CC BY
111
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 5
УДК 629.735.33.015.3:533.695
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СБРОСА ДИНАМИЧЕСКИ ПОДОБНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОДВЕСНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ОТДЕЛЕНИИ
ОТ МОДЕЛИ САМОЛЕТА
А. И. ДИДЕНКО, С. В. ЛЯПУНОВ, С. В. МАХЛАЕВ, В. А. ПЕСЕЦКИЙ
Приведены результаты исследований сброса динамически подобных моделей пустого подвесного топливного бака с имитацией остатка топлива в носовой, центральной или хвостовой части бака при отделении от модели самолета Як-130 в аэродинамической трубе малых дозвуковых скоростей. Описаны методика эксперимента, требования к динамически подобным моделям подвесного топливного бака и конструкция моделей. Определены условия безопасного отделения подвесного топливного бака от самолета Як-130 при приборных скоростях полета 400 — 500 км/ч.
Ключевые слова: самолет, подвесной топливный бак, сброс, безопасное отделение, эксперимент.
Безопасность отделения подвесных грузов от самолета с его внешних узлов подвески является одной из важных задач, решаемых при разработке и создании новых самолетов. Решение задачи безопасного отделения пустых подвесных баков от самолета-носителя является одним из наиболее трудных из-за малой инерционности пустых баков. В настоящей работе решалась задача обеспечения безопасного отделения пустого подвесного топливного бака от учебно-боевого самолета Як-130. На первом этапе в аэродинамических трубах были измерены нагрузки, действующие на модель подвесного топливного бака (ПТБ) в присутствии носителя при отделении ПТБ, с помощью внутримодельных тензовесов и интерференционного стенда. По результатам исследований была выбрана оптимальная геометрия подвесного топливного бака, способная обеспечить безопасное отделение его от самолета Як-130. После этого были проведены экспериментальные исследования отделения динамически подобных моделей пустого подвесного топ-
ДИДЕНКО Анатолий Иванович
ведущий инженер ЦАГИ
ЛЯПУНОВ Сергей Владимирович
доктор физикоматематических наук, заместитель Генерального директора ЦАГИ
МАХЛАЕВ Сергей Владимирович
инженер ЦАГИ
ПЕСЕЦКИИ Владимир Анатольевич
кандидат технических наук, начальник отдела ЦАГИ
ливного бака с имитацией остатков топлива в носовой, центральной и хвостовой частях от модели самолета Як-130 в дозвуковой аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ. АДТ Т-103 — труба замкнутого типа, с открытой рабочей частью. Выходное сечение сопла имеет форму эллипса с горизонтальной осью 4 м и вертикальной — 2.33 м, длина рабочей части 3.8 м. Скорость потока может плавно изменяться от 10 до 110 м/с.
Испытания по сбросам динамически подобных моделей подвесного топливного бака ПТБ, схема которого дана на рис. 1 и 2, проведены на специальной платформе ЦАГИ, предназначенной для сбросов динамически подобных моделей в аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ.
Видеосъемка сбросов динамически подобных моделей подвесного топливного бака производилась двумя видеокамерами: сбоку — видеокамерой МС1310 (Германия) с частотой 500 кадров/с; спереди-снизу — видеокамерой с частотой 50 кадров/с. Масштаб моделей ПТБ: 1 : 7.55 натурного бака.
Положение модели подвесного топливного бака под моделью самолета-носителя Як-130УБС в исходном состоянии в рабочей части аэродинамической трубы Т-103 показано на рис. 3 — 5 (крайние верхние/левые позиции видеограмм). Отсчет углов атаки модели самолета производился от контрольного сечения крыла модели самолета Як-130УБС. Испытания проведены при скоростях потока V = 50, 42 и 40 м/с.
При испытаниях на сброс динамически подобных моделей требуется соблюдение равенств чисел Фруда и Струхаля для натуры и модели:
^ = VI ; Sh =^ ,
gl V
где V — скорость полета объекта или скорость потока в аэродинамической трубе; g — ускорение силы тяжести; I — характерный линейный размер; ю — угловая скорость объекта и модели [1].
