CC BY
19
Dijana Damlja
air
janovic,
dipl. inž. Aleksandar VitiC,
dipl. inž.
Vojnotehnički institut, Beograd
EKSPERIMENTALNO ISPITIVANJE ROLERONA U AEROTUNELU T-38
UDC: 629.7.018 : [681.586.2 : 533.694.51
Rezime:
U radu su prikazani rezultati eksperimentalnih ispitivanja rolerona postojećeg projek-tila u aerotunelu T-38 Vojnotehničkog instituta. Za smanjenje ugaone brzine valjanja koriste se roleroni kao najjednostavniji uređaji. Oni predstavljaju žiroskop sa dva stepena slobode. Postavljaju se na krajeve krila i sastoje se od elerona koji je istovremeno i nosač ozubljenog rotora velike mase. Za rotaciju rotor koristi energiju vazduha. U radu je prikazan jedan role-ron defmisane geometrije sa odgovarajućim rotorom. Cilj ispitivanja bio je da se izmeri broj obrtaja rotora i šarnirni moment u funkciji ugla otklona rolerona i Mahovog broja.
Ključne reči: aerotunel, roleron, žiroskop sa dva stepena slobode, smanjenje ugaone brzine valjanja, broj obrtaja rotora, koeficijent šarnirnog momenta.
EXPERIMENTAL TESTING OF THE ROLL AILERON IN THE T-38 WIND TUNNEL
Summary:
The results of an experimental testing of the roll aileron of an existing projectile, carried out in the T-38 wind tunnel of the Military Technical Institute, are given in the paper. Representing a 2 dof gyroscope, roll ailerons are used as the simplest devices for decreasing angular velocity. Fixed on wing tips, they consist of ailerons which support massive cogged rotors. Air energy is used for rotor rotation. A roll aileron of a defined geometry, with an appropriate rotor, is described in the paper. The testing objective was to measure the rotor rotation rate and hinge moment as a function of the roll aileron deflection angle and the Mach number.
Key words: wind tunnel, roll aileron, gyroscope with two degrees of freedom, decreasing angular velocity, rotation rate of the rotor, hinge moment coefficient.
Uvod
U okviru istraživačkih zadataka iz-vršena su merenja na roleronu postojeće rakete u aerotunelu T-38. Ispitivanje je obuhvatalo merenje broja obrtaja rotora rolerona optičkim davačem i merenje šarnirnog momenta rolerona trokompo-nentnom aerovagom. Varirani su ugao otklona rolerona i Mahov broj. Roleron se nalazio na kraju krila ispitivanog mo-
dela. Model projektila imao je jedno kri-lo sa roleronom.
Uloga rolerona kod samonavođenih raketa jeste da smanji ugaonu brzinu valjanja rakete. Jednačine koje opisuju kretanje rakete sa ugrađenim roleronima vrlo su slo-žene. Uprošćavanjem jednačina dobijen je izraz koji uspostavlja vezu između ugaone brzine rakete, broja obrtaja rotora i statičkog derivativa šarnirnog momenta rolerona po otklonu. Proračun broja obrtaja rotora, kao i
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
389
proračun šamimog momenta, teško je izvo-dljiv, pa se pristupilo eksperimentalnom is-traživanju. U ovom testu izabrana je geome-trijska konfiguracija modela koja je već po-stojala. Cilj je bio da se odrede ova dva va-žna parametra. Eksperimentalno testiranje izvedeno je u trisoničnom aerotunelu T-38 Vojnotehničkog instituta. U radu je opisan test koji je izveden, kao i rezultati merenja.
