оси i, N - количество пар упругих элементов, J_i - момент инерции модели относительно оси i, h - плечо установки упругого элемента относительно оси шарнира, а сила его предварительного напряжения по формуле F=1,2 с h ϕ / 57,3, где ϕ - максимальный заданный угол поворота шарнира от нулевого значения.

На фиг. 1 изображена схема устройства.

Модель 1 устанавливается в потоке АДТ при помощи устройства, содержащего кронштейн для крепления модели 2, упругий шарнир с тензометрическим датчиком измерения угла поворота модели, который состоит из тензовесов 3, подшипников 4, установленных вдоль оси колебаний модели, и позволяющих кронштейну поворачиваться относительно тензовесов, одной, или нескольких пар упругих элементов 5, установленными между кронштейном и тензовесами. Упругий шарнир, в свою очередь, устанавливается на державке 6 с механизмом взвода-сброса модели 7, приводимым в действие пневмоприводом 8, расположенным внутри державки. Тензометрический датчик угла поворота шарнира наклеен на упругом элементе и на схеме не выделен. Упругие элементы в шарнире установлены с предварительным напряжением, что позволяет избавиться от люфтов, имеющихся в подшипниках. Упругие элементы могут быть сменными и крепиться болтами 9 к кронштейну и тензовесам. При такой конструкции шарнира основные аэродинамические и инерционные силы и моменты, действующие на модель, воспринимаются подшипниками, а на упругие элементы воздействует лишь момент в направлении поворота шарнира.

При этом, жесткость каждого упругого элемента определена по формуле c=ω_i² J_i /(2 N h²) где ω_i - заданная круговая частота колебаний модели относительно оси i, N - количество пар упругих элементов, J_i - момент инерции модели относительно оси i, h - плечо установки упругого элемента относительно оси шарнира, а сила его предварительного напряжения по формуле F=1,2 с h ϕ / 57,3, где ϕ - максимальный заданный угол поворота шарнира от нулевого значения.

Величина заданной круговой частоты колебаний модели при колебаниях относительно оси OZ определяется по формуле ω_z=ω_z V_∞/b_a, при колебаниях относительно оси OY определяется по формуле ω_у=ω_y 2V_∞/l, при колебаниях относительно оси ОХ определяется по формуле ω_х=ω_х 2V_∞/l, где ω_x,ω_y,ω_z - заданные безразмерные угловые скорости колебаний модели, b_а - средняя аэродинамическая хорда крыла модели ЛА, l - размах крыла модели ЛА, V_∞ - скорость потока в АДТ. Так, при колебаниях относительно оси OZ с максимальным заданным углом относительно нулевого ϕ=3°, значениями параметров аэродинамической модели ЛА b_а=0,2 м, l=0,3 м, J_z=0,07 кг м², при скорости потока в АДТ V_∞=100 м/с с одной парой N=1 упругих элементов в шарнире, установленных на плече h=50 мм, для моделирования заданной безразмерной угловой скорости колебаний ω_z=0,1 жесткость каждого из упругих элементов должна быть равна с=(0,1×100/0,2)²×0,07/(2×1×0,05²)=35000 Н/м, а сила предварительного напряжения F=1,2×357143×0,05×3/57,3=110Н.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии потока в АДТ, державка 6 устанавливается под заданными углами α и β. Производится взвод модели, при этом клин механизма взвода-сброса 7 под действием усилия пневмопривода 8 заходит в кормовую часть модели 1, поворачивая ее на начальный угол. Затем производится сброс модели, при этом клин механизма взвода-сброса 7 выдергивается из кормовой части модели 1 с большой скоростью, и модель начинает совершать угловые колебания, поворачиваясь на подшипниках 4 под действием упругих элементов 5 шарнира. При этом производится запись по времени показаний тензометрического датчика угла поворота шарнира и пятикомпонентных тензовесов 3 на протяжении выбранного времени. Для повышения точности измерений, цикл взвода и сброса модели повторяется несколько раз. Затем включается поток в АДТ, и описанная процедура измерений повторяется. Последующая обработка полученных зависимостей по времени угла поворота модели и действующих на нее сил и моментов «в потоке» и «без потока» АДТ позволяют определить коэффициенты нестационарных аэродинамических характеристик модели. При необходимости произвести испытания для другой частоты колебаний модели производится замена упругих шарниров, крепящихся болтами 9. При проведении измерений относительно различных осей модели, используются упругие шарниры с соответствующим расположением оси установки подшипников.

Таким образом, предлагаемое устройство для исследования нестационарных аэродинамических характеристик модели в отличие от известных устройств позволяет расширить количество типов и компоновок испытуемых моделей ЛА, увеличить скорость потока и чисел Рейнольдца в АДТ за счет возможности увеличения действующих на модель аэродинамичесих нагрузок, повысить безопасность проведения испытаний, повысить точность измерений за счет уменьшения смещения истинной оси колебаний модели от теоретической, а также устранения люфтов в подшипниках, дает возможность точного моделирования безразмерной частоты колебаний модели при не динамически подобных моделях, позволяет уменьшить стоимость испытаний при нескольких значениях заданных частот колебаний.