Рис. 1. Схема внутреннего устройства динамически подобной модели ПТБ (размещение грузов, имитирующих остаток топлива)
Рис. 2. Общий вид
Рис. 3. Задняя центровка, а = 7°, р = 0 (режим отделения — безопасно)
Вид сбоку Вид снизу-сбоку
Рис. 4. Задняя центровка, а = 8°, р = 0 (режим отделения — безопасно)
Вид сбоку Вид снизу-сбоку
Рис. 5. Задняя центровка, а = 10°, р = 0 (режим отделения — опасно)
Из условий равенства чисел Фруда следует, что процессы отделения сбрасываемого объекта и его динамически подобной модели будут подобны, если при одинаковой ориентировке относительно воздушного потока отношение скорости полета самолета Vн к скорости потока воздуха в аэродинамической трубе Vм будет равно корню квадратному из масштаба модели
С/ = ^ , т. е. ^ = VмсГ
/м
Сброс подвесного топливного бака в полете происходит при скоростях Vпр = 400 — 500 км/ч. Поэтому для обеспечения подобия при моделировании сброса модели подвесного бака в аэродинамической трубе скорость потока должна находиться в пределах 40 — 50 м/с.
При соблюдении подобия по числу Фруда процесс движения отделившейся модели протекает быстрее процесса движения натуры:
Поэтому для регистрации процесса отделения и движения модели подвесного топливного бака в эксперименте были использованы скоростные видеокамеры.
Из условий динамического подобия движения модели и натурного тела следуют требования к моделям подвесного топливного бака, используемых в эксперименте по сбросу динамически подобных моделей. Это значит, что отношение массы подвесного топливного бака тн к массе модели подвесного топливного бака тм будет равно кубу масштаба модели:
а отношение момента инерции подвесного топливного бака 1н к моменту инерции модели подвесного топливного бака 1м будет равно пятой степени масштаба модели:
I н = I м С/5.
При проектировании и изготовлении динамически подобных моделей необходимо добиваться максимального снижения веса основной конструкции. Резервы веса используются при доводке (с помощью дополнительных грузов) моментов инерции и центровки модели до необходимых величин по подобию. Допуски на изготовление динамически подобных моделей сбрасываемых изделий следующие: вес ±10 г; координаты центра масс ±2 мм, моменты инерции ±1.5%. Масса пустого («сухого») подвесного топливного бака самолета Як-130 в натурных условиях составляет 62 кг; при остатке топлива масса ПТБ в зависимости от положения оставшегося топлива приобретает следующие значения: носовая часть — 92 кг; центральная часть — 69 кг; хвостовая часть — 64 кг.
При имитации остатка топлива для динамически подобной модели ПТБ добавлялись соответствующие грузы: для варианта с остатком топлива в носовой части добавлялся груз массой 71.8 г, для центральной части — 18.3 г, а для хвостовой части — 6.7 г.
Все сбрасываемые динамически подобные модели ПТБ были маркированы в соответствии с положением остатка топлива индексами: П — переднее положение, Ц — центральное положение, З — заднее положение.
При проектировании динамически подобной модели ПТБ необходимо было решить две проблемы:
обеспечение соблюдения требуемого масштаба массы при необходимом уровне прочности;
измерение моментов инерции модели с допустимой точностью.
Для их решения были выполнены следующие мероприятия:
модель разрабатывалась конструктивно подобной натурному изделию с применением системы автоматизированного проектирования «САТ1А У5»;
прогнозируемые массово-инерционные характеристики были рассчитаны для виртуальной модели ПТБ.
Для обеспечения конструктивного подобия динамически подобная модель подвесного топливного бака Як-130УБС в упрощенном виде повторяет структуру натурного изделия: тонкая обшивка поддерживается рядом силовых шпангоутов, к которым крепятся элементы подвески к пилону. Носовая и хвостовая части выполнены монолитными с большими внутренними полостями, примерно повторяющими внешние обводы. Аэродинамическое оперение выполнено из сплошных листов для повышения прочности, закреплено в деталях обшивки, носовой и хвостовой оконечностей.
Моменты инерции натурного ПТБ рассчитывались в той же программе с помощью его виртуальной модели, предоставленной ОКБ им. А. С. Яковлева. Сводная таблица параметров приведена ниже.
