CC BY
10
The article considers a new simulation model of the business process for the maintenance and repair of engineering infrastructure. The model was developed in the AnyLogic simulation environment and is publicly available in the AnyLogic Cloud. The proposed model allows for the analysis and optimization of business processes, including according to such criteria as the speed ofprocessing applications, the maximum number of applications in the queue, and the profit of the managing organization. Experiments were carried out with several sets of input data, the dependencies of the models on the input data were built.
Key words: simulation modeling, technical operation, engineering infrastructure, apartment building, managing organization.
Glukhanov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, professor, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,
Pospelov Kapiton Nikolaevich, analyst of the laboratory, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
УДК 681.23: 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-577-578
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С МАЛОЙ ВРЕМЕННОЙ КОГЕРЕНТНОСТЬЮ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЩЕЛЕВЫХ ЗАКРЫЛОК НА КРЫЛЕ САМОЛЕТА
Е.Е. Майоров, Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Н.Е. Баранов
Статья посвящена использованию излучения с малой временной когерентностью для исследования поверхности щелевых закрылок на крыле самолета. Щелевые закрылки служат для срыва потока с поверхности при помощи сужающейся щели и одним из факторов качественного функционирования щелевых закрылок является высокая частота поверхности, поэтому исследование поверхности этих объектов перспективно и актуально. В работе определена цель и поставлена задача, а также представлены объекты и метод исследования. Показана функциональная схема интерференционного прибора и рассмотрена её работа. Получены интерферограммы и микрорельеф поверхностей щелевых закрылок. Выявлены зависимости распределения коэффициента отражения в поперечном направлении, где амплитуда интерференционного сигнала пропорциональна коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптической неоднородности, положение которой определяется равенством длин в ветвях интерферометра.
Ключевые слова: коэффициент отражения, микрорельеф поверхности, опорное зеркало, щелевые закрылки, фотоприемник, интерференционный прибор, воздушное судно.
В настоящее время производители летательных аппаратов стараются максимально улучшить аэродинамические характеристики выпускающей продукции [1]. Совершенствуют аэродинамические формы, улучшают состояние поверхности, герметизируют конструкцию, борясь с сопротивлением самолета [2]. В самолетостроении современные воздушные суда строят по схеме свободного несущего моноплана (крыло к фюзеляжу крепят специальным образом под некоторым установочным углом) [3]. Особое влияние на аэродинамику оказывает интерференция, которая влияет на обтекание одних частей на другие части самолета. Уменьшение аэродинамической интерференции достигается специальной компоновкой с применением заполнителей. Заполнители обеспечивают максимально гладкую поверхность частей воздушного судна и уменьшают угол расширения потока, что исключает различного рода завихрения и срывы воздушного потока [4].
Поверхность летательного аппарата влияет на пограничный слой и сопротивление трения. Для того чтобы содержать поверхность воздушного судна в надлежащим состоянии необходимо вести визуальный контроль и обрабатывать корпус специальными жидкостями в зависимости от времени года [5]. Устранение дополнительных сопротивлений, завихрения потока и протекания воздуха через щели между её элементами возможно посредством качественной герметизации конструкции воздушного судна. Итак, уменьшая сопротивление самолета, улучшается аэродинамика и уменьшается расход топлива в полете.
Многие производители самолетов уменьшают площадь и длину крыла, что влияет на аэродинамику и взлетно-посадочные характеристики. При проектировании крыла конструкторы стремятся увеличить скорость, а при взлете и посадке усовершенствовать специальные механизмы, называемыми механизацией крыла. Основные виды механизации - это щитки, закрылки и предкрылки.
В данной работе будут исследованы поверхности щелевых закрьшок разных марок воздушных судов. Щелевые закрылки служат для срыва потока с поверхности при помощи сужающейся щели. Одним из факторов качественного функционирования щелевых закрылок является высокая частота поверхности [6].
