Динамически-подобная аэродинамическая модель управляющей поверхности летательного аппарата
DYNAMICALLY SIMILAR AERODYNAMIC MODEL OF AIRCRAFT CONTROL SURFACE

Изобретение относится к области авиационной науки и техники и, в частности, к расчетным и экспериментальным исследованиям динамических явлений аэроупругости летательных аппаратов (ЛА) (флаттера, бафтинга, автоколебаний с предельным циклом) методом моделирования в аэродинамических трубах (АДТ).
Особенно актуально данное изобретение для физических исследований нестационарных аэродинамических характеристик на динамически-подобных моделях (ДИМ) управляющих поверхностей летательных аппаратов (киля, стабилизатора) в диапазоне чисел Маха=0,2÷1,2.
4
Известна динамически-подобная модель несущей поверхности летательного аппарата (патент РФ №2375266, публ. 10.12.2009 г.). Модель состоит из силовой панели, моделирующей жесткостные характеристики натурной конструкции и состоящей из пластин, лонжеронов и нервюр, изготовленных из высокомодульного композиционного материала и формообразующей, обтекаемой потоком поверхности модели, выполненной в виде двух частей: верхней и нижней, изготовленных методом вспенивания в пресс-форме из низкомодульного материала с модулем упругости в 10 раз меньше, чем у материала силовой панели. Недостатком данной модели является необходимость изготовления сложных и дорогих прессформ, нарушение условия массового подобия вследствие перетяжеления модели из-за неэффективного расположения конструкционного материала по высоте профиля, не контролируемое изменение в потоке формы профиля модели из-за деформации мягкого поверхностного слоя при больших давлениях и скоростях потока в рабочей части АДТ, возможный его отрыв (или отслоение) от силовой панели в зонах разряжения при испытаниях на углах атаки.
Конструкция этой модели не предназначена для установки датчиков статического и динамического давления, которые необходимы для изучения картины обтекания модели потоком воздуха и для исследования нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на модель.
В качестве прототипа была взята динамически-подобная аэродинамическая модель несущей поверхности летательного аппарата (патент РФ №2578915, публ. 27.03.2016 г). Модель имеет балочную конструктивно силовую схему (КСС). Состоит из: балки изготовленной из высокопрочного полимерного композиционного материала (ПКМ), усиленных нервюр, съемных секций обшивки из стеклопластика образующих внешние обводы модели, жестких дренированных блоков, установленных по размаху модели между секциями обшивки на балке- лонжероне, с приемными отверстиями на поверхности модели, расположенными вдоль хорды на верхней и нижней обтекаемой потоком поверхности блока.
К недостатку данной модели можно отнести то что балочная КСС может быть применима только для несущих поверхностей (крыльев) большого удлинения, (т.к. не удается воспроизвести жесткостные характеристики натурной конструкции управляющих поверхностей малого удлинения) а, следовательно, и представленная конструкция дренированного блока (закрепленного на балке-лонжероне) так же неприменима для ДПМ управляющих поверхностей малого удлинения.
Задачей и техническими результатами изобретения являются разработка конструкции дренированных динамически-подобных моделей управляющих поверхностей малого удлинения (стабилизатора, киля) для проведения параметрических исследований динамических явлений аэроупругости в АДТ в дозвуковом и трансзвуковом диапазонах чисел Маха, обеспечивающей безопасную эксплуатацию создаваемых ЛА от возникновения в полете флаттера и бафтинга, повышение эксплуатационного ресурса ЛА, а также существенно повышение информативности и точности эксперимента с получением качественно новых достоверных результатов по влиянию нестационарных аэродинамических сил на характеристики бафтинга и флаттера ЛА на всех режимах полета в дозвуковом и трансзвуковом диапазонах чисел Маха.
Решение поставленной задачи и технические результаты достигаются тем, что в динамически-подобной модели управляющей поверхности ЛА, состоящей из обшивки, переднего и заднего лонжеронов, пустотелого сердечника, дренированных блоков и датчиков динамического давления, обшивка выполнена несущей и наформована непосредственно на пустотелый сердечник, передний и задний лонжероны, с образованием пустотелого силового кессона. Дренированные блоки установлены в носке и на задней кромке модели. На передней и задней кромках размещены пустотелые формообразующие сердечники носка и задней кромки.
Технический результат достигается также тем, что что передний и задний лонжероны выполнены двутаврового сечения.
Технический результат достигается также тем, что лонжероны изготовлены из высокомодульного полимерного композиционного материала.
Технический результат достигается также тем, что пустотелый сердечник выполнен профилированным, верхняя и нижняя поверхности которого эквидистантны внешней поверхности динамически-подобной модели в соответствии с толщиной несущей обшивки.
Технический результат достигается также тем, что обшивка в носке модели и на задней кромке имеет вырезы в заданном сечении для установки съемных дренированных вставок.
Технический результат достигается также тем, что дренированные блоки выполнены в виде легкосъемных дренированных вставок и посадочных мест.
Технический результат достигается также тем, что посадочное место дренированного блока изготовлено как единое целое с формообразующим сердечником-носком и сердечником задней кромки модели.
Технический результат достигается также тем, что съемные дренированные вставки выполнены в виде элементов передней и задней кромок модели с посадочными местами для установки датчиков динамического давления.
Технический результат достигается также тем, что измерительные средства, в том числе датчики динамического давления, кабели и трубки опорного давления размещены во внутренних полостях формообразующего носка, задней кромки и дренированных вставок.
Конструктивные особенности ДПМ поясняются фиг. 1-4, на которых представлены:
На фиг. 1 общий вид ДПМ управляющей поверхности в собранном виде. На фиг. 2 комлевое сечение А-А фиг. 1 ДПМ управляющей поверхности.
На фиг. 3 дренированное сечение Б-Б фиг. 1 ДПМ управляющей поверхности.
На фиг. 4 схема пустотелого формообразующего сердечника-носка и съемных дренированных вставок в собранном и разобранном виде.
Как видно из фиг. 1-3, конструкция динамически-подобной аэродинамической модели управляющей поверхности ЛА состоит из несущей обшивки 1, переднего лонжерона 2 (фиг. 2) и заднего лонжерона 3, формообразующего сердечника-кессона 4 (фиг. 3), пустотелого формообразующего сердечника-носка 5 и пустотелого формообразующего сердечника-задней кромки 6, съемных дренированных вставок 7 со встроенными в них датчиками динамического давления 8, силового узла 9.
Все элементы модели связаны между собой связующим. Несущая обшивка 1 связывает всю конструкцию модели, за исключением съемных дренированных вставок 7.
Передний лонжерон 2 и задний лонжерон 3 выполнены в виде двутавра.
Несущая обшивка 1 совместно с передним лонжероном 2, задним лонжероном 3 и формообразующим сердечником 4 представляют собой силовой кессон, являющийся основным силовым элементом конструкции. Несущая обшивка 1 совместно с передним лонжероном 2 и задним лонжероном 3 изготавливается из высокомодульного полимерного композиционного материала. Выкладка несущих слоев композита силового кессона производится на заранее изготовленный из низкомодульного термопластика формообразующий сердечник 4, выполняющий функции позитивной пресс-формы. Изменение толщины стенок формообразующего сердечника 4 по размаху и в поперечном направлении позволяет выполнить условие подобия натурной конструкции по распределенным массово-инерционным характеристикам практически без изменения заданных жесткостных характеристик модели. Формообразующий сердечник эквидистантно соответствует внешней поверхности модели на толщину несущей обшивки.
Пустотелый формообразующий сердечник-носок 5 изготовлен из термопластика. Применение аддитивных технологий позволило разработать конструкцию пустотелого формообразующего сердечника-носка 5 с посадочными местами 10 для установки съемных дренированных вставок 7, а также изготовить каналы 11 и 13 для подводки кабелей и трубок 12 опорного давления к датчикам динамического давления 8.
Дренированные вставки 7 и посадочные места 10 вместе образуют дренированный блок. Дренированная вставка 7 изготавливается из термопластика по 3D-модели за одну технологическую операцию в автоматическом режиме, что обеспечивает высокое качество обтекаемой поверхности, минимальное требуемое расстояние от передней кромки модели до дренажного отверстия на поверхности модели и минимальную длину канала от дренажного отверстия до приемного отверстия в датчике динамического давления 8 в соответствии с требованиями к получению необходимого объема информации и точности измерения нестационарных аэродинамических нагрузок. В каждой дренированной вставке 7 устанавливается по два датчика динамического давления 8 симметрично относительно плоскости хорд.
Высокое качество обтекаемой поверхности дренированной вставки 7 и точность ее установки в посадочное место 10 обеспечиваются применением технологии послойного синтеза для ее изготовления из термопластика по 3D-моделям. По существу, каждый дренированный блок с установленными датчиками динамического давления 8 представляет собой прецизионный легко адаптируемый в конструкцию ДПМ прибор для измерения распределенных стационарных и нестационарных аэродинамических характеристик.
Конструкция пустотелого формообразующего сердечника-задней кромки 6 спроектирована аналогично конструкции формообразующего пустотелого формообразующего сердечника-носка 5.
Дренированные вставки 7 крепятся в посадочные места 10 при помощи винтов.
Силовой узел 9 предназначен для крепления дренированной модели к жесткой хвостовой части фюзеляжа полумодели ЛА в рабочей части АДТ.
На фигуре 4 представлена схема формообразующего носка 5 со снятыми съемными дренированными вставками 7 (а) и с установленными съемными дренированными вставками 7 (б) (без несущей обшивки 1). В соответствии с техническим заданием определяются координаты датчика на ДПМ в соответствии с которыми определяются места установки вставок 7 с датчиками динамического давления 8.
Техническим результатом является изготовление моделей более точных при моделировании жесткостных характеристик натурной конструкции.
Техническим результатом является изготовление моделей более точных при моделировании массово-инерционных характеристик натурной конструкции.
Техническим результатом является повышение формоустойчивости внешних обводов модели в потоке, снижение затрат на производственные работы и уменьшение времени на подготовку эксперимента в АДТ.