CC BY
5www.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: y.al.azarov@yandex.ru **e-mail: r.chernovolov@gmail.com
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].
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