Получение высокоточных и достоверных данных о геометрических параметрах поверхности исследуемого объекта всегда являлось значимой задачей для технических служб аэропорта при контроле корпуса воздушного судна, так и механизации крыла [7]. В последние годы для контроля поверхностей механизмов крыла технические службы применяют визуальный контроль, а иногда профилометры [8].
Оптические методы и средства контроля поверхности объектов основаны на анализе отраженного светового излучения от исследуемой поверхности [9]. В частности, интерференционные приборы и системы, имеющие в качестве источника излучения суперлюминесцентные или диоды белого света (источники с малой временной когерентностью) находят всё больше своё применение в различных областях науки и технике [10]. Эти приборы имеют определенные успехи в практическом использовании. В научно-технической литературе на высоком уровне освещены их теоретический анализ, функционирование, решены многие вопросы построения и эксплуатационных характеристик этих приборов [11-13].
Классические интерференционные приборы и системы измерения зеркальных, высокополярованных поверхностей для исследования указанной поверхности не пригодны, так как поверхность имеет определенный класс шероховатости [14-16]. Потому может представлять интерес исследование поверхностей щелевых закрылок на крыле самолета, используя излучение малой временной когерентности интерференционного прибора.
Цель работы состояла в использовании излучения с малой временной когерентностью для исследования поверхности щелевых закрылок на крыле самолета.
Постановка задачи. Исследовать поверхности щелевых закрылок у разных воздушных судов когерентно-ограниченным интерферометрическим прибором. Получить и проанализировать зависимости коэффициента отражения от координаты X (в поперечном направлении) поверхности щелевой закрылки.
Объекты и метод исследования. Правильное функционирование щелевой закрылки зависит от разных
физико-механических параметров в том числе и от качества поверхности.
—4
I I I I
Рис. 1. Функциональная схема интерференционного прибора: 1,15 - суперлюминесцентные диоды;
2 - микрообъектив; 3, 8 - светоделители; 4 - объект; 5, 7, 9,10,11 - зеркала; 6,14,16 - фотоприемники;
12 - модулятор; 13 - дифракционные решетки; 17 - датчик скорости; 18 - блок обработки сигналов;
РС - компьютер
Для исследования поверхности исследуемых объектов использовался интерферометр, где в качестве источника излучения использовался суперлюминесцентный диод, функциональная схема которого представлена на рис. 1.
Интерференционный прибор построен на основе интерферометра Майкельсона. В одну из ветвей вместо зеркала помещена исследуемая поверхность объекта. Источник светового излучения - суперлюминесцентный диод 1 с длиной волны X = 0,83 мкм, длиной когерентности 1с = 30 мкм, мощностью излучения 3 мВт. Микрообъектив 2 (10х, / = 15,5 мм, А = 0,3) фокусирует световое излучение источника на поверхность объекта 4 и на опорную поверхность (зеркало 9).
В процессе измерений изменяется разности хода О1М - ОгЫ за счет перемещения опорного зеркала 9 (О1М). Зеркало установлено на пружинном параллелограммном механизме, колебания которого возбуждаются электромагнитным модулятором 12. Когда в ветвях интерферометра наступает момент равенства длин О1М и ОгЫ, то на фотоприемнике 6 появляется максимум сигнала.
При перемещении зеркала 9 изменяется длина в опорной ветви интерферометра, которая определяется с помощью пары голографических дифракционных решеток 13, одна из которых неподвижна, другая - жестко связана со сканирующим зеркалом 9. Направление взаимного смещения дифракционных решеток на схеме обозначено стрелкой. Шаг решеток равен 1,5 мкм. Решетки освещаются источником 15, сигнал регистрируется фотоприемником 16.
Для определения начала отчета в состав интерферометра входит второй интерферометр, который образован светоделительной пластинкой 8, зеркалом 10 и общим для двух интерферометров сканирующим зеркалом 9. Максимум сигнала фотоприемника 14 в момент равенства длин ветвей О2L и О2М - начало отсчета. Это основной сигнал относительно которого отсчитывается положение максимума сигнала фотоприемного устройства 6.
