CC BY
35
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Том XVII 1986
№ 4
УДК 533.6.071.08 : 681.26.07
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА МОДЕЛЕЙ В ДОЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
Ю. Д. Вышков, С. А. Ковальногов, В. Н. Усачев, Г, К. Шаповалов
Приведено описание системы электромагнитного подвеса моделей в дозвуковой аэродинамической трубе. Представлены результаты по измерению с помощью системы электромагнитного подвеса аэродинамического сопротивления моделей и по исследованию влияния поддерживающего устройства. Максимальная масса модели достигала 2 кг, скорость потока изменялась в диапазоне 0—60 м/с, размер сечения рабочей части трубы 400X600 мм2.
Электромагнитный подвес моделей в аэродинамической трубе имеет ряд преимуществ перед механическими подвесками и державками. В течение ряда лет работы по созданию такого подвеса ведутся во Франции, Англии и США [1]. В настоящей статье рассматривается система электромагнитного подвеса моделей для дозвуковой аэродинамической трубы, созданная в результате сотрудничества Московского авиационного института и ЦАГИ.
Система электромагнитного подвеса удерживает модели массой до 2 кг в середине рабочей части аэродинамической трубы прямоугольного сечения с размерами 400X600 мм2 (рис. 1). Стабилизация положения модели осуществлялась по всем шести пространственным координатам. Угол атаки изменялся от —10° до +10°. Рабочий диапазон скорости потока составлял 0—60 м/с, диапазон измерения силы сопротивления 0—2 Н.
Рис. 1
и. 1
ffi 1 1 '№ 1 #
: г
_ V в J 1 V 9 ) (
■ i
2,3
1 5
Рис. 2
Схема системы электромагнитного подвеса моделей приведена на рис. 2. Стабилизация подвешиваемой модели 1 в вертикальной плоскости по оси у и углу вращения относительно оси г осуществляется с помощью электромагнитов 2 и 3; 5 и 6. С целью уменьшения потребляемой мощности электромагниты 2 и 3 имеют общий магнитопровод 4, а в модель вставляется сердечник в виде полого цилиндра из магнито-мягкой электротехнической стали. В отличие от известных электромагнитных подвесов моделей [1] в системе введены дополнительные электромагниты 5 к 6, устанавливаемые снизу рабочей части трубы. Электромагниты каждой из пар 2 и 5, 3 и 6 имеют совпадающие по направлению вертикальные оси. Использование дополнительных электромагнитов позволяет расширить область устойчивости стабилизации модели и улучшить динамические характеристики подвеса. Стабилизация модели в горизонтальной плоскости осуществляется за счет неоднородности магнитного поля электромагнитов 2 и 3 и электромагнитами 8 и 9. Сила сопротивления модели уравновешивается с помощью соленоида 7, охватывающего рабочую часть аэродинамической трубы. Угол крена стабилизировался за счет закрепленного внутри модели цилиндрического постоянного магнита, ориентирующегося вдоль направления поля, создаваемого электромагнитами 2 и 3. Для моделей в виде тел вращения без оперения и крыльев угол крена не стабилизировался. Все электромагниты, кроме соленоида 7, имеют одинаковую конструкцию. Они собраны из последовательно соединенных секций, намотанных медным проводом прямоугольного сечения в теплостойкой изоляции, что позволяет ограничиться естественным воздушным охлаждением электромагнитов при длительности непрерывной работы системы не более одного часа.
При необходимости увеличения массы модели, аэродинамических нагрузок или длительности работы установки предусматривается возможность принудительного жидкостного охлаждения. Сердечники электромагнитов выполнены из обычной конструкционной стали, имеют простую цилиндрическую форму и не шихтованы, так как исследования показали, что наводимые в сердечнике вихревые токи оказывают малое воздействие на Динамические свойства подвеса. Канал регулирования тока каждого электромагнита содержит оптоэлектронный датчик положения модели вдоль направления оси данного электромагнита, устройство управления, предварительный усилитель и усилитель мощности. Каждый датчик имеет источник излучения и фотоприемник. Фотоприемник выполнен в виде двух разнесенных фотоэлементов, затенение которых изменяется при перемещении модели.
На рис. 3 представлена схема датчика положения модели вдоль оси одного из электромагнитов. Разностный ток фотоэлементов 4 поступает на вход устройства управления. Устройства управления всех каналов одинаковы и формируют выходной сигнал вида
i/вых = Е sign («? + ь'я),
где Е — напряжение питания, q — отклонение модели от требуемого положения вдоль оси электромагнита, а и 6 — коэффициенты регулирования.
Устройство управления выполнено на операционных усилителях серии 140 (рис. 4). На инвертирующий вход усилителя А1 подаются сигналы отклонения модели с фотоэлементов VI и V2 датчика положения и регулируемое смещение с потен-
Рис. 4
циометра Я.1, позволяющее изменять пространственное положение модели. На операционном усилителе А2 формируется сигнал, пропорциональный производной смещения модели, на усилителе АЗ— сигнал, пропорциональный смещению. Цепочка К7, С1 повышает помехозащищенность устройства. Потенциометры ШЗ и Я.14 позволяют регулировать коэффициенты а и Ъ. Релейное регулирование получается за счет большого коэффициента усиления операционного усилителя А4, в котором отсутствует резистор обратной связи.
В устройствах управления электромагнитов 8 и 9, стабилизирующих положение модели в горизонтальной плоскости, отсутствует сигнал отклонения модели от положения равновесия и имеется лишь составляющая, пропорциональная производной отклонения. Для стабилизации положения модели в горизонтальной плоскости используются составляющие сил электромагнитов 2 к 3 вдоль оси г, возникающие при боковых отклонениях модели. Электромагниты 8 и 9 используются только для демпфирования колебаний модели в горизонтальной плоскости.
Введение сигналов по производной отклонения модели от положения равновесия в управление необходимо для обеспечения устойчивости подвеса, так как в системе практически отсутствует естественное демпфирование. Для обеспечения более высоких качественных показателей стабилизации целесообразно вводить в управление вторую производную, но получить ее аналоговым путем не удается вследствие большого уровня помех даже при однократном дифференцировании.
Выходные сигналы устройств управления поступают на предварительные усилители, предназначенные для усиления сигналов до величин, достаточных для управления усилителями мощности, питающими электромагниты. Усилители мощности выполнены на включенных параллельно составных транзисторах.
Сила тяжести модели и постоянная составляющая вертикальной аэродинамической силы у уравновешивается постоянными составляющими токов электромагнитов 2 и 3, а постоянная составляющая силы сопротивления х — постоянной составляющей тока соленоида 7.
С помощью системы электромагнитного подвеса были проведены первые исследования по определению аэродинамического сопротивления моделей в форме тел вращения. Испытания проводились на модели, представляющей собой стальной полый сердечник цилиндрической формы с тремя различными съемными носками: тупым, коническим и сферическим. Длина модели составляла ¿=440 мм, диаметр ¿=40 мм, масса Р=2 кг. Все испытания были проведены при нулевом угле атаки. В этом случае определение сопротивления модели проводилось не по величине тока соленоида 7, потребной для удержания модели, а по величине смещения модели в направлении оси х при нулевом токе соленоида 7. При таком смещении модели появляется составляющая силы электромагнитов 2 и 3, направленная вдоль оси х к положению равновесия.
Смещение модели определялось по отклонению тени модели, контролируемому по миллиметровой шкале на дальней стенке рабочей части трубы- Предварительно были проведены испытания с целью построения градуировочной зависимости смещения тени носка модели от приложенной горизонтальной силы. При этом использовались: подвесной блок, установленный на массивном регулируемом штативе, тонкая капроновая нить, одним концом прикрепленная к центру донного среза, другим через блок, связанная с чашкой для разновесов, и набор разновесов.
Для всех моделей испытания проводились при скоростях набегающего потока V—15; 25; 35; 40 м/с, что соответствовало числам Рейнольдса Ие=4,24-104; 7,07-Ю4;
+ с
о С * <
4S-
i________________________1
S
Рис. 5
10 Re-10*■
С}
0,5
л без держадки » с держабкои
J_____L
J_____I
5 10 Re-Ю *
Рис. 6
9,90 • 104; 1,13 - 105, вычисленным по диаметру модели. После обработки результатов эксперимента строились зависимости с*(Re), представленные на рис. 5 для трех различных моделей при нулевом угле атаки.
Суммарная погрешность измерения определяется нестабильностью параметров магнитной системы, нестабильностью системы регулирования, погрешностью градуировки и погрешностью измерения величины смещения модели.
Нестабильность параметров в магнитной системе определяется изменением магнитных свойств материала, гистерезисным характером намагничивания, изменением размеров магнитопроводй, сопротивления и геометрии обмоток при изменении температуры. Температурная погрешность уменьшается введением температурной поправки. Для уменьшения погрешности от гистерезиса выбирался магнитомягкий материал магнитопровода. Оценка погрешности за счет нестабильности параметров магнитной системы, проведенная в работе [2] для магнитной системы, подобной рассматриваемой, показала, что величина погрешности за счет нестабильности параметров магнитной системы не превышает 0,2%.
Нестабильность системы регулирования обусловлена, в основном, нестабильностью датчика положения и напряжения питания. Обусловленная этими факторами погрешность не превышала 0,4%. Погрешность градуировки и погрешность измерения величины смещения модели не превышали 0,4%. Величина суммарной погрешности измерения не превышала 1%. Суммарная погрешность может быть существенно снижена при применении многократного измерения и статистической обработки результатов.
Следует отметить, что проведенные весовые эксперименты с помощью электромагнитного подвеса модели не преследовали цели специальных параметрических исследований. Они были призваны продемонстрировать новые возможности такого подвеса для определения полного сопротивления моделей, включая и донное. В представленных экспериментах измерялось сопротивление моделей только в форме тел вращения, совершенно очевидно, что нет принципиальных трудностей для распространения этой методики на измерение сопротивления различных компоновок.
Помимо определения коэффициентов аэродинамического сопротивления тел вращения были проведены исследования по определению влияния хвостовой державки на сх модели с коническим носком. Ложная державка крепилась на массивном регулируемом штативе и вплотную придвигалось к донному срезу модели (не соприкасаясь с ним), моделируя реальные испытания в аэродинамической трубе. При уходе модели от положения равновесия державка искусственно отодвигалась горизонтально на такое же расстояние. Соответствующие результаты по влиянию державки на -аэродинамическое сопротивление представлены на рис. 6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zapata R. N., HumphrisR. R. Experimental feasibility study of the application of magnetic suspension techniques tu Large — Seale aerodynamic fest facilities. — AIAA Paper N 74—615, July, 1974.
2. Вышков Ю. Д., Скубачевская Т. Г. Способ измерениг скорости газодинамического потока с использованием электромагнитного подвеса. — Метрология, 1985, № 5.
Рукопись поступила 9/VI 1985 г.
