CC BY
37
_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
_______ 199 8
№3-4
УДК 629.735.35.015
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НИЗКОРАСПОЛОЖЕННОГО КРЫЛА ГИДРОСАМОЛЕТА С ВОЛНОВОЙ СИСТЕМОЙ ЛОДКИ
А. И. Аржанов, С. И. Гульнев, Э. В. Парышев
Представлены результаты экспериментальных исследований на модели влияния положения низкорасположенного крыла на гидродинамические , характеристики и устойчивость глиссирования гидросамолета.
В настоящее время созданы или находятся в стадии разработки гидросамолеты, такие, как «Супер Кут» (США), Р-50, Бе-103 (Россия), компоновка которых отличается от традиционной низким расположением крыла [1]. Большой объем исследований этой гидродинамической схемы был проведен в отделении гидродинамики ГосНИЦ ЦАГИ
В. П. Соколянским, П. С. Старбдубцевым и др. В режиме плавания центральная часть крыла такого самолета находится в воде, гговышая его остойчивость и позволяя обходиться без подкрыльных поплавков. Во время взлета и посадки; гидросамолета низкорасположенное крыло взаимодействует со свободной* поверхностью воды, возмущенной движением самолета. Сложный характер этого взаимодействия затрудняет определение гидродинамических характеристик самолета с низкорасположенным крылом расчетным путем. Поэтому представляет большой интерес экспериментальное исследование указанных физических процессов. В настоящей статье приводятся результаты параметрических исследований по определению влияния положения крыла на картину течения и гидродинамические характеристики самолета, выполненные на схематизированной модели, которая была специально создана в ГосНИЦ ЦАГИ.
1. Модель и методика эксперимента. Схематизированная модель гидросамолета с низкорасположенным крылом (рис. 1) состоит из корпуса 1, представляющего собой нижнюю часть лодки гидросамолета, и прозрачных пластин, имитирующих центральную часть крыла, и таким образом включает в себя те элементы, которые в основном и взаимодействуют с поверхностью воды. Конструкция модели позволяет изменять
положение крыльев относи- ' Л тельно корпуса. Одно из крыльев 2 установлено на двух
У
тензодатчиках 3, которые позволяют определять силу, действующую по нормали к поверхности крыла, и продольный момент от этой силы. Прозрачность крыльев дает возможность вести фотосъемку картины течения под крылом. Днище модели плоскокилева-
Рис. 1
тое. Угол поперечной килева-
тости р равен 12°. Ширина корпуса модели В, по которой обезразме-ривались все линейные параметры, равна 5=0,33 м, длина корпуса составляет ~ 2 м.
Система подвески обеспечивает свободное перемещение модели по вертикали и углу дифферента при фиксированных нулевых углах скольжения и крена. Положение шарнирного подвеса совпадает с центром тяжести модели и находится на расстоянии хт =0,27В от первого редана.
Опыты в основном проводились при значении коэффициента начальной нагрузки на воду сД() = Д0/(р£Я3) = 0.6, где До — нагрузка на
воду при нулевой скорости движения модели, р — плотность воды, g — ускорение силы тяжести. Безразмерная скорость буксировки модели (число Фруда) V = У/л[&В менялась от 0 до 5. Относительная высота
задней кромки бортового сечения крыла к менялась от 0,35 до 0,50, что составляет 1 — 1,5 величины осадки модели в режиме плавания, а ее продольное отстояние от первого редана равнялось хкр = 1,4.6. Угол установки крыла акр, который, как и угол дифферента, определялся относительно килевой линии модели, составлял 0 и 3°.
Помимо сил, действующих на датчики крыла модели, в опытах измерялись угол дифферента <р, вертикальное перемещение у и гидродинамическое сопротивление IV модели. Воздействие воздушного потока на модель исключалось при помощи аэродинамического щита, устанавливаемого перед моделью. Аэродинамическая подъемная сила крыла имитировалась весовой разгрузкой модели.