При экспериментальных измерениях размер светового пятна на поверхности объекта был постоянно сфокусирован (не изменялся), так как положение источника света 1 изменялось во времени вдоль оси с частотой перемещения опорного зеркала 9. Расстояние до объекта отсчитывается от некоторой базовой плоскости (максимум опорного сигнала фотоприемника 14). Необходимые данные можно было получить в интервале между максимумами
сигналов 6 и 14. Подсчитывая импульсы фотоприемника 16 при перемещении дифракционных решеток 13 определялся указанный временной интервал. Искомые данные о рельефе поверхности получались из сигналов с 6, 14 и 16, которые были обработаны персональным компьютером.
В качестве объектов исследования были фрагменты поверхности щелевых закрылок трех видов летательных аппаратов: российского МС-21 и импортного Airbus A 320, Boeing 747 производств.
Экспериментальные результаты. Интерференционные методы и средства контроля поверхности основаны на формировании интерференционной картины на исследуемой поверхности. По интерференционной картине появляется возможность получать данные о форме поверхности разных объектов по всему полю. В эксперименте использован интерференционный прибор, для которого микроструктура поверхности не является препятствием при регистрации изображения, от позволяет значительно снизить чувствительность измерений, при настройке полос дает возможность в широких пределах изменять их шаг (причем цену одной полосы делает неизменной). На рис. 2 представлены интерферограммы микрорельефа поверхности трех исследуемых образцов.
Рис. 2. Интерферограммы микрорельефа поверхностей щелевых закрылок: а - МС-21; б - Airbus A 320;
в - Boeing 747
На рис. 3 представлены результаты исследования микрорельефа поверхности щелевых закрылок.
а) 6) в)
Рис. 3. Микрорельеф поверхности щелевых закрылок: а - МС-21; б -Airbus А 320; в - Boeing 747
Измеряемая площадь участка поверхности щелевых закрылок была равна 6 мм х 6 мм. Измерения производились поточечно с частотой 46 Гц. Для обеспечения съема информации с такого участка было изготовлено специальное устройство механического сканирования измерительного прибора: линейно - по одной координате, по синусоидальному закону - по другой. С помощью программы «ШейеготеЬ» была возможность представлять полученные результаты графически.
Контролируемая поверхность объекта (фрагмент поверхности щелевой закрылки) измерялась по нормали. Интерференционный прибор функционировал в сканирующем режиме измерений. Зондировалась поверхность по координате X. В этом режиме измерений изменение разности хода в ветвях интерферометра позволяло получить графические зависимости коэффициента отражения в поперечном направлении (от координаты X). Амплитуда интерференционного сигнала пропорциональна коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптической неоднородности, положение которой определяется равенством длин в ветвях интерферометра. Экспериментальные результаты приведены на рис. 4.
зо п
25
20
: 15 -
10 -
5 -
L 2
-
1000
2000
3000 4000
X, мкм
5000
6000
7000
Рис. 4. Распределение коэффициента отражения в поперечном направлении: 1 - МС-21; 2 - Airbus А 320;
3 - Boeing 747
Измерения подобного вида позволяют существенно расширить возможности данных приборов не только при контроле поверхностей объектов, но и различного рода топографических исследований.
Заключение. В работе получены изображения рельефа поверхности трех исследуемых образцов. Программой «Interferometr» была возможность представлять микрорельеф поверхности щелевых закрылок графически. Получены распределения коэффициента отражения в поперечном направлении исследуемых объектов. Данная работа может представлять интерес для контроля и диагностики поверхностей, использующихся в различных областях науки и технике.
1.
392 с.
Список литературы
Николаев Л.Ф. Аэродинамика и динамика полета транспортных самолетов. М.: Транспорт, 1990.
2. Касторский В.Е. Основы аэродинамики и динамики полета. Рига. 2010. 105 с.
3. Никитин Г.А., Баканов Е.А. Основы авиации. М.: Транспорт, 1984. 261 с.
