Модель механизированного крыла самолета

Полезная модель относится к области аэродинамических испытаний, в частности к моделям для исследования шума обтекания элементов конструкции самолетов.
Возможность эