CC BY
56
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 111
УДК 533.6.011
ОБТЕКАНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ КОНТЕЙНЕРНЫХ УСТРОЙСТВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В.Т. КАЛУГИН, Е.Б. КИНДЯКОВ, Е.Г. СТОЛЯРОВА
Рассматривается математическая модель (ММ) динамики и аэродинамики контейнера на внешней подвеске (ВП) летательного аппарата (ЛА), позволяющая моделировать его движение в пространстве. Проведено численное моделирование дозвукового отрывного обтекания контейнера с помощью метода контрольных объемов. Выбрана система стабилизации (СС), позволяющая уменьшить амплитуду раскачки контейнера до допустимого предела.
При транспортировке грузов, перевозимых вертолетом на внешней подвеске (строительные и спасательные работы), существует проблема, связанная с возникновением неконтролируемой раскачки груза вследствие периодического срыва вихрей с его поверхностей. Это явление может привести к аварии летательного аппарата (ЛА) [1].
Целью настоящей работы явилось исследование аэродинамики и динамики контейнера, объяснение причин его раскачки, создание физической, математической моделей обтекания и движения груза на внешней подвеске ЛА, а также выбор устройства для его аэродинамической стабилизации в полете.
Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить структуру обтекания модели контейнера, а также объяснить причину его раскачки. На боковых поверхностях контейнера, переносимого вертолетом на ВП, возникают области отрывного течения, давление на боковых поверхностях повышается и становится равным давлению в области смешения [2]. В результате возникает результирующая поперечная сила ЛЪ = Ъ1 - Ъ2, раскачивающая груз (рис. 1а, 1б). Даже при небольшом угле скольжения в груза параметры зоны отрыва меняются, и поперечная сила начинает действовать в противоположную сторону. Боковую аэродинамическую силу Ъ в общем случае можно разложить на два слагаемых: Ъ(РД) = Ъ(в) + Ъ(Т). При этом нестационарная сила Ъ(1), возникшая вследствие отрыва потока, приложена в некоторой точке на поверхности контейнера и создает момент, вращающий контейнер на некоторый дополнительный угол скольжения; значение составляющей Ъ(в) растет, а значит, увеличивается и суммарная сила ЪфД).
Для оценки величины боковой аэродинамической силы Ъ(вД) использовался численный метод контрольных объемов (МКО) [3] для следующей модели потока: течение плоское, нестационарное, газ несжимаемый. Тело представляло собой цилиндр квадратного сечения бесконечной длины. Параметры невозмущенного потока и положение профиля являются неизменными во времени.
Расчет проводился для следующих условий обтекания: скорость набегающего потока У¥ = 20 м/с, угол атаки а = 0°; число Яе, рассчитанное по стороне профиля, Яе = 2-105. Использовалась к-8 модель турбулентности и сетка типа "О" трех уровней. Первый уровень сетки содержал 24 х 16 контрольных объемов, второй - 48 х 32, третий - 96 х 64. На рис. 2 и 3 приведены структура течения вокруг обтекаемого тела (линии тока) и изобары для моментов времени 11 и 12, причем, 1;1<1;2.
В результате вычислений были получены графики изменения аэродинамических коэффициентов Сх(1;) и С2(1;) (см. рис. 4).
Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.
Изменение боковой силы профиля имеет характер устойчивых автоколебаний. Частота этих автоколебаний зависит от числа Рейнольдса набегающего потока. При угле скольжения в = 0° режим обтекания остается в течение определенного времени стационарным. Это означает, что некоторое время в данной области профиля существует устойчивая зона возвратного течения.
= ^ -
Рис. 1. Структура обтекания контейнера
Рис. 2. Линии тока
а) 1 = ^
я
б) 1 = І2
Рис. 3. Изобары
Рис. 4. Изменение аэродинамических коэффициентов на боковых гранях профиля
Однако в дальнейшем вихри, формирующие эту зону, отрываются от кормовой грани профиля и сносятся вниз по потоку. В процессе сноса из-за влияния малой асимметрии, имеющей место как в реальном течении, так и при численном моделировании, один из вихрей обгоняет другой. Так как вслед за другими вихрями происходит образование и отрыв двух новых вихрей, то при сносе вниз по потоку постепенно создается вихревой след ("дорожка Кармана"). Ввиду наличия такого следа образование вихрей и их отрыв происходят в дальнейшем попеременно с верхней и нижней поверхностях профиля, что и влечет за собой колебания боковой силы.
Специальные экспериментальные исследования позволили определить стационарные составляющие аэродинамических сил и моментов, действующих на контейнер. Модели контейнеров представляли собой тела в форме параллелепипедов различных размеров. Эксперименты проводились при скоростях набегающего потока У¥ = 20 м/с 40 м/с в диапазоне изменения углов атаки а = -20° 20°. Полученные результаты численного и физического моделирования бы-
ли использованы при расчете относительного движения контейнера.
Уравнение движения контейнера запишем в системе координат ХёУё2ё, жестко связанной с ЛА. Система координат ХХХ жестко связана с грузом. Все силы, действующие на контейнер, показаны на рис. 5. Угол у совпадает с углом скольжения р. Рассматривается движение модели контейнерного устройства на внешней одноточечной неподвижной подвеске в дозвуковом потоке. При составлении математической модели движения использован ряд допущений: трос невесомый, нерастяжимый, вертикальная ось у всегда проходит через центр масс груза, центр давлений находится на оси х, сила 2(1) = 20^іп(ю1+ф), где 20 - амплитуда силы 2, ю - частота действия боковой силы 2, ф - ее фаза, ЛА мгновенно набирает скорость, отсутствует влияние ветра.
Рис. 5. Силы, действующие на Рис. 6. Переход между системами
контейнер координат
Система уравнений движения контейнера имеет следующий вид:
X е = (Т(0, у,у,Х е)-а2(0, У, У)+а1(0, у,у>я(Х §)8СХ (0))/ш+
+а2(0, У,у • Я(Х g)• §• Су(0)+аз(0, уу> я(Х • Б • С20,1Х
<2 g = (Т(0, у,у,Х g)• С2(0, У,У)+Сі(0, у,у) я(Х g) • Б • Сх(0))/ш + (1)
+с 2 (0, Я(Х g)• §• Су(0)+Сз(0, У, У> Я(Х g) • ^(У,1Х
Iу=(-Я(Х g)• §• hz )/Jy ,
где а1(6,у,у), а2(0,у,у), аэ(0,у,у), Ь1(0,у,у), Ь2(0,у,у), Ьэ(0,у,у), С1(0,у,у), С2(0,у,у), сэ(0,у,у) - коэффициенты матрицы перехода [4] от системы координат Х§У§2§, жестко связанной с летательным аппаратом, к системе координат ХУ2, связанной с грузом (рис. 6); Хё, Уё, - ко-
ординаты центра масс груза; т - масса груза; Б - площадь миделевого сечения груза; Сх, Су, С2 - аэродинамические коэффициенты; а, Ь - размеры контейнера; - плечо силы 2;
д(Х )=0,5р(У¥ + Xё)2- скоростной напор; 1у = т(а2 + Ь2)/12 - собственный момент инерции груза относительно оси у; Т(0, у,у,Хё) = ^(Х ё)БСу(0)+т§со8(0)сов(у) - сила натяжения троса; С2 (у^) = -С Ь+С2 (1) - аэродинамический коэффициент силы 2(уД).
а б
Рис. 7. Траектории движения контейнера (У» = 20 м/с, т = 4 кг, 1 = 1 м): а - без СС; б - с СС
По системе уравнений (1) проведено моделирование движения модели контейнера на ВП ЛА. Фазовый портрет динамики груза в горизонтальной плоскости Хё2ё представлен на рис. 7а. Сплошной линией на рисунке показана траектория движения контейнера относительно неподвижной точки подвеса. Пунктиром - ограничения на амплитуду раскачки. Видно, что происходит неконтролируемая раскачка груза в боковом направлении. На аэродинамической дозвуковой установке был проведен ряд экспериментов с различными системами стабилизации. В результате была выбрана система стабилизации, представляющая собой перфорированный конус 2, закрепленный на специальной надстройке 1 (рис. 8). Используя систему уравнений движения, аналогичную (1), но с учетом стабилизирующего конуса, была рассчитана траектория движения груза. Фазовый портрет динамики груза в горизонтальной плоскости представлен на рис. 7б. Параметром, определяющим амплитуду раскачки контейнера, является угол у. На рис. 9 приведены графики изменения угла раскачки контейнера у в боковом направлении.
Видно, что траектория раскачки контейнера (рис.7б и 9б) укладывается в ограничения по амплитуде (обозначенные пунктиром) и не превосходит значения 0,12 м, что соответствует (-10° < у < 10°).
Таким образом, на основе проведенного исследования установлена причина раскачки груза, составлена физическая и математическая модель его движения, предложено стабилизирующее устройство, позволяющее значительно уменьшить амплитуду колебаний контейнера.
&
г?
Рис. 8. Система стабилизации "перфорированный конус"
t, [с] t, [с]
а б
Рис. 9. Изменение угла у во времени: а - без СС; б - с СС
ЛИТЕРАТУРА
1. Паршенцев С.А. Системы стабилизации и азимутальной ориентации груза на внешней подвеске вертолетов для выполнения АСМР // Полет. 2004. №12. С. 51 - 58.
2. Калугин В.Т. Аэрогазодинамика органов управления полетом летательных аппаратов. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.
3. Калугин В.Т., Занегин И.Н. Исследование процесса образования и отрыва вихрей при обтекании цилиндра квадратного сечения потоком малых дозвуковых скоростей // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. - 2003. № 59. С. 14 - 19.
4. Дмитриевский А. А., Лысенко Л. Н. Внешняя баллистика. - М.: Машиностроение, 2005.
FLOW AROUND AND STABILIZATION CONTAINERS ON AN EXTERNAL SUSPENSION OF
FLYING VEHICLES
Kalugin V.T., Kindyakov E.B., Stolyarova E.G.
The subject of this work is the development of the mathematical model (MM) of dynamics and aerodynamics of loads attached by suspension bracket to the aircraft. This model allowed to simulate the load’s motion in air. The numerical simulation of a subsonic separated flow around a container using a Finite-Volume method was carried out. The system of stabilization (SS), which allows to reduce an amplitude of motion of the container to permissible limit, was chosen.
Сведения об авторах
Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 200 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
Киндяков Евгений Борисович, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирант кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, область научных интересов - управление процессами обтекания и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов.
Столярова Елена Глебовна, окончила МАИ (1971), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 50 научных работ, область научных интересов - нестационарная аэродинамика, отрывные и струйные течения.
