Научная статья на тему 'ДРЕНИРОВАННЫЕ АЭРОУПРУГИЕ МОДЕЛИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ'

ДРЕНИРОВАННЫЕ АЭРОУПРУГИЕ МОДЕЛИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
15
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Труды МАИ
ВАК
Ключевые слова
АЭРОУПРУГОСТЬ / МОДЕЛЬ / АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ / КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Азаров Юрий Александрович, Черноволов Руслан Андреевич

Работа посвящена вопросам проектирования и изготовления дренированных аэроупругих моделей летательных аппаратов для исследований в аэродинамических трубах явлений аэроупругости, нестационарных аэродинамических нагрузок и динамической реакции упругой конструкции ЛА.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Азаров Юрий Александрович, Черноволов Руслан Андреевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DRAINED AEROELASTIC AIRCRAFT MODELS

Drained dynamically scaled models have been designed to study aircraft unsteady aerodynamic performance in wind tunnels. Nowadays this kind of experimental research is preferred for future aircraft both flutter and buffeting safety studies, along with verification of CFD methods with allowance for the structural elasticity. While drained dynamically scaled models developing a number of requirements, including geometric, mass, stiffness and dynamic similarity, should be met. Furthermore, additional requirements for safety margins and high fidelity of measurements are implied. In the Laboratory of Dynamic Modeling of the Central Aerohydrodynamic Institute several models have been designed and manufactured: - Drained dynamically scaled model of short-range passenger aircraft wing - Drained reference dynamically scaled model of transport category aircraft wing - Drained dynamically scaled model of short-range passenger aircraft horizontal tail - Drained dynamically scaled model of medium-range passenger aircraft flap The creation of drained dynamically scaled models became possible through the use of advanced polymer composite materials and FDM (Fused Deposition Modeling) additive technologies. Verification of the model geometrical characteristics is carried out on a coordinate measuring machine. The results of this work are as follow: 1. Design of new-generation drained dynamically scaled models with the use of polymer composites and additive technologies. 2. Design and manufacturing technology development of drained removable blocks and inserts for dynamic pressure sensors installed in the model main load-bearing structure. 3. Experimental studies of buffeting and unsteady aerodynamic loads with the use of the developed models in T-128 wind tunnel were performed in the range of Mach numbers conforming to the transonic flight.

Текст научной работы на тему «ДРЕНИРОВАННЫЕ АЭРОУПРУГИЕ МОДЕЛИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ»

www.mai.ru/science/trudy/

Труды МАИ. Выпуск № 92

УДК 533.6.072

Дренированные аэроупругие модели летательных аппаратов

Азаров Ю.А.*, Черноволов Р.А.**

Центральный аэрогидродинамический институт, ЦАГИ, ул. Жуковского, 1, Жуковский, 140180, Россия *e-mail: [email protected] **e-mail: [email protected]

Аннотация

Работа посвящена вопросам проектирования и изготовления дренированных аэроупругих моделей летательных аппаратов для исследований в аэродинамических трубах явлений аэроупругости, нестационарных аэродинамических нагрузок и динамической реакции упругой конструкции ЛА.

Ключевые слова: аэроупругость, модель, аддитивные технологии, нестационарные нагрузки, аэродинамический эксперимент, композиционные материалы.

Характеристики аэроупругости самолета при полёте в трансзвуковом диапазоне чисел М существенно зависят не только от числа Маха и скоростного напора, но и числа Рейнольдса и коэффициента подъемной силы. Расчетами показано, что учет особенностей трансзвукового обтекания может привести к тому, что скоростной напор флаттера в реальном полете будет на 20% ниже полученного без корректного моделирования потока по числу Рейнольдса и коэффициенту подъемной силы. [1]

Поэтому, большая роль в исследованиях нестационарных аэродинамических характеристик летательных аппаратов по-прежнему принадлежит экспериментальным методам, которые также непрерывно совершенствуются. Для этого проводятся испытания в аэродинамических трубах (АДТ) «жестких» геометрически подобных моделей, упругоподобных моделей, динамически подобных моделей (ДПМ) и разработанных сравнительно недавно дренированных ДПМ. Каждый тип модели предназначен для проведения определенных исследований (решения определенных задач).

Типы и назначения моделей:

1) Жесткие геометрически подобные модели предназначены для измерения аэродинамических сил и моментов, визуализации структуры течения, положения скачков уплотнения, области отрыва потока, точечных замеров пульсаций давления.