Ukoliko se pretpostavi da se otkla-njanje rolerona može smatrati bezinerci-onim procesom, dobija se da za jedan ro-leron važi izraz:
Ir-п-у = M she5e + Maha (2)
a za drugi:
Stabilizacija ugaone brzine valjanja projektila primenom rolerona - osnovni princip rada
Ir Qy = -Mfc+ M % a (3)
Odavde dobijamo:
Roleroni predstavljaju pomerljive aerodinamičke površine slične eleroni-ma, na kojima je ugrađen prilično masi-van ozublj en rotor (sa momentom inerci-je Ir), koji se obrće pod dejstvom vazduš-ne struje ugaonom brzinom Q. Zahvalju-jući činjenici da se rotor, zajedno sa aerodinamičkim površinama (eleronima), može otklanjati oko ose obrtanja elerona, on poseduje osobine diferencirajućeg ži-roskopa, čija je funkcija smanjenje ugaone brzine valjanja. Obrtanje projektila oko uzdužne ose ugaonom brzinom у
izaziva otklanjanje rolerona za ugao 5e. Pri datom otklonu javlja se momenat Mxe 5e i odgovarajuće ugaono ubrzanje у, koje je u suprotnom smeru od у. Na taj način se smanjuje ugaona brzina projektila [1]. Osnovni princip rada rolerona prikazan je na sl. 1.
Jednačina kretanja rolerona može se izraziti u obliku:
I^ - M б б M б б
dt1
dt
= -Ir -Q-y + Maha
(1)
f я\
Ka =
V Y Jst
IQ
ыб
(4)
Koeficijent Ka predstavlja faktor pojačanja automata stabilizacije - rolerona. Pošto Q i Mhe zavise od dinamič-kog pritiska, to koeficijent Ka skoro ne zavisi od visine i brzine leta. Faktor po-jačanja rolerona zavisi od njegove kon-strukcije, te je mogući dijapazon prome-na ograničen. Zadatak projektovanja si-stema stabilizacije valjanja svodi se na racionalni izbor konstrukcije rolerona i aerodinamičkih karakteristika projektila. Zadovoljavajući rezultati mogu se dobiti primenom rolerona na srazmerno malim projektilima, koji lete u gušćim atmos-ferskim slojevima. Sam projektil ne sme posedovati velike poremećajne momen-te valjanja.
Iz jednačine (4) se može naći stvarni ugao otklona rolerona 5e kao funkcija za-date ugaone brzine valjanja rakete у :
!r QY = К QY
Mshe q„- Sr-Calr-Cl
(5)
390
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Q
Sl. 1 - Osnovni princip rada rolerona
Da bi se izračunao ugao otklona rolerona бе prema jednačini (5) potrebno je utvrditi ugaonu brzinu rotora rolerona Q i koeficijent šarnirnog momenta C^ za razne vrednosti dinamičkog pritiska.
Proračun Q teško je izvodljiv i može se samo eksperimentom utvrditi. Na osno-vu eksperimentalnih merenja Q i Ch& prema jednačini (5), moguće je uspostaviti korelaciju između ugaone brzine projekti-la y i ugla otklona rolerona бe.
Model polukrila sa roleronom
Ispitivani model sastojao se od ci-lindričnog trupa sa konusnim vrhom i jednog krila sa roleronom. Svi nabrojani delovi modela su originalne komponente rakete. Prečnik modela je 127 mm, a du-žina modela 1200 mm. Model polukrila sa roleronom u radnom delu aerotunela T-38 prikazan je na sl. 2.
U strukturi polukrila nalazio se role-ron sa ozubljenim rotorom (sl. 3). Kon-strukcija rotora rolerona je komplikova-na. Rotor se sastoji od kanala po obimu rotora, koji stvaraju rotaciju, i specijalno profilisanih zavojnih kanala ka centru ro-tacije, koji služe za hlađenje ležaja. Ta-kođe, ispred rotora nalazi se usmerivač vazdušne struje - uvodnik koji je aerodi-namički profilisan.
