CC BY
25
9. Gaft, J. Design and calculation of mechanical seals with self-adjusting clearance [Text] / J. Gaft, V. Martsinkovskyy, B. Gromyko, A. Zahorulko // Proc. XVII Int. Conf. on Fluid sealing, BHR Group, York, England, 2003. - P. 505-520.
10. Gaft, J. Theoretical and experimental investigations of buffer face impulse seals [Text] / J. Gaft, A. Zahorulko, V. Martsynkovskyy, Cz. Kundera // 11th EDF/Pprime Workshop: "Behaviour of Dynamic Seals in Unexpected Operating Conditions". Futuroscope, 2012. - P. 70-80.
11. Загорулько, А. В. Теоретические и экспериментальные исследования затворного торцового импульсного уплотнения с дискретным подводом [Текст] / А. В. Загорулько // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2015. - Т. 4, № 7 (76). - С. 45-52. doi: 10.15587/1729-4061.2015.48298
12. Gas lubricated mechanical seals [Text]. - Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH & Co., First Edition, 1997. - 75 p.
-□ □-
Виявлена природа прояву резонансних явищ в шд-вс поплавкового двохстепеневого гiроскопа в звуко-вих полях гтерзвукового польоту, яка побудована на критичнш змн звукопроникностi корпуса приладу. Окреслеш умови формування в тдвс хвильового ствп-адання на високих i низьких частотах i виявлена сту-тнь впливу симетричного i антисиметричного iмпе-дансу. Доведена ефективтсть боротьби з резонансом також резонансними методами
Ключовi слова: гiперзвуковi технологи, поплавковий гiроскоп, хвильове ствпадання, резонанс ствпадання,
антисиметричний Ыпеданс
□-□
Раскрыта природа проявления резонансных явлений в подвесе поплавкового двухстепенного гироскопа в звуковых полях гиперзвукового полета, основанная на критическом изменении звукопроницаемости корпуса прибора. Очерчены условия формирования в подвесе волнового совпадения на высоких и низких частотах и установлена степень влияния симметричного и антисимметричного. Доказана эффективность борьбы с резонансом также резонансными методами
Ключевые слова: гиперзвуковые технологии, поплавковый гироскоп, волновое совпадение, резонанс совпадения, антисимметричный импеданс -□ □-
УДК 629.7.054
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.59892|
ВОЗНИКНОВЕНИЕ РЕЗОНАНСА В АКУСТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ПОДВЕСА ПОПЛАВКОВОГО ГИРОСКОПА
В. Н. Мельник
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* E-mail: karachun11@i.ua В. В. Карачун Доктор технических наук, профессор* E-mail: karachun11@i.ua *Кафедра биотехники и инженерии Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056
1. Введение
Исследования относятся к области прикладной механики и посвящены изучению особенностей динамики подвеса поплавкового двухстепенного гироскопа в эксплуатационных условиях гиперзвукового движения [1]. Изучается влияние звуковых полей на формирование особенностей резонансного типа в полиагрегатном подвесе гироскопа [2]. Анализируются причины возникновения этих особенностей и их дальнейшее развитие. Предлагаются технические решения для создания "акустического комфорта" поплавковому гироскопу в натурных условиях [3].
Гиперзвуковое оружие на базе гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) корнями своими уходит в недалекое прошлое феноменальных достижений советских КБ в области гиперзвукового движения. СССР успешно испытал гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель на водородном топливе еще в 1983 году. Скорость опытного образца ракеты достигла 6,4 М.
Американская ракета Х-51 VAVERIDER на ГПВРД без труда достигла скорости в 6 М. Опытный гиперзвуковой аппарат Х-43 даже превысил этот показатель -его скорость составила 10 М.
Российское оборонное ведомство приступило к созданию совместно с индийскими специалистами противокорабельной сверхзвуковой ракеты BRAHMOS, которая на сегодняшний день считается самой скоростной крылатой ракетой из числа принятых на вооружение. Преимущество гиперзвуковых ракет состоит не только в меньшей их стоимости, но, прежде всего, в большей гибкости технологии применения.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В 2010 году военные США сообщили, что на базе SM-3 Block IIA будет сформировано ударное средство большой протяженности Are Light. Планируется, что маршевые ступени противоракеты под-
©
нимут на гиперзвуковую скорость планирующее устройство (GLAIDER), которое будет возможным пронестись до 600 км и привезти к объекту боеголовку массой 50-100 кГ. Общее расстояние лета будет равно 3800 км. Самое главное, на участке самостоятельного движения планер будет двигаться не по баллистической кривой. Это способствует увеличению маневренности и, естественно, более точному выведению на объект.
Программа FALCON предусматривает не только разработку разгонных ступеней, но также и разработку гиперзвукового GLAIDER в интересах GLOBAL PROMPT STRIKE. Частью этой программы является создание беспилотного самолета HTV-3X на гиперзвуковых прямоточных двигателях. Планер HYPERSONIC TECHNOLOGY VEHICLE-2 (HTV-2) в апреле 2010 года прошел летные испытания с помощью носителя MINOTAUR IV и достиг вполне гиперзвуковой скорости в 20 М [4].
Американские конструкторы начали разрабатывать также гиперзвуковые крылатые ракеты. В частности, созданная корпорацией BOEING ракета X-51 (WAVERIDER), благодаря своей конструкции, может формировать дополнительную подъемную силу за счет энергии ударных волн гиперзвукового полета. Эта ракета будет принята на вооружение уже в 2017 году [5].
Программа США стремительного широкомасштабного удара посредством гиперзвукового оружия дает возможность без радиационного заражения территории и в прошествии лишь одного только часа сразить какой-либо объект в какой угодно точке планеты.
Серьезную конкуренцию государственным программам в последнее время начинают составлять частные компании.
Следует обратить внимание на естественно проистекающие при гиперзвуковом движении проблемы - чрезмерный нагрев корпуса ракеты и появляющиеся вследствие этого сложности в управлении, вибрация, плазма, N-волна, проникающее акустическое излучение и др.
Очевидно, что с увеличением скорости полета летных изделий, увеличиваются и технологические риски. Так, крайне неприятным моментом можно считать исчезновение радиосвязи вследствие возникающего плазменного экрана, блокирующего радиоволны. Это происходит, в частности, с гиперзвуковыми самолетами, которыми практически невозможно управлять дистанционно на скоростях выше 5-6 М.
Долгое время данную проблему не удавалось решить, что служило достаточным "тормозом" не только для стремительного расширения исследований на суборбитальных высотах, но, прежде всего, для прогресса в области гиперзвуковых технологий в целом.
Проблемы возникли также в управлении движением и в вопросах суборбитальной и атмосферной TERRA-аэронавигации. Прежде всего, это касается бортовой аппаратуры, в частности, систем инерциаль-ной навигации. К примеру, гироскопические приборы с полигрегатным подвесом перестают соответствовать Паспортным требованиям. Причиной тому также стали резонансные явления.
"Старый багаж" известных методов и средств борьбы с вредными воздействиями перестал быть эффективным. Назрела потребность в создании новых технологий, которые смогли бы снизить риски и повысить безопасность полетов, что становится особенно важным для коммерческих пусков.
Ученый из Китая (Харбинский технологический институт), физик Сяотянь Гао (Xiaotian Gao) полагает, что присоединение специальной, "согласующей" прослойки из вещества с искусственно модулируемой электромагнитной природой к традиционным антеннам радиосвязи будет возможным сформировать характерный резонанс, который преодолеет плазменную рубашку и создаст прочную телекоммуникацию с летным изделием. "Согласующая" прослойка будет действовать как конденсатор, накапливая энергию в цепи антенны, а плазменная рубашка, таким образом, сработает как индуктивность. Сообща они создадут резонансный контур, формирующий электромагнитные колебания между плазменной рубашкой и воздухом. Со временем, когда будет сформирована резонансная обстановка, энергия электромагнитных колебаний начнет транслироваться от плазмы к воздуху без диссипации. Аналогично будет проникать излучение радиопередатчика через "согласующую" прослойку и плазменную рубашку без препятствий, т. е. создается радиотрансляционная "прозрачность". Неоспоримое преимущество такого метода в том, что "согласующая" прослойка может накладываться на аппарат произвольной геометрической конфигурации, тогда как иные средства связи нуждаются в дополнительной массивной аппаратуре [6].
В настоящей работе авторы анализируют динамику двухстепенного поплавкового гироскопа в поле проникающего акустического излучения. Установлено аналитически и подтверждено полунатурными испытаниями наличие в подвесе гироскопа трех геометрических резонансов, которые служат причиной резкого увеличения погрешностей измерений до недопустимых Паспортом на изделие значений.
Анализируется работа некоторых технических решений для подавления влияния прошедшего акустического излучения. Подобно борьбе с плазмой, эффективность этих средств также очерчена резонансными эффектами, в частности, с использованием объемной нелинейности щелевого резонатора.
Гироскопические приборы и устройства продолжают находить применение во многих отраслях техники [7]. Незаменимыми представляются гироскопы для решения задач автономного позиционирования крупногабаритных первых ступеней РН многоразового использования. Ракета FALKON 9 впервые в истории освоения космоса успешно приземлилась на тяге маршевых двигателей после вывода спутников в космос [8]. Таким образом, освоение космоса вступает в новую эру многоразовых ракет, которые смогут летать, как минимум, несколько раз. Это с точки зрения практической космонавтики полемическое, но уже подтвержденное летными испытаниями техническое решение [9]. Скорее всего, запуск бывших в употреблении ракет будет стоить для заказчика дешевле и, значит, космос станет доступнее. Вместе с тем, пробле-
мы посадки многотонных РН на тяге своих двигателей еще не решены окончательно [10].
С посадкой на сушу фирма SPACE X, похоже, справилась. 21 декабря 2015 года первая ступень ракеты FALKON 9 успешно приземлилась неподалеку от места старта, хотя обольщаться на безусловное решение проблем автономной посадки первой ступени еще рано. К таким препятствиям следует отнести, в частности, массивность конструкции [11]. Но для того, чтобы возвращать ракеты из более дальних полетов и экономить при этом топливо, необходима морская платформа с элементами силовой гироскопической стабилизации. Многоразовый носитель ADELINE компании SPACE X для плавной посадки многотонной ракеты использует различного класса гироскопические приборы и устройства, и на их базе стабилизирующие и следящие системы автоматики.
3. Цель и задачи исследований
Целью исследований является раскрытие природы формирования резонансной обстановки в подвесе поплавкового гироскопа при эксплуатационном использовании летных изделий гиперзвуковой категории.
Поставленная цель подразумевает решение следующих задач:
- аналитически установить возможность возникновения резонансной ситуации в полиагрегатном подвесе двухстепенного гироскопа;
- в режиме полунатурных испытаний подтвердить опасность резонансных проявлений, вызванных дифракцией проникающего акустического излучения на подвесе гироскопа;
- предложить пассивные методы подавления влияния звуковых полей на погрешность гироскопа. Проанализировать эффективность резонансных решений для уменьшения погрешностей гироскопа в акустических полях циклической структуры.
4. Материалы и методы исследований
4. 1. Прогнозирование резонансной ситуации в поплавковом подвесе гироскопа
В качестве параметра, который позволит на расчетной модели прогнозировать опасность возникновения резонанса в подвесе гироскопа, выбрана звукопроницаемость, считая, что в этом случае стремящееся к бесконечности ее значение подразумевает беспрепятственное прохождение звуковых волн через корпус прибора в жидкостатическую часть подвеса гироскопа. Это послужит толчком к переходу взвешивающей жидкости из статического состояния в турбулентную фазу, которая всеми доступными средствами будет влиять на поверхность поплавка и на комплектующие элементы, создавая возмущающие моменты вдоль входной оси гироскопа и относительно оси его прецессии [12].
Строя расчетную модель в соответствии с промышленным образцом двухстепенного поплавкового гироскопа класса ДУСУ 2, удается установить наличие трех резонансов - один на высоких частотах (выше
граничной частоты и два на низких частотах (ниже граничной частоты).
Резонансную обстановку в подвесе на высоких частотах формируют изгибные колебания корпуса прибора, когда импеданс симметричным колебаниям намного больше импеданса антисимметричным колебаниям, т. е.
Z << Z,
(1)
Начиная с граничной частоты при соответствующем подборе угла 8 в плоскости шпангоута между нормалью к поверхности корпуса прибора и волновым вектором к, становится возможным волновое совпадение для изгибных волн
Хв = Хи sin 8 ,
(2)
где Xв, Хи - длина звуковой волны в воздухе и длина изгибной волны в корпусе, соответственно.
Каждой частоте ю звуковой волны соответствует свой угол совпадения
8 и = arcsin—1L ,
с,.
(3)
где си - фазовая скорость изгибных волн, св - скорость звуковых волн в воздухе. Для частоты f=42 кГц, например, угол совпадения составит
8и = 10о.
Наоборот, когда
Izl < Izl
(4)
(5)
и интенсивную перекачку звуковой энергии осуществляет окружная волна (вдоль параллели), скорость которой не зависит от частоты излучения, значение угла совпадения составит
8П = 5o10'.
(6)
Эти два значения угла 8 наиболее опасны, так как способствуют трансляции энергии звуковой волны внутрь прибора практически без потерь.
Наконец, присутствует еще один резонанс на низких частотах f « Он наступает при равенстве следа окружности шпангоута прибора и продольной волны на плоскость фронта падающей волны, т. е.
2nR sin у
= sin у,
(7)
1 Ч
где ХП =-£■ - длина продольной волны, с1 - скорость
продольных волн в корпусе прибора из алюминия;
у - угол между волновым вектором и радиусом Я шпангоута в продольной плоскости корпуса прибора. Резонансные значения угла у для окружной волны приведены в табл. 1.
Таким образом, с уменьшением угла у падения ультразвукового луча снижается и частота совпадения ^ на которой возможно возникновение волнового совпадения.
Таблица 1
Резонансные значения угла у для продольной (окружной) волны
с4=6400 мс-1
f, Гц V, град f, Гц V,град
100 2050' 2000 12025'
200 4000' 3000 15045'
300 4055' 6000 22035'
400 5045' 7000 24030'
500 6020' 8000 26020'
600 7000' 10000 29040'
700 7030' 20000 44030'
800 8005' 30000 59010'
900 8035' 40000 82010'
1000 9000' - -
4. 2. Полунатурные испытания ДУСУ 2 в поле ультразвукового луча
Соответствие датчика угловых скоростей унифицированного класса ДУСУ2-30В на функциональную готовность проводилось облучением оболочечной части корпуса прибора достаточно широким звуковым пучком. Датчик погружался, согласно требованиям на эксплуатацию ультразвуковой установки MINI ULTRASONIC CLEANER MODEL 3560 (CHINA), в наполненную водой ванночку и жестко фиксировался на штативе с помощью крепежа. Выходной сигнал прибора записывался измерительной аппаратурой для двух режимов - когда гироагрегат выключен и при включенном гиромоторе.
Сравнительный анализ реализаций выходного сигнала датчика дает возможность, с одной стороны, установить степень влияния ультразвукового пучка, собственно, на полиагрегатный подвес гироскопа, а с другой - определить степень влияния и динамику развития во времени погрешности Дю измерений угловой скорости летательного аппарата при гиперзвуковом полете. Датчик ДУСУ устанавливался таким образом, чтобы поворотом корпуса прибора можно было бы выяснить наиболее опасное направление действия проникающего акустического излучения при летной эксплуатации.
После выхода гироприбора на тепловой режим, регистрировался, "ноль" выходного сигнала потенциометра в аналоговой форме и в количественном эквиваленте. Для удобства, "ноль" датчика угла записан в долях погрешности Дю прибора.
Создание резонансной обстановки изгибной волной происходит при угле 8 = 10О 37/ (в отличие от теоретических расчетов, когда 8^ = 10О) (рис. 1).
Как видно, погрешность прибора достигает 2,2 град с-1 и, естественно, встает вопрос о функциональной способности прибора.
4. 3. Звукоизоляция приборов пассивными методами
Пассивные методы подразумевают достижение требуемой звукоизоляции конструкторско-технологи-ческими решениями.
Для примера был рассмотрен цилиндрический массогабаритный эквивалент прибора. Широкополосное акустическое нагружение в 165 дБ создавалось роторной динамической сиреной на установке "Сирена" Института проблем прочности им. Г. С. Писарен-ко НАН Украины (рис. 2). Нагружение в 165 дБ соответствует старту РН с открытых стартовых позиций (рис. 3, кривая 1).
Внутрь прибора, очевидно, проходит только часть акустического излучения (рис. 3, кривая 2). Если с зазором, на корпус прибора установить перевернутый цилиндрический стакан, выполняющий роль экрана, то уровень акустического давления в приборе уменьшится практически до Паспортных требований, т. е. до 130 дБ. Эффект шумогашения, благодаря объемной нелинейности, выполняет воздушная прослойка замкнутого пространства между корпусом и цилиндрическим стаканом (рис. 3, кривая 3).
Если внешний экран выполнить с продольными прорезями (щелями) заданного типоразмера, а на торце сделать такие же прорези, но радиальные, то уровень акустического давления в приборе понизится еще больше - в среднем до 115-120 дБ (рис. 3, кривая 4). А минимальное давление станет равным 113-114 дБ.
Таким образом, щелевой резонатор в виде замкнутой оболочки обеспечит "акустический комфорт" прибору (рис. 4).
Рис. 1. Выходной сигнал ДУСУ при ф = 0°: тонкая линия — 0 = 0°; контурная линия — 0 = 1О°37'
Рис. 2. Широкополосное акустическое нагружение в 165 дБ
5. Обсуждение результатов исследований
Рис. 3. Звукоизоляция пассивными методами: кривая 1 — внешнее акустическое воздействие; кривая 2 — звуковое давление внутри корпуса прибора; кривая 3 — экран в виде цилиндрического стакана; кривая 4 — щелевой резонатор
Рис. 4. Щелевой резонатор
Таким образом, в полиагрегатном подвесе гироскопа при определённых условиях могут возникать особенности резонансного типа [14]. С одной стороны, становится акустически прозрачным корпус прибора, с другой стороны - взвешивающая жидкость переходит из статического состояния в турбулентное, что совершенно недопустимо для гироскопа. Причем, повышенная энергетика может привести также к нарушению изотропности жидкости в виде формирования газовых пузырьков, которые под действием проникающего акустического излучения будут перемещаться в подвесе, нарушая исходное равновесие массовых и архимедовых сил [15].
Эксперимент показал, что наиболее эффективные -автокомпенсационные - методы уменьшения влияния внешних возмущений не дают результата. В лучшем случае, они только осредняют дополнительные погрешности, как например, при принудительном вращении подвеса вокруг оси, параллельной вектору кинетического момента либо при использовании метода двухканальности Петрова.
Дальнейшее подтвердило, что в борьбе с резонансными проявлениями в подвесе гироскопа эффективны только методы на основе также резонансных проявлений, в частности, использующих объемную линейность резонаторов.
Эффект понижения уровня звуковых волн осуществляется на резонансном уровне [14]. Резонирует воздушная прослойка между корпусом прибора и щелевым экраном. Решающую роль играет объемная нелинейность прослойки.
7. Выводы
1. Построенные расчетные модели явления дают возможность оценить причины возникновения резо-
Е
нансной ситуации в полиагрегатном подвесе гироскопа в эксплуатационных условиях гиперзвукового полета.
2. Полунатурные испытания прибора в поле ультразвукового луча с достаточной степенью точности подтвердили прогнозируемые условия возникновения резонансной ситуации в подвесе в виде волнового совпадения изгибных и окружных волн в корпусе прибора - теоретически прогнозируемый угол совпадения 0и для изгибных волн составил 10о, а экспериментальные исследования дали значения 0^ = 10о37'; для продольных (окружных) волн теоретически уста-
новленный угол совпадения составил 8J1 = 5о, а экспериментально проверенное значение угла совпадения составило 8J1 = 5о03'.
3. Предложенные методы пассивной звукоизоляции, имеющие охранные документы Украины, подтвердили эффективность шумогашения на установке "Сирена" НАН Украины для условий запуска летательных аппаратов с открытых стартовых позиций, когда уровень акустического давления в районе реактивной струи достигает 165 децибел. Доказана эффективность резонансных проявлений для звукоизоляции приборов.
Литература
1. Мельник, В. Н. Волновые задачи в акустических средах [Текст]: монография / В. Н. Мельник, Н. В. Ладогубец. - Нац. техн. ун-т Украины "КПИ"; Нац. авиац. ун-т. - К.: "Корнейчук", 2016. - 432 с.
2. Мельник, В. Н. Звуковий бар'ер i вплив потужно! N-XBRni на пружш конструкцй апара^в класу "Air to Air" [Текст] / В. М. Мельник, В. В. Карачун // Космiчна наука i технолопя. - 2012. - Т. 18, № 5. - С. 12-23.
3. Пат. 110171 на винахщ, Украна, МПК G01C19/20 (2006.01). Поплавковий проскоп [Текст] / Мельник В. М., Карачун В. В. -Заявники i патентовласники: В. М. Мельник, В. В. Карачун. - № а 201410214; заявл. 17.09.14; опубл. 25.11.15, Бюл. № 2. - 1 с.
4. Проект разведывательно-ударного гиперзвукового БПЛА HTV-3X «Blackswift» (США) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://raigap.livejournal.com/261144.html
5. Летательный аппарат Boeing X-51A WaveRider ставит рекорд по длительности полета на гиперзвуковой скорости [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dailytechinfo.org/space/4774-letatelnyy-apparat-boeing-x-51a-waverider-stavit-rekord-po-dlitelnosti-poleta-na-giperzvukovoy-skorosti.html
6. «Надежная радиосвязь на гиперзвуковых скоростях возможна» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://zoom.cnews. ru/rnd/artide/item/nadezhnaya_radiosvyaz_na_giperzvukovyh_skorostyah_vozmozhna/print
7. Winter, F. H. 100 years of flight: a chronicle of aerospace history, 1903-2003 [Text] / F. H. Winter, F. R. Van der Binder. - Reston, Virginia, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003. - 524 p.
8. Barbour, N. M. Inertial Navigation Sensors [Text] / N. M. Barbour. - Cambridge, 2010. - 10 p.
9. Nwe, T. T. Application of an Inertial Navigation System to the Quad-rotor UAV using MEMS Sensors [Text] / T. T. Nwe et. al. // Engineering and Technology. - 2008. - Vol. 42. - Р. 578-582.
10. Woodman, O. J. An introduction to inertial navigation [Text] / O. J. Woodman. - Cambridge, 2007. - 37 p.
11. Le Manh Hung, V. Indoor Navigation System for Handheld Devices [Текст] / V. Le Manh Hung. - Worcester, 2009. - 198 p.
12. Kulyk, M. S. Suborbital and Atmospheric Hypersound Technologies [Текст] / M. S. Kulyk, V. M. Mel'nyck, V. V. Karachun, N. V. Ladogubets. - NAU; NTUU "KPI". Kyiv: "NAU", 2015. - 328 p.
13. Декларацшний патент на винахщ 39599А, Укра!на, МПК 6 G10К 11/16. Шумозахисний кожух [Текст] / Карачун В. В., Тривайло М. С., Мельник В. М. - Заявник i патентовласник НТУУ "КП1" 2000116168; заявл. 01.11.2000; опубл. 15.06.2001, Бюл. № 5. - 1 с.
14. Заборов, В. И. Теория звукоизоляции ограждающих конструкций [Текст] / В. И. Заборов. - М.: Стройиздат, 1962. - 116 с.
15. Heng, M. Design of a NURBS Interpolator with minimal feed fluctuations and continuous feed modula-tion capability ^xt] / M. Heng, K. Erkorkmaz // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2010. - Vol. 50, Issue 3. - P. 281-293. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2009.11.005