2) Упруго-подобные модели предназначены для исследований характеристик статической аэроупругости: реверса элеронов, дивергенции, эффективности рулевых поверхностей, аэродинамических сил и моментов с учетом упругих деформаций конструкции ЛА.

3) ДПМ всего самолета и изолированных несущих и управляющих поверхностей предназначены для параметрических исследований флаттера в

трансзвуковом диапазоне чисел М на угле атаки а = 0.

4) Дренированные ДПМ предназначены для исследований, на углах атаки не равных нулю, бафтинга, флаттера, и нестационарных аэродинамических характеристик с учетом отклика упругой конструкции.

Испытания дренированных ДПМ на сегодня представляют наибольший интерес, как с точки зрения их использования для промышленных задач, так и для верификации методов расчетной аэродинамики. При проектировании ДПМ необходимо соблюсти следующие требования:

1. Геометрическое подобие модели натурной конструкции.

2. Подобие натурной конструкции по массовым характеристикам (критерий Ньютона-К1^ и жесткостным характеристикам (критерий Коши-Са)

3. Подобие по числу Струхаля- БИ.

4. Обеспечение требуемых расчётных запасов прочности при испытаниях модели в АДТ на углах атаки и скоростных напорах в заданных диапазонах

5. Обеспечение возможности выполнения непрерывного контроля за фактическим напряжённо-деформированным состоянием модели во время пуска АДТ

6. Обеспечение возможности установки датчиков динамического давления под поверхностью модели в количестве необходимом для воспроизведения физической картины обтекания модели.

7. Наличие внутренних объемов и каналов для размещения датчиков, кабелей и трубок опорного давления.

Изготовление дренированных ДПМ представляет наибольшую сложность, так как помимо дренирования обтекаемых поверхностей модели необходимо выполнить условие подобия натурной конструкции по формам и частотам собственных колебаний и обеспечить модели необходимую прочность в соответствии с

заданными режимами проведения эксперимента в АДТ (диапазона чисел М, скоростного напора и углов атаки).

Необходимая прочность дренированной ДПМ при исследованиях бафтинга на

углах атаки а Ф 0 может быть обеспечена исходя из того, что критерии подобия Сa, Nw и Sh не являются независимыми друг от друга. Они связаны соотношением:

Поэтому одновременное увеличение жесткости K и массы m модели дает возможность повышения прочностных характеристик модели до необходимого уровня при сохранении условия подобия по числу Струхаля (частота Ш остаётся постоянной).

Эта особенность позволяет проводить эксперимент в АДТ на больших углах атаки модели, и благодаря появившейся возможности увеличения скоростного напора расширить диапазон исследований влияния числа Re на нестационарные аэродинамические характеристики и характеристики бафтинга в трансзвуковом диапазоне чисел М.

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции модели, имеющих наибольшую удельную жесткость и прочность, дает возможность спроектировать и изготовить модель, наиболее совершенную по упруго-массовым характеристикам [2][3] (Таблица 1).

Таблица 1

Характеристики материалов_

Материал р, кг/м3 E, Па о В, Па — —, Пам3/кг р —, Пам3/кг Р

Алюминиевые сплавы 2800 7,06 -1010 5-108 2,52 -107 1,78 -105

Стали 7800 2,06-1011 1,1-109 2,64 -107 1,4 -105

Полимерные композиционные материалы (углеродная лента) 1450 1,2-1011 9-108 8,27 -107 6,2 -105

Применение ПКМ требует изготовления сложной объемной технологической оснастки в виде мастер моделей, негативных и позитивных прессформ, матриц, прижимов и т.д. [4] Опыт применения аддитивных технологий для изготовления технологической оснастки из термопластиков показал, что этот способ в данном случае является наиболее эффективным [5]. Но главным преимуществом применения этой инновационной технологии является возможность образования внутри модели криволинейных дренажных каналов к датчикам динамического давления, установленных вблизи обтекаемой поверхности модели в заданных сечениях (зонах).

Выполнение требований к геометрическим характеристикам модели осуществляется за счет точности изготовления технологической оснастки, которая в свою очередь зависит от точности работы установки быстрого прототипирования

FDM (Fused Deposition Modeling). Поэтому после изготовления оснастка проходит

5

проверку на координатно-измерительной машине (КИМ) на наличие неточностей и дефектов изготовления. В случае необходимости выполняется доводка поверхности оснастки. Завершающим этапом изготовления модели является контрольная проверка ее геометрических характеристик на координатно-измерительной машине.