Za potrebe ispitivanja, na mestu gde se merio šarnirni moment, izrađen je nov nosač rolerona u kojem je smeštena tro-komponentna aerovaga. Roleron je imao mogućnost diskretnog otklanjanja oko svoje šarnirne ose. Omogućeno je posta-vljanje rolerona na četiri pozicije defini-sanih otklona: 0°, 5°, 10°, 15°, koje su
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
391
obezbeđene pomoću klinova. Otkloni ro-lerona definisani su kao pozitivni, ako se, posmatrano duž šarnirne ose, roleron ot-klanja suprotno od kretanja kazaljke na satu.
Skica polukrila sa roleronom sa osnovnim dimenzijama prikazana je na sl. 4, a skica rolerona sa osnovnim dimenzijama na sl. 5.
U modelu je bila smeštena šesto-komponentna aerovaga, proizvođača ABLE, za merenje aerodinamičkih sila i
momenata na modelu. U nosaču rolerona bila je smeštena trokomponentna aerovaga za merenje aerodinamičkih sila i momenata na roleronu. Osa aerovage pokla-pala se sa šarnirnom osom rolerona. Na roleronu se nalazio optički davač za merenje broja obrtaja rotora.
Model je preko stinga bio postavljen na mehanizam za promenu napadnog ugla. Površina u planu modela bila je u skladu sa preporučenim odnosima s obzi-rom na površinu radnog dela aerotunela.
392
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Aerotunel T-38
Aerotunelsko postrojenje T-38 u Vojnotehničkom institutu je rafalnog tipa sa natpritiskom i radnim delom kvadrat-nog poprečnog preseka dimenzija 1,5 m x 1,5 m. Za podzvučna i nadzvučna ispi-tivanja koristi se radni deo sa glatkim zi-dovima, dok se za transonična ispitivanja u konfiguraciju ubacuje radni deo sa po-roznim zidovima. Poroznost zidova se može menjati između 1,5% i 4%, zavisno od Mahovog broja, da bi se postigao naj-bolji kvalitet strujanja.
U radnom delu može se postići Ma-hov broj u intervalu 0,2 do 4,0, dok Rej-noldsov broj može dostići 110 milio-na/metru. U podzvučnoj konfiguraciji Mahov broj se podešava bočnim kapcima u difuzoru, a u nadzvučnoj konfiguraciji
postavljanjem odgovarajuće konture fleksibilnog mlaznika. U transoničnoj konfiguraciji Mahov broj se reguliše boč-nim kapcima, konturom mlaznika i aktiv-no kontrolisanim sistemom odsisavanja kroz porozne zidove, a može se postaviti i regulisati u okviru 0,3% nominalne vrednosti.
Zaustavni pritisak u radnom delu može da se održava u intervalu 1,1 bar do 15 bara, u zavisnosti od Mahovog broja i regulisati u okviru 0,5% nominalne vrednosti.
Trajanje duvanja može biti od 6 s do 60 s, u zavisnosti od Mahovog broja i za-ustavnog pritiska.
U radnom delu aerotunela model se preko repnog držača postavlja na meha-nizam koji obezbeđuje kretanje po propi-njanju i valjanju, tako da se mogu postići
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
393
željeni aerodinamički uglovi. Postrojenje omogućava kretanje modela u diskret-nom i kontinualnom modu tokom mere-nja. Tačnost postavljanja modela na tra-ženi položaj je 0,05° po uglu propinjanja i 0,25° po uglu valjanja.
Opis merenja i instrumentacije
Merenje u aerotunelu izvedeno je u dve faze: merenje broja obrtaja rotora ro-lerona i merenje šarnirnog momenta, po-moću specijalno konstruisane aerovage koja je postavljena na mesto osovine ko-ja nosi roleron.
