CC BY
102
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 111
УДК 533.6.011
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В.Т. КАЛУГИН, Е. Б. КИНДЯКОВ, А.Ю. ЛУЦЕНКО, Е.Г. СТОЛЯРОВА
Проведены динамические и весовые испытания контейнеров на внешней подвеске летательных аппаратов при дозвуковых скоростях движения. Выбрана система стабилизации, обеспечивающая устойчивое обтекание. Получены аэродинамические характеристики моделей контейнеров в широком диапазоне изменения углов атаки и скольжения.
Обтекание грузов, перевозимых на внешней подвеске летательных аппаратов, сопровождается отрывом потока с образованием нестационарных, периодически повторяющихся срывов вихрей. Такое явление вызывает раскачку подвесных элементов (контейнеров) с недопустимыми амплитудами и аварийные ситуации.
Целью настоящего исследования являются выбор типа системы пассивной стабилизации, устраняющей колебания контейнеров в полете при скоростях движения 0 м/с 45 м/с, и определение аэродинамических коэффициентов (нагрузок) системы "груз - стабилизатор" при изменении углов атаки а и скольжения р.
Экспериментальные исследования моделей контейнеров (грузов) проводились с использованием промышленной установки кафедры СМ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, имеющей открытую рабочую часть 500 мм х 500 мм длиной 1000 мм и позволяющей непрерывно изменять скорость невозмущенного потока. Аэродинамическая труба выполнена в виде замкнутого контура, причем вентилятор и возвратный канал расположены над рабочей частью. Труба снабжена координатным устройством, размещенным на ферме, охватывающей рабочую часть. Расстояние от нижней стенки возвратного канала до оси рабочей части составляет 1300 мм, что и определяет максимальную длину подвесных устройств.
Комплекс экспериментальных исследований включал в себя два вида испытаний: динамические и весовые. Динамические испытания предусматривали выбор системы стабилизации, обеспечивающей устойчивость системы к колебательным режимам. При проведении динамических испытаний исследовались как одиночная, так и четырехтросовая (предотвращающая вращение груза) подвески. Выбор конкретного варианта подвески определялся результатами динамических испытаний.
В результате проведении тензометрических исследований были получены аэродинамические характеристики в виде коэффициентов продольной, нормальной, боковой сил и момента тангажа модели в зависимости от изменения углов атаки и скольжения при различных скоростях набегающего потока.
Для определения стационарных аэродинамических характеристик (осевой, нормальной сил, момента) исследуемых моделей применялись трехкомпонентные внутримодельные тен-зометрические весы. Эти весы имеют диаметр посадочного цилиндра 20 мм и позволяют (в зависимости от условий эксперимента) измерять осевую силу X до 100 Н, нормальную силу У (поперечную силу X) до 20 Н и момент тангажа М2 (момент рыскания Му) до 2 Н м относительно электрической точки весов. Тензометрические весы закреплялись на цилиндрической донной державке, которая с помощью балки устанавливалась в координатном устройстве, обеспечивающем задание углов атаки или скольжения до ±25°, а также перемещение модели как вдоль оси трубы, так и в поперечном направлении, обеспечивая требуемое положение модели относительно оси трубы.
В испытаниях использовались различные варианты моделей (рис. 1), представляющие собой контейнер в форме параллелепипеда, а также комбинации в виде двух, трех и четырех таких контейнеров. Для динамических испытаний применялись цельнометаллические модели, а для проведения весовых экспериментов были изготовлены модели аналогичных размеров из пенопласта, имеющие малый вес.
а) б) в)
Рис. 1. Модели для динамических и весовых испытаний
Цельнометаллические модели при динамических испытаниях крепились с помощью тросовой системы так, чтобы модель располагалась в центре рабочей части аэродинамической трубы. Место крепления самих тросов размещалось на специальной балке вне потока. Масса и геометрические размеры этих моделей выбирались из условия, что отношение их веса к аэродинамической силе сопротивления в натурном и модельном вариантах сохранялось постоянной величиной. Исследовались различные системы стабилизации, в частности: пластиковая объемно-деформируемая сетка, заполняющая область ближнего следа; металлическая объемная сетка в кормовой части контейнера; пластиковая сетка в верхней части контейнера; гибкий плоский стабилизатор; выносной плоский стабилизатор; гибкий объемный стабилизатор (в виде парашюта); демпфер вихрей на передней и задней кромках; плоский твердый стабилизатор; цилиндрический обтекатель; жесткий проницаемый конический стабилизатор.
Испытания проводились в два этапа. Первоначально (динамические испытания) определялась устойчивость системы к поперечным колебаниям. Для этого исследовалось обтекание свободно подвешенных на тросе моделей контейнеров без системы стабилизации, а затем с различными видами стабилизирующих устройств.
Критерием выбора системы стабилизации служила амплитуда колебаний. Если ее значение не превышало характерного размера контейнера (его высоты), то система считалась приоритетной. Такая аэродинамическая компоновка была подвержена дополнительным тензо-метрическим испытаниям при меняющихся конструктивных параметрах моделей.
Измерение аэродинамических сил и моментов моделей контейнеров и комбинаций контейнеры - стабилизирующая система проводилось в дозвуковой трубе по стандартной методике определения интегральных силовых нагрузок с использованием тензовесов.
Проведенный цикл аэродинамических исследований моделей контейнеров с различными системами стабилизации позволил выявить основную компоновочную схему, наиболее устойчивую к возмущениям в широком диапазоне скоростей обтекания, и выбрать ее конструктивные параметры.
Из всего многообразия исследуемых вариантов стабилизирующих систем была выбрана базовая модель (рис. 1д) со стабилизатором в виде проницаемого конуса. Как показали результаты динамических испытаний, при такой системе стабилизации практически отсутствовала раскачка контейнеров. Она состоит из надстройки 1, жестко соединенной с перфорированным управляющим конусом 2. Степень перфорации управляющего конуса 8отв/8поверх » 0,45. Конус в потоке расположен так, что его поверхность находится вне зоны отрывного течения за контейнером (рис. 2а, 2б).
Рис. 2. Структуры течения
Испытания проводились с основной моделью в виде четырех закрепленных контейнеров со стабилизирующим устройством. Эксперименты выполнялись при скоростях набегающего потока У¥ = 20 м/с 40 м/с в диапазоне изменения угла атаки а = -25° ^ +6°, угла скольжения р = -20° ^ +20°. При расчете аэродинамических коэффициентов за характерную площадь принималась площадь двух контейнеров, а за линейный размер - высота контейнера.
На рис. 3 представлены зависимости стационарных аэродинамических коэффициентов в функции угла атаки или скольжения.
Характер кривой Су = А(а) (рис. 3 а) практически не зависит от скорости набегающего потока. С увеличением угла атаки от а = -25° до а = +6° значение коэффициента нормальной силы изменяется от Суть » -0,65 до Сутах = +0,05, причем при малых |а| £ 5° Су мало отличается от нуля.
Диапазон изменения коэффициента продольной силы Сх (рис. 3б) в зависимости от скорости У¥ также невелик, лишь в районе а = 0° 5° наблюдается небольшой разброс экспе-
риментальных значений Сх, что связано с нестационарным развитием отрывной зоны (периодический срыв вихрей в кормовой части контейнера). Здесь же проведена сравнительная оценка значений коэффициентов продольной силы контейнеров со стабилизирующим устройством и без него. Наличие "проницаемого" конуса приводит к существенному возрастанию сопротивления. В связи с этим необходимы дополнительные исследования по оптимизации параметров стабилизатора.
На рис. 3в представлены значения коэффициента продольного момента при различных скоростях набегающего потока в диапазоне изменения угла атаки а = -25° ^ 6°. При всех а значения т2 < 0, причем при переходе к а > 0 коэффициент момента т2 уменьшается по абсолютной величине.
Характер изменения полученных зависимостей коэффициентов нормальной, продольной сил Су, Сх, момента тангажа т2 от угла атаки а при различных скоростях можно объяснить наличием значительной области отрыва потока и ее малой трансформацией в исследуемом диапазоне изменения определяющих параметров (У¥, а).
Как следует из рис. 3г, значения коэффициента боковой силы С2 практически не зависят от угла атаки а. В диапазоне изменения угла скольжения р= -20° ^ +20° величина С2 меняется от -0,7 до +0,7.
Рис. 3. Аэродинамические характеристики моделей контейнеров
Таким образом, на основе проведенного комплексного исследования различных моделей систем стабилизации подвесных устройств была выбрана базовая конфигурация, которая в условиях широкого диапазона скоростей У¥ =10 м/с ^ 50 м/с обеспечивала устойчивое обтекание контейнеров. Такая система стабилизации может быть пригодна для различных вариантов подвески грузов и тросовых систем. На основе результатов тензометрических испытаний получены силовые аэродинамические характеристики, позволяющие провести прочностной расчет элементов подвесных устройств.
AERODYNAMIC STABILIZATION OF CARGO ON AN EXTERNAL SUSPENSION OF FLYING
VEHICLES
Kalugin V.T., Kindyakov E.B., Lutsenko A.Yu., Stolyrova E.G.
Dynamic and weight tests of containers on an external suspension bracket of flying vehicles were conducted at subsonic speeds of movement. The system of stabilization providing a steady flow is chosen. Aerodynamic characteristics of models of containers in a wide range of angles of attack and sliding are received.
Сведения об авторах
Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 200 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
Киндяков Евгений Борисович, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирант кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, область научных интересов - управление процессами обтекания и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов.
Луценко Александр Юрьевич, 1964 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1987), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 50 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений.
Столярова Елена Глебовна, окончила МАИ (1971), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 50 научных работ, область научных интересов - нестационарная аэродинамика, отрывные и струйные течения.