В научно-исследовательской лаборатории Центрального

Аэрогидродинамического Института были спроектированы и изготовлены дренированные ДПМ четырех типов, для испытаний в АДТ в трансзвуковом диапазоне чисел Маха:

Тип модели №1 - Дренированная ДПМ консоли крыла ближнемагистрального пассажирского самолета.

Для экспериментальных исследований в АДТ в диапазоне чисел М= 0,5 ^ 1,1 аэроупругих характеристик натурного крыла, была изготовлена многофункциональная дренированная ДПМ крыла большого удлинения с воспроизведением стапельной формы натурного крыла (рисунок 1 ) (переменным профилем, круткой и изломом по размаху).

Рисунок 1 - Многофункциональная динамически подобная дренированная модель крыла большого удлинения Для обеспечения необходимых характеристик жесткости и прочности модель изготовлена из полимерных и композиционных материалов. При изготовлении ДПМ широко применялись аддитивные технологии для создания формообразующих элементов модели и технологической оснастки.

На модели удалось реализовать пять вариантов аэродинамической компоновки за счёт установки сменных законцовок, имеющих различную геометрическую форму и массово-инерционные характеристики. Кроме того, при разработке конструкции ДПМ в соответствии с ТЗ было предусмотрено два варианта жёсткости крепления двигателя, один вариант выноса двигателя вперёд, пять вариантов жёсткости крепления элерона на вращение и два варианта жёсткости пружины, моделирующей центроплан. Особенностью данной ДПМ являлось наличие трех

дренированных сечений по размаху модели, в которые были установлены 60 ультра миниатюрных датчиков давления серии XCQ-062 компании «KuHte» и дополнительно 2 датчика на элероне. Из 60 датчиков 30 датчиков были установлены в первом сечении от бортовой хорды, 20 датчиков во втором сечении и 10 датчиков в третьем сечении (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Габаритные размеры модели Датчики устанавливались симметрично на верхней и нижней поверхностях модели. Также впервые для модели такого типа была разработана и установлена внутри неё малогабаритная электрогидравлическая система возбуждения вынужденных колебаний с дистанционной системой управления [6].

Тип модели №2 - Дренированная эталонная ДПМ консоли крыла самолета

транспортной категории.

Для отработки технологии применения инновационных конструктивных решений на перспективных ЛА и изучения нестационарных аэродинамических нагрузок спроектирована и изготовлена универсальная эталонная дренированная ДПМ нового поколения крыла большого удлинения (рисунок 3), жесткостные и массово-инерционные характеристики которой соответствовали (в заданном масштабе) характеристикам типового натурного крыла самолёта транспортной категории.

Рисунок 3 - Эталонная дренированная ДПМ нового поколения крыла

большого удлинения Для проведения более надежного сравнения и верификации расчётных

методов и алгоритмов вычисления нестационарных аэродинамических сил, модель

крыла была спроектирована без двигателя, без крутки, с прямой задней кромкой и постоянным по размаху симметричным профилем.

Для обеспечения требуемых прочностных характеристик при проведении испытаний в АДТ в диапазоне углов атаки ±5о, возможности установки на модель оборудования разного типа была выбрана лонжеронная силовая схема. При такой схеме проще всего реализовать наличие большого числа легкосъемных вставок и крышек необходимых для оперативного доступа к измерительным системам для их наладки и проверки функционирования.

Модель была оснащена 36 датчиками динамического давления ХСР-062 в сечении крыла на 60% размаха (рисунок 4). Для установки датчиков был спроектирован и изготовлен, с применением аддитивных технологий, дренированный блок из поликарбоната. Датчики устанавливались симметрично на верхней и нижней поверхностях модели.

Блок состоит из жёсткого неразъёмного каркаса, закрепленного на лонжероне, и двух легкосъемных дренированных панелей (верхней и нижней), изготовленных из термопластика по 3Э-моделям за одну технологическую операцию в автоматическом режиме. Это обеспечило высокое качество обтекаемой поверхности, минимальное требуемое расстояние между приемными отверстиями на поверхности модели (3мм-5мм) и минимальную длину канала от дренажного отверстия до приемного отверстия (2мм-3мм) в датчике динамического давления в соответствии с требованиями к получению большего объема информации, за счет

повышения детализации распределения давления, и точности измерения нестационарных аэродинамических нагрузок.