Натурные параметры Масштабированные параметры Виртуальная модель Погрешность, % Реальная модель Погрешность, %
Масса, кг 61.936 0.14392 0.1435 1.00 0.1395 1.03
Момент ОХ, кг-м2 2.968 0.00012 0.000096 1.26 0.000092 1.32
Момент ОГ, кг- м2 74.299 0.00303 0.002949 1.03 0.002902 1.04
Момент О1, кг- м2 74.688 0.00305 0.002951 1.03 0.002903 1.05
Видно, что отклонения величин находятся в допустимых пределах. Результаты сбросов динамически подобных моделей подвесного топливного бака с различными вариантами остатка топлива представлены в форме видеограмм на рис. 6 — 8.
При анализе результатов в эксперименте под безопасным отделением понималось, что в начальный момент времени подвеска имеет тенденцию на пикирование. Все зазоры между подвеской и самолетом-носителем увеличиваются, рыскание, крен и боковое смещение — небольшие, траектория движения подвески проходит далеко от самолета.
Вид сбоку Вид снизу-сбоку
Рис. 6. Задняя центровка, а = 8°, р = +5° (режим отделения — опасно)
Вид сбоку Вид снизу-сбоку
Рис. 7. Средняя центровка, а = 8°, р = +5° (режим отделения — опасно)
Вид сбоку Вид сверху
Рис. 8. Пустой ПТБ без рулей, а = 7°, р = 2°, V = 42 м/с (режим отделения — опасно)
Опасное отделение подвески подразумевает, что в начальный момент времени она имеет тенденцию к кабрированию, рысканию, крену и боковому смещению. Зазоры между подвеской и самолетом-носителем уменьшаются. Траектория полета подвески проходит вблизи самолета, подвеска ударяется о самолет или остается на пилоне.
Из анализа результатов эксперимента следует, что при самой напряженной, с точки зрения отделения, задней центровке подвесного топливного бака с остатками топлива безопасное отделение ПТБ от самолета происходит при нулевом скольжении на углах атаки до а = 10° (см. рис. 3, 4). При угле атаки а = 10° уже в начальный момент времени происходит столкновение модели ПТБ с крылом, и далее наблюдается боковой уход модели ПТБ в непосредственной близости от пусковых устройств (рис. 5). Отделение ПТБ опасно на этом режиме. При задней центровке ПТБ отделение подвесного топливного бака также опасно на угле атаки а = 8° при угле скольжения р = +5°: траектория движения ПТБ проходит вблизи крыла (рис. 6). Отделение ПТБ также опасно и при средней центровке на угле атаки а = 8°, при угле скольжения р = +5° (рис. 7). На остальных исследованных режимах при передней, средней и задней центровках подвесного топливного бака отделение ПТБ безопасно.
В эксперименте также выполнен сброс моделей подвесного топливного бака без передних и средних рулей с остатками топлива и пустого при средней и задней центровке. Подвесной топливный бак без передних и средних рулей, с остатками топлива при различных вариантах центровки отделяется безопасно от самолета Як-130УБС до углов атаки а = 6°, при углах скольжения до Р = 2°. При угле атаки а = 7° и угле скольжения р = 2° траектория движения модели бака проходит в непосредственной близости от пилонов крыла, что опасно (рис. 8).
Таким образом, выбранный вариант подвесного топливного бака с передними и средними рулями, отклоненными на угол -10°, при наличии в нем остатков топлива безопасно отделяется от самолета Як-130УБС при скоростях полета Vпр = 400 — 500 км/ч на углах атаки до а = 10° при нулевом угле скольжения и на углах атаки до а = 8° при углах скольжения р = ±5°.
Подвесной топливный бак без передних и средних рулей, с остатками топлива при различных вариантах центровки отделяется безопасно от самолета Як-130 до углов атаки а = 6° при углах скольжения до Р = ±2°.
Проведенные летные испытания по отделению подвесных баков от самолета Як-130 подтвердили полученные результаты.
В заключение авторы благодарят Н. П. Ильяшенко, В. А. Федосееву за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аэродинамическая интерференция самолетов-носителей и подвесных грузов (по материалам иностранной печати) // Обзор ОНТИ ЦАГИ № 652, 1985.
Рукопись поступила 28/12011 г.