Broj obrtaja ozubljenog rotora role-rona meri se optičkim davačem, posta-vljenim u blizini rotora rolerona (sl. 6). Optički davač davao je naizmenični signal čija je učestanost proporcionalna bro-ju obrtaja rotora. Rotor rolerona ima 24 zupca, od kojih je 12 bilo obojeno u cr-no, a 12 je ostalo belo. Pri prolasku dela rotora sa crno obojenim zupcima pored optičkog davača on je davao signal, a pri prolasku dela sa belim zupcima signal sa davača bio je nulti. Jedna električna peri-
oda davača odgovarala je jednom obrtu rolerona. Da bi se odredila osetljivost da-vača i proverilo ispravno funkcionisanje izvedeno je preliminarno baždarenje.
Iza optičkog davača postavljen je frekventno-naponski pretvarač koji je do-bijeni signal pretvarao u napon koji se merio. Usrednjavanjem naponskog sig-nala u željenom segmentu uzimanja po-dataka i množenjem sa baždarnim koefi-cijentom dobijao se broj obrtaja rotora rolerona. Opseg davača je 1100 Hz, a tačnost frekventno-naponskog pretvarača je 0,3% punog opsega.
Izabrana je optimalna brzina uzima-nja podataka. Ispitivanje je izvršeno bez promene napadnog ugla modela (model je bio na nultom napadnom uglu). Formi-ran je mod rada, koji je omogućio dvade-setak segmenata uzimanja podataka, pri čemu je dobijena vrednost broja obrtaja rolerona za svaki segment. Ukupno vre-me trajanja rafala iznosilo je oko 16 s. Na taj način bilo je moguće pratiti ubrza-vanje rotora rolerona, odnosno broj obrtaja u svakom segmentu tokom vremena duvanja.
394
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Zbog velike površine polukrila i ne-pouzdanih veza na originalnim kompo-nentama rakete i deo ispitivanja sa tro-komponentnom aerovagom izvršen je bez promene napadnog ugla modela.
Aerodinamičke sile i momenti na role-ronu mereni su specijalno konstruisanom unutrašnjom trokomponentnom aerovagom sa mernim trakama, sl. 7. Aerovaga je pro-jektovana, proizvedena i izbaždarena u sek-toru eksperimentalne aerodinamike [3]. Njen nominalni opseg za merenje normalne sile je 470 N, momenta valjanja (šarnirni moment rolerona) 20 Nm, a momenta pro-pinjanja 20 Nm. Tačnost aerovage je pribli-žno 0,2% punog opsega.
Za potrebe ovog dela ispitivanja, prema originalnom nosaču rolerona na-pravljen je novi koji je omogućio prihvat trokomponentne aerovage i obezbeđivao postavljanje rolerona na željeni ugao ot-klona. Aerovaga je postavljena u novi nosač rolerona, tako da se osa aerovage poklapala sa šarnirnom osom rolerona. Veza aerovage sa krilom predviđena je i izvedena kao veza originalnog nosača rolerona i polukrila. Uparivanjem odgova-rajućih žlebova na nosaču i aero vagi obezbeđena su četiri međusobna položa-ja, u skladu sa definisanim otklonima ro-lerona. Veza na tim mestima za svaki ot-klon rolerona ostvarena je pomoću klina, a pritezanje pomoću kontranavrtke. Ispi-tivanje je izvršeno u istom modu rada kao i ispitivanje sa optičkim davačem.
Tokom ispitivanja korišćena je stan-dardna merna oprema aerotunela T-38 za merenje parametara strujanja i položaja modela. Aerodinamičke sile i momenti na modelu mereni su unutrašnjom šestokom-ponentnom aerovagom ABLE 2,5 Mk XXV C sa mernim trakama. Nominalni
Sl. 7 - Trokomponentna aerovaga
opseg aerovage za merenje momenta valjanja je 565 Nm. Sistem za prikupljanje podataka sastojao se od 64-kanalnog si-stema tipa TELEDYNE pod kontrolom PC računara. Podaci sa svih analognih ka-nala digitalizovani su AD konvertorom, zatim primani na računar ALPHA SERVER DS20E preko brzog prijemnika i za-pisivani na disk za kasniju obradu.
Rezultati merenja
Rezultati merenja prikazani su u ta-belama i na dijagramima.
U prvom delu ispitivanja određen je broj obrtaja rotora rolerona na Mahovim brojevima od 0,5 do 2,0, pri ukupnom napadnom uglu modela 0°, uglu valjanja 0° i otklonima rolerona 0°, 5°, 10° i 15°. Određene su i aerodinamičke karakteri-stike modela polukrila sa roleronom [2].
U drugom delu ispitivanja određene su aerodinamičke karakteristike rolerona, prvenstveno koeficijent šarnirnog momenta, na Mahovim brojevima 0,5, 1,0 i 1,75 pri otklonima rolerona 0°, 5°, 10° i 15° [4].
Promena broja obrtaja rotora rolero-na nultog otklona tokom vremena u funkciji Mahovog broja prikazana je na dijagramu na sl. 8.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
395
Sl. 9 - Broj obrtaja rotora u zavisnosti od otklona rolerona na Mahovom broju M = 1,75
Promena broj a obrtaja rotora rolerona tokom vremena u zavisnosti od otklona na izabranom Mahovom broju M = 1,75 prikazana je na dijagramu na sl. 9.
Promena koeficijenta momenta valja-nja modela polukrila u zavisnosti od otklo-
na rolerona na Mahovom broju M = 1,75 prikazana je na dijagramu na sl. 10.
Maksimalno dostignuti broj obrtaja rotora tokom merenja u funkciji Maho-vog broja i otklona rolerona prikazani su u tabeli 1 i na dijagramu na sl. 11.
396
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
M=1,75
Sl. 10 - Koeficijent momenta valjanja modela polukrila u zavisnosti od otklona rolerona na
Mahovom broju M = 1,75
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
397
Sl. 12 - Koeficijent šarnirnog momenta rolerona u zavisnosti od otklona i Mahovog broja
Tabela 1
бр 0° 5° 10° 15°
M Broj obrtaja rotora rolerona Q,1/s
0,5 311 326,1 367,5 396,4
0,7 411 416,6 468,8 513
0,9 495,3 511,9 551,1 595,5
1,0 527,2 533,1 559 574,1
1,2 572,9 - - -
1,75 589,4 593,6 663 727,9
2,0 588 - - -
Rezultati merenja koeficijenta šar-nimog momenta rolerona u zavisnosti od otklona i Mahovog broja prikazani su u tabeli 2 i na dijagramu na sl. 12.
Tabela 2
бй 0° 5° 10° 15°
M Koeficijent šarnirnog momenta rolerona Chs
0,5 0,0019 0,0281 0,0527 0,0744
1,0 0,0002 0,0435 0,0849 0,1252
1,75 0,0023 0,0323 0,0674 0,1050
Rezultati merenja koeficijenta momenta valjanja modela polukrila sa role-ronom prikazani su u tabeli 3 i na dijagramu na sl. 13.
Tabela 3
бй 0° 5° 10° 15°
M Koeficijent momenta valjanja modela polukrila Ci
0,5 -0,0505 -0,2786 -0,5411 -0,7224
1,0 -0,0248 -0,2991 -0,5799 -0,8342
1,75 -0,0236 -0,1733 -0,3092 -0,4533
Zaključak
Na osnovu sprovedenih merenja broja obrtaja rolerona i koeficijenta šarnirnog momenta, prema jednačini (5), moguće je uspostaviti korelaciju između ugaone br-zine projektila i ugla otklona rolerona.
Dobijeni rezultati merenja pokazuju da je maksimalan broj obrtaja rotora oko 730/s na Mahovom broju 1,75 i pri otklo-nu rolerona od 15°.
Koeficijent šarnirnog momenta rolerona je maksimalan na Mahovom broju 1,0, pri otklonu rolerona od 15°.
Efekat smanjenja ugaone brzine valjanja modela sa povećanjem ugla otklona rolerona potvrđen je merenjem momenta valjanja.
398
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Sl. 13 - Koeficijent momenta valjanja modelapolukrila u zavisnosti od otklona rolerona i Mahovog broja
Dobijeni rezultati merenja pokazali su dobro slaganje sa podacima dobijenim od naručioca ispitivanja koji su rezultat preliminarnog teorijskog proračuna.
Pri budućem projektovanju sličnih pro-jektila koji koriste rolerone, kao prihvaćena rešenja za stabilizaciju ugaone brzine valjanja, eksperimentalna aerodinamika Vojno-tehničkog instituta može da podrži zadatak u pogledu merenja broja obrtaja i aerodina-mičkih karakteristika rolerona, kao i projek-tovanja i izrade neophodne merne opreme. Korišćene oznake:
M - Mahov broj u radnom delu aerotunela T-38
q - dinamički pritisak u radnom delu б,; - ugao otklona rolerona Sr - površina rolerona Car - srednja aerodinamička tetiva rolerona
C^ - statički derivativ koeficijenta šarnirnog momenta po otklonu rolerona Cl - koeficijent momenta valjanja Ir - moment inercije rotora rolerona Ie - moment inercije rolerona
Q - ugaona brzina rolerona
Y - ugaona brzina rakete oko uzdu-žne ose
Y - ugaono ubrzanje rakete oko uzdužne ose
Ka - faktor pojačanja automata sta-bilizacije rolerona
Mh - šarnirni moment rolerona Mgi - žiroskopski moment rolerona Mx - moment valjanja projektila Z - sila uzgona rolerona
Y - brzina
h - šarnirna osa x - uzdužna osa projektila да - oznaka za parametre neporeme-ćenog strujanja.
Literatura:
[1] Minović, S.: Dinamika sistema vođenja i upravljanja projektila.
[2] Damljanović, D., Vitić, A.: Ispitivanje modela polukrila sa roleronom na Mahovim brojevima 0,5 do 2,0 u aerotunelu T-38, Vojnotehnički institut, interni izveštaj, 2005.
[3] Marinkovski, D., Damljanović, D.: Proračun i baždarenje trokomponentne aerovage za ispitivanje rolerona, Vojno-tehnički institut, interni izveštaj, 2005.
[4] Damljanović, D.: Ispitivanje rolerona pomoću trokomponent-ne aerovage na Mahovim brojevima 0,5, 1,0 i 1,75 u aerotu-nelu T-38, Vojnotehnički institut, interni izveštaj, 2005.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
399
Q
Sl. 2 - Eksperimentalni model sa roleronom u radnom delu aerotunela T-38
400
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Sl. 3 - Roleron sa ozubljenim rotorom
405
645
Sl. 4 - Polukrilo sa roleronom
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
401
__________________92
5/45'
-1 тпттттотгга CD
_i__U U CM
Sl. 5 - Roleron
Sl. 6 - Optički davač u blizini rotora rolerona
402
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
Sl. 7 - Trokomponentna aerovaga
t, s
Sl. 8 - Broj obrtaja rotora rolerona nultog otklona u funkciji Mahovog broja
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
403
Sl. 9 - Broj obrtaja rotora u zavisnosti od otklona rolerona na Mahovom broju M = 1,75
M=1.75
Sl. 10 - Koeficijent momenta valjanja modelapolukrila u zavisnosti od otklona rolerona na
Mahovom broju M = 1,75
404
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
750 -
700 -650 -
M
Sl. 11 - Broj obrtaja rotora u zavisnosti od otklona rolerona i Mahovog broja
Sl. 12 - Koeficijent šarnirnog momenta rolerona u zavisnosti od otklona i Mahovog broja
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
405
Sl. 13 - Koeficijent momenta valjanja modela polukrila u zavisnosti od otklona rolerona i Mahovog
broja
406
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4/2007.