560

Рисунок 4 - Габаритные размеры модели крыла Каркас блока изготовлен как единое целое из термопластика. Он состоит из двух силовых нервюр, жёстко соединённых по передней и задней кромкам и продольными стенками, расположенными параллельно боковым стенкам лонжерона. Верхняя и нижняя легкосъёмные панели блока также имеют приёмные дренажные отверстия, расположенные с постоянным или переменным шагом на поверхности панели, и камеры внутри них для установки датчиков динамического давления.

По существу, каждый дренированный блок с установленными датчиками

динамического давления представляет собой прецизионный легко адаптируемый в

конструкцию ДПМ многоканальный прибор для измерения распределённых нестационарных аэродинамических характеристик в сечении с произвольной формой профиля.

Помимо датчиков нестационарного давления в модели устанавлены акселерометры в 7 сечениях на передней и задней кромках, для определения частот и амплитуд изгибных и крутильных колебаний. В 5 сечениях на лонжероне установлены полумосты тензорезисторов для измерения деформаций кручения и вертикального изгиба.

Для параметрических исследований в концевой части модели установлен съёмный элерон, угол поворота которого обеспечивался сменным набором пружин и предусмотрена возможность установки предэлеронного щитка и съёмных законцовок (винглет) различной формы и габаритов.

Основной задачей первого успешно выполненного этапа испытаний эталонной модели в трансзвуковой АДТ было тестирование измерительного оборудования, отработка методики эксперимента, выявление особенностей обтекания модели в трансзвуковом потоке при различных углах атаки модели, исследование эффективности элерона новой формы и верификация математической модели. Первые результаты, полученные в эксперименте, показали, что эталонная модель является эффективным инструментом создания научно-технического задела для улучшения аэродинамических и аэроупругих характеристик перспективных ЛА. [7]

Тип модели №3 - Дренированная ДПМ горизонтального оперения (ГО) ближнемагистрального пассажирского самолета

Для исследования характеристик бафтинга ГО в следе за крылом ближнемагистрального пассажирского самолёта была спроектирована и изготовлена дренированная ДПМ ГО. Модель спроектирована в масштабе линейных размеров 1/6.32 и была установленная на жесткую полумодель самолета (рисунок 5). Подобие частот по числу Струхаля осуществлялось по 1 тону изгибных и крутильных колебаний. Испытания проведены в трансзвуковой АДТ в диапазоне чисел Маха от 0.5 до 0.85.

Рисунок 5 - Дренированная ДПМ ГО, установленная на жёсткой аэродинамической полумодели

Особенностью этой модели является то, что датчики динамического давления были установлены на модели в двух сечениях по размаху (1/4 и 3/4) на верхней и нижней поверхности вблизи передней и задней кромок. Для установки датчиков были разработаны конструкции специальных дренированных блоков (рисунок 6).

Съемная законцовка

Рисунок 6 - Схема установки датчиков на модель ГО

Для ГО или вертикального оперения (ВО) дренированный блок представляет

собой: дренированную вставку, выполненную в виде съёмной передней или задней

кромки и каркас блока в виде ответной части закрепленной в конструкции модели.

Такая конструкция объясняется тем, что модели ГО и ВО, в отличии от

лонжеронной модели крыла, как правило проектируются по кессонной схеме с

работающей обшивкой.

Амплитуды и частоты изгибных и крутильных колебаний модели

определялись с помощью четырех малогабаритных акселерометров, установленных

на передней и задней кромке в двух сечениях.

Напряженно-деформированное состояние модели при испытаниях на углах

атаки а Ф 0 измерялось наклеенными на нее полумостами тензодатчиков.

Во время испытаний в АДТ были проведены следующие исследования:

- распределение давления и пульсаций давления на ГО при дозвуковых и трансзвуковых режимах обтекания.

- отклик упругой конструкции ГО на пульсации аэродинамических нагрузок.

Тип модели №4 - Дренированная ДПМ закрылка среднемагистрального

пассажирского самолета.

Дальнейшим развитием технологии моделирования бафтинга и исследований нестационарных аэродинамических нагрузок была разработка в лаборатории конструкции дренированной ДПМ внутренней секции закрылка крыла средне магистрального пассажирского самолёта (рисунок 7) для проведения исследований в трансзвуковой АДТ в диапазоне углов атаки от -2° до +26°. Для проведения эксперимента модель устанавливается на крупномасштабной жёсткой аэродинамической полумодели самолёта, изготовленного из стали в масштабе линейных размеров 1/8,16 в трех положениях: в убранном (крейсерский режим полёта самолёта), на режимах взлёта ( 5зак.=18,6°) и посадки ( 5зак.=36,8°). Кроме того при проектировании модели закрылка было предусмотрено варьирование числом Sh, как параметром, путём дискретного изменения частоты вращения закрылка (80, 120 и 160 Гц).

Рисунок 7 - Дренированная ДПМ нового поколения внутренней секции закрылка установленная на аэродинамическую полумодель Модель внутренней секции закрылка спроектирована по кессонной схеме с работающей обшивкой (рисунок 8). Кессон имеет сквозные технологические отверстия в дренированных сечениях, через которые проходят провода и трубки опорного давления от датчиков динамического давления.

Габаритные размеры модели показаны на рисунке 9. В качестве формообразующего элемента использовались полые сетчатые конструкции изготовление которых стало возможным благодаря применению аддитивных технологий.

Рисунок 8 - Сечение модели внутренней секции закрылка В модель для измерения пульсаций давления установлены семь датчиков динамического давления. Для моделей управляющих поверхностей спроектированы и изготовлены дренированные вставки. Дренированная вставка выполнена в виде легкосъемной крышки с отсеками для установки датчиков и отверстиями для крепления к модели. Устанавливается в посадочное место, являющееся частью сердечника модели.

Дренированная вставка в концевом сечении модели выполнена в виде

легкосъемной части закрылка и крепится к торцу модели.

Рисунок 9 - Основные размеры модели внутренней секции закрылка

Для определения частот и амплитуд изгибных и крутильных колебаний четыре акселерометра установлены в углах модели.

Необходимо отметить, что на разработанных конструкциях дренированных моделей для измерения пульсаций давления возможно использование методов визуализации различного типа [8].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Выводы:

1. Разработаны конструкции дренированных ДПМ нового поколения из полимерных композиционных материалов с применением аддитивных технологий.

2. Разработаны конструкции и технология изготовления съёмных дренированных блоков и вставок для датчиков динамического давления, устанавливаемых в основную силовую конструкцию моделей

3. На дренированных ДПМ проведены экспериментальные исследования явлений аэроупругости и нестационарных аэродинамических нагрузок в трансзвуковой аэродинамической трубе

Библиографический список

1. Кузьмина С.И. Особенности нестационарной аэродинамики в трансзвуковом диапазоне чисел Маха // Труды ЦАГИ. 2013. Выпуск №2738. С. 189-204.

2. Ендогур А.И., Кравцов В.А. Идеология проектирования авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов // Труды МАИ, 2015, № 81: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=57755

3. Ендогур А.И., Кравцов В.А., Солошенко В.Н. Принципы рационального проектирования авиационных конструкций с применением композиционных материалов // Труды МАИ, 2014, № 72: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=47572

4. Азаров Ю.А., Брускова Е.В., Губернатенко А.В., Зиченков М.Ч., Ишмуратов Ф.З. Система автоматизированного проектирования, изготовления и инженерного анализа аэроупругих моделей летательных аппаратов и строительных сооружений // Труды ЦАГИ. 2013. Выпуск №2738. С. 289-317.

5. Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Труды МАИ, 2014, № 78: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=53682

6. Вибровозбудитель колебаний механических конструкций. Патент РФ №2594462 / Черноволов Р.А., Азаров Ю.А. Заявка №2015118026/12 от 14.05.2015, Бюл. №23.

7. Динамически подобная аэродинамическая модель несущей поверхности летательного аппарата. Патент РФ №2578915 / Карклэ П.Г., Азаров Ю.А., Брускова Е.В., Черноволов Р.А. Заявка № 2014136937/11 от 27.11.2014, Бюл. №9.

8. Мошаров В.Е., Радченко В.Н. Методы визуализации течений газа на поверхности // Труды конференции «Оптические методы исследования потоков (ОМИП-2009), URL: http://omfi.mpei.ac.ru/rus/Trudy 10/0b 05 01.pdf

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.