2. Результаты опытов. На рис. 2 представлены фотографии картины течения под крылом модели при различных скоростях движения. Белыми линиями на снимках показано положение центра давления. Характер течения существенно зависит от безразмерной скорости модели, особенно при малых значениях V , когда происходит резкое изменение как деформации свободной поверхности в процессе волнообразования, так и погружения и угла дифферента модели. Изменение положения крыла, нагрузки на воду или центровки модели при фиксированной скорости буксировки сохраняет подобие картины течения, влияя лишь на разме-
ры «смоченной» площади крыла. Наибольший «замыв» крыла наблюдается при скоростях движения, соответствующих «горбу» сопротивления (V = 2). На рис. 3 показаны полученные при расшифровке фотографий зависимости площади смоченной поверхности крыльев б'єм = $см/В2 от безразмерной скорости движения V для различных положений крыльев относительно корпуса модели. Максимальные значения £см сопоставимы с относительной площадью смоченной поверхности корпуса модели, которая составляет 2,0—2,4. На рис. 4 представлены аналогичные зависимости нормальной к поверхности крыльев суммарной гидродинамической силы, отнесенной к нагрузке на воду, Гкр=Укр/А=Гкр(К). Сила Укр заметно возрастает при опускании крыла, и при И =0,35 ее максимальное значение Утах превышает 0,4 для значения коэффициента сД() = 0,6. С
изменением коэффициента сДо в диапазоне 0,4 < сД() < 0,6
при фиксированном положении крыла величина Утах меняется, как видно из графика на рис. 5, по линейному закону.
Влияние положения крыла на зависимости угла дифферента (р = ф( V) и гидродинамического качества модели К = А/Ж = К(У) от скорости V показано на рис. 6 и 7. Зависимость гидродинамического качества от положения крыла
ственно проекцией на продольную ось сил давления на днище модели и нижнюю поверхность крыла. Можно отметить, что угол установки крыла акр, приводя к некоторому изменению
площади смоченной поверхности крыла, в отличие от А слабо влияет на гидродинамические характеристики модели.
Исследовалось также влияние низкорасположенного крыла на положение нижней границы продольной устойчивости движения модели. В качестве количественной оценки запаса устойчивости глиссирования рассматривалась величина безразмерного дифферентующего момента М = М/(А(,В), под действием которого движение модели при данной скорости буксировки становится неустойчивым. Если считать, что диф-ферентующий момент создается за счет изменения положения центра тяжести модели, то величину М можно рассматривать как изменение центровки модели Дхт относительно начального положения. Границы
устойчивости движения модели в координатах М — V для различных положений крыла при значении коэффициента сДо = 0,6 показаны на
рис. 8. Светлые кружочки соответствуют устойчивому движению модели, а темные — неустойчивому. Результаты опытов показывают, что взаимодействие крыла с водой повышает устойчивость движения моде-
к
5 -
7 -
0,6
У
V Л =0,35 ;а,,-0
0,1
0,2
М
3
О ------------1-----------1----------1--------
2,5 3 3,5 ¥ V
Рис. 8
О
2
❖ V
Рис. 7
ли. При больших скоростях V >4,5, когда гидродинамическая
подъемная сила крыла практически отсутствует, запас устойчивости модели не зависит от положения крыла. На меньших скоростях буксировки с ростом силы Укр увеличивается и запас устойчивости. При значении коэффициента сДо = 0,47 влияние положения крыла на устойчивость движения модели проявляется при скоростях V < 3,5 и только при наименьшем из исследованных значений параметра И = 0,35.
Механизм влияния низкорасположенного крыла на стабилизацию движения модели,, по-видимому, аналогичен действию второго редана корпуса гидросамолета, который, как известно [2], увеличивает демпфирование колебаний, причем его эффективность возрастает с увеличением длины межреданной части. (Для крыла таким параметром является положение задней кромки относительно' первого редана.)
В настоящее время не существует математической модели расчета гидродинамических характеристик и динамики движения гидросамолета с низкорасположенным крылом, взаимодействующим с поверхностью воды в волновом следе лодки. Представленные в настоящей работе экспериментальные результаты могут служить критерием применимости такой модели при ее разработке.
1. Современные российские и зарубежные легкие гидросамолеты. Техническая информация. Серия: «Авиационная и ракетная техника»//Изд. ЦАГИ.- 1995. Вып. 4.
2. Эпштейн Л. А. Устойчивость глиссирования гидросамолетов и глиссеров//Труды ЦАГИ.— 1941. Вып. 500.
ЛИТЕРАТУРА
Рукопись поступила 22/11997 г.