4. Бочкарев А.Ф., Андреевский В.В., Белоконов В.М. Аэромеханика самолета: Динамика полета. М.: Машиностроение, 1985. 360 с.
5. Гарбузов В.М., Ермаков А.Л., Кубланов М.С., Ципенко В.Г. Аэромеханика. М.: Транспорт, 2000. 287 с
6. Колесников Г.А., Марков В.К., Михайлюк А.А. Аэродинамика летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1993. 544 с.
7. Майоров Е.Е. Федоренко А.Г., Чабаненко А.В., Хохлова М.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Исследование геометрии освещения в двухлучевых интерферометрах // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.8. С. 75-80. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-75-80.
8. Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Хохлова М.В., Дагаев А.В., Гулиев Р.Б, Таюрская И.С. Экспериментальное определение элементарного смещения в разработанной оптико-электронной системе контроля голографических объектов // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.12. С. 200-205. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-200-205.
9. Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Дагаев А.В., Гулиев Р.Б. Математическое моделирование интерференционного сигнала на выходе интерферометра для оценки погрешности измерений // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.12. С. 230-235. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-230-235.
10. Костин Г.А., Черняк Т.А., Майоров Е.Е., Курлов В.В., Таюрская И.С. Интерферометрические исследования критических поверхностей воздушного судна после обработки противообледенительными жидкостями // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.12. С. 267-272. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-267-272
11. Майоров Е.Е., Бородянский Ю.М., Р.Б. Гулиев Р.Б., А.В. Дагаев А.В., Курлов В.В., Таюрская И.С. Исследование оптических поверхностей плосковыпуклых линз экспериментальной интерференционной установкой с дифрагированным опорным волновым фронтом // Научное приборостроение. 2023. Т.33. № 1. С. 43-53.
12. Майоров Е.Е. Исследование выходного интерференционного сигнала в фазоизмерительной системе // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. С 56-60.
13. Майоров Е.Е. К вопросу о погрешности измерений в сдвиговой интерферометрии // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 61-64.
14. Майоров Е. Е., Арефьев А. В., Бородянский Ю. М., Гулиев Р. Б., Дагаев А. В., Пушкина В. П. Математическое моделирование выходного сигнала при разной геометрии апертур фотоприемников интерференционной системы анализа интерферограмм // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 4. С. 313-319. DOI: 10.17586/00213454-2023-66-4-313-319.
15. Майоров Е.Е. Исследование сложных форм поверхностей когерентно ограниченной во времени системой // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 65-68.
16. Майоров Е. Е., Костин Г. А., Черняк Т. А. Экспериментальная измерительная система для контроля поверхностей корпуса воздушного судна // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 5. С. 430-436. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-5-430-436
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Костин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, доцент, g [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова,
Баранов Николай Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А. А. Новикова
THE USE OF RADIATION WITH LOW TEMPORAL COHERENCE TO STUDY THE SURFACE OF SLIT FLAPS ON THE WING OF AN AIRCRAFT
E.E. Maiorov, G.A. Kostin, T.A. Chernyak, N.E. Baranov
The article to the use of radiation with low temporal coherence to study the surface of slotted flaps on an airplane wing is devoted. Slotted flaps serve to disrupt the flow from the surface with the help of a narrowing slit and one of the factors of the qualitative functioning of slotted flaps is the high frequency of the surface, therefore, the study of the surface of these obiects is promising and relevant. The paper defines the goal and sets the task, as well as presents the obiects and method of research. The functional scheme of the interference device is shown and its operation is considered. Interfero-grams and microrelief of the surfaces of slit flaps were obtained. The dependences of the distribution of the reflection coefficient in the transverse direction are revealed, where the amplitude of the interference signal is proportional to the reflection coefficient of the non-dispersed component from the optical inhomogeneity, the position of which is determined by the equality of lengths in the branches of the interferometer.
Key words: reflection coefficient, surface microrelief, reference mirror, slit flaps, photodetector, interference device, aircraft.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kostin Gennady Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, g_kostin@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov,
Baranov Nikolay Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov
