CC BY
116
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 629.735.6:75
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКРАНОПЛАНА ВБЛИЗИ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
И.Н. МЕЩЕРЯКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Аналитически исследуются особенности влияния конструктивных и режимных параметров на основные факторы обеспечения условий устойчивости продольного движения экранопланов.
Ключевые слова: экраноплан, устойчивость полета, конструктивные и режимные параметры.
Устойчивый экраноплан должен обладать двумя основными качествами: сохранять невосприимчивость к воздействию относительно слабых возмущений (порыв ветра, касание волны), обеспечивающую ему достаточную "плотность хода" у экрана; вместе с тем, на более сильные возмущения, способные нарушить режим балансировки, он должен отвечать такой реакцией, которая обеспечивает быстрое восстановление исходного режима полета.
Особенностью экранного режима полета является зависимость коэффициента подъемной силы крыла несущего комплекса одновременно от двух факторов: высоты полета и угла атаки экраноплана. Такая зависимость учтена при исследовании устойчивости движения экраноплана в работах Иродова Р.Ф., Жукова В.И. (ЦАГИ) [1, 2], где получены условия апериодической и колебательной устойчивости движения.
Анализ возмущенного движения экраноплана, как и самолета, производится по значениям коэффициентов а при корнях X характеристического уравнения 5-й степени:
I5 + а^4 + &213 + аз12 + + ^5 = 0 (1)
При оценке устойчивости экраноплана основную роль играет анализ короткопериодического движения, то есть первый момент возмущенного движения с еще постоянной скоростью. В этом случае характеристическое уравнение становится уравнением 4-го порядка:
14 + а^3 + а212 + аз1 + а4 = 0 (2)
Выделив в свободном члене а4 характеристического уравнения производные, зависящие от высоты над экраном, можно сформулировать критерий продольной устойчивости экраноплана
[3]:
а4 = (т 2/12)сус;(ха - Х&) > 0, (3)
(для профиля знак производной по углу атаки всегда положительный С^ > 0, а по высоте всегда отрицательный С^ < 0).
В дополнение к обычно используемому параметру - фокусу по углу атаки относительно носка средней аэродинамической хорды (САХ) Х& = Хт - /Су предлагается фокус по высоте полета Ха = Хт - ш^1 /Су - условная точка приложения прироста подъемной силы при изменении высоты над экраном.
В работах [1, 2] доказано, что добиться апериодической устойчивости только выбором положения центра тяжести невозможно, обязательным условием устойчивости экраноплана явля-
ется положительный знак свободного члена характеристического уравнения (а4 > 0). В свою очередь, знак этого члена фактически определяется разностью фокусов по углу атаки и по высоте, и не зависит от положения центра тяжести аппарата (3). То есть в компоновке экраноплана при всех изменениях высоты полета и угла тангажа фокус по высоте должен всегда находиться впереди фокуса по углу атаки: Х^ > Х^ (от носка САХ, рис. 1).
* Г 1
Фокус по высоте полета Х^ : 1 Фокус по углу атаки Хґа
і Г 1
Вес летательного аппарата О 0
Рис. 1. Условие устойчивости экраноплана
Исследования устойчивости экраноплана при движении вблизи опорной поверхности и изменении различных конструктивных и режимных параметров показали [4], что апериодической устойчивости можно добиться выбором аэродинамической компоновки.
Расположение горизонтального оперения по нормальной самолетной схеме позади крыла на корпусе экраноплана (схемы типа Ил-18, Ан-24, т.д.) приводит к существенному изменению скосов потока перед оперением при изменении высоты полета. Например, для обычной самолетной компоновки при уменьшении высоты полета у экрана уменьшается скос потока за крылом, растет угол атаки и подъемная сила оперения, появляется пикирующий момент, и аппарат продолжает снижаться. Такое поведение говорит о перемещении фокуса по высоте за фокус по углу атаки, то есть не выполняется условие Х^ > Х^. Следовательно, экраноплан самолетной схемы с низкорасположенным оперением апериодически неустойчив при полете вблизи экрана.
Добиться устойчивости по высоте полета в такой схеме возможно выносом оперения из зоны интенсивного изменения скосов потока за крылом, т. е. установкой Т-образного кормового оперения. Это и было применено А. Липпишем на его первом экраноплане Х-112 и Р.Е. Алексеевым при классической схеме КМ [5].
Нормальная самолетная схема с Т-образным оперением на многих экспериментальных аппаратах подтвердила удовлетворительные характеристики устойчивости полета вблизи поверхности. Существенным недостатком такой схемы экраноплана является то, что балансировочная сила горизонтального оперения направлена вниз, а это снижает аэродинамическое качество. В таких схемах увеличены потери на балансировку.
Проблему обеспечения устойчивости при высоком аэродинамическом качестве удалось решить тандемным расположением несущих поверхностей горизонтального оперения впереди крыла на корпусе экраноплана - схема "утка". В такой схеме переднее горизонтальное оперение создает положительную подъемную силу и находится в зоне влияния экрана - это обеспечивает создание на нем достаточной балансировочной силы.
Проведем анализ устойчивости экранопланов нормальной схемы и схемы " утка" с позиции их эксплуатационных возможностей. При изменении конструктивных и режимных параметров в широком диапазоне и при их большом количестве выполнять анализ становится затруднительно. Поэтому рациональнее исходить не из дифференцированного подхода по каждому отдельному параметру, а получить более информативный критерий. В качестве такого критерия может служить режимно-центровочная диаграмма экраноплана (РЦД) Н = {(1), где
1 = ——-— (для экраноплана нормальной схемы) и 12 = —— (для экраноплана схемы "утка").
Вкр Вкр
Здесь Н = Н/Вкр , а остальные обозначения - в соответствии с рис. 2.
Рис. 2. Схема гипотетического экраноплана и структура сил, действующих на него в возмущенном потоке
Эта диаграмма дает возможность оценивать устойчивость экраноплана в эксплуатационных условиях при изменении любых конструктивных параметров.
Построение РЦД ведется с использованием корней характеристического уравнения четвертого порядка (2).
Анализ проводится на основе гипотетического экраноплана, изображенного на рис. 2. Эта схема легко трансформируется к двум схемам: "утка" и нормальная.
В качестве варьируемых параметров приняты, соответственно, относительное отстояние
крыла от опорной поверхности Н (режимный параметр) и относительная длина аппарата 1 (конструктивный параметр).
Целесообразность выбора именно этих параметров объясняется возможностью через параметр Н контролировать такие важные эксплуатационные характеристики, как крейсерская скорость полета, а относительная длина 1 даст информацию о центровке аппарата. Следовательно,
плоскость Н и 1 представляет собой РЦД.
Базовыми параметрами для гипотетического аппарата схемы "утка" приняты следующие: удлинение переднего горизонтального оперения и крыла 1пго = 1кр = 1; отношение их площадей Б = Бпго / Бкр = 0,36; относительный момент инерции I = 5.
Базовыми параметрами для гипотетического аппарата нормальной схемы приняты следующие: 1пго = 1кр = 1; Б = 0,2; I = 3.
Для того чтобы изучить влияние конструктивных и режимных параметров на устойчивость экраноплана вблизи опорной поверхности необходимо при изменении этих параметров проводить сравнение получаемых РЦД с базовой.
При исследовании устойчивости экраноплана нормальной схемы необходимо рассматривать два варианта (рис. 3):
модель 1 - центр тяжести аппарата располагается впереди центра давления основного крыла (1 < 0);
модель 2 - центр тяжести располагается между центром давления крыла аппарата и центром давления стабилизатора (1 > 0).
модель 1
модель 2
- 0,6 - 0,4 - 0,2 0 0,2 0,4 0,6 ^
Рис. 3. Режимно-центровочная диаграмма экраноплана нормальной схемы
Н
0,15
/
0,1
0,05
- 0,6 - 0,4 - 0,2 0 0,2 0,4 0,6
Рис. 4. Режимно-центровочная диаграмма экраноплана схемы "утка"
Анализ РЦД для варианта экраноплана по нормальной схеме (рис. 3) показывает, что модель 1 (левая часть диаграммы) имеет только зону апериодической неустойчивости (штриховка \\), тогда как модель 2 (правая часть диаграммы) имеет и зону апериодической, и зону колебательной неустойчивости.
Таким образом, для экраноплана по нормальной схеме предпочтительна модель 1, когда центр тяжести аппарата располагается впереди центра давления крыла.
РЦД для варианта экраноплана по схеме "утка" (рис. 4) показывает ее явное предпочтение в виду отсутствия зоны колебательной неустойчивости.
На рис. 5, 6 представлены графики изменения фокусных расстояний при изменении центровки аппарата.
модель 1
цт
1кр
цд.
іго
ікр
модель 2
цт
цд.
ЯІ20
Рис. 5. Изменение разности фокусных расстояний в зависимости от центровки гипотетического аппарата нормальной схемы
Х,-Х»
Рис. 6. Изменение разности фокусных расстояний в зависимости от центровки гипотетического аппарата схемы " утка"
Характерными особенностями этих графиков являются:
1) с ростом отстояния от экрана диапазон центровок, обеспечивающих статическую устойчивость аппарата, увеличивается в пределах области апериодической устойчивости РЦД экра-ноплана;
2) изменение знака равенства Х^ - Х^ происходит на отстояниях Н и 1, которые соответствуют точкам границы апериодической неустойчивости РЦД аппарата.
Приведенный выше анализ РЦД показывает, что изменение конструктивных и режимных параметров, а также выбор компоновочных схем существенно влияют на обеспечение устойчивости движения экранопланов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иродов Р.Д. Критерии продольной устойчивости экраноплана // Ученые записки ЦАГИ. 1970. - Т.1. - № 4.
2. Жуков В.И. Некоторые вопросы продольной устойчивости экраноплана: отчет / инв. № 402. - М.: ЦАГИ,
1972.
3. Жуков В.И. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана - М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1997.
4. Жуков В.И. О некоторых вопросах продольной управляемости, устойчивости и эффективности органов управления экраноплана при нелинейных аэродинамических характеристиках: отчет / инв. № 415. - М.: ЦАГИ, 1972.
5. Белавин Н.И. Экранопланы. - Л.: Судостроение, 1977.
THE DESIGN AND OPERATING CONDITIONS INFLUENCE TO STABILITY OF WINGED SURFACE EFFECT VEHICLE NEARBY SUPPORTING SURFACE
Meshcherykov I.N.
The design and operating conditions influence to basic factors guaranteeing conditions of longitudinal motion of winged surface effect vehicle stability were investigated in this work.
Сведения об авторе
Мещеряков Иван Николаевич, 1981 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов -проблемы динамики и устойчивости экраноплана при нестационарных колебаниях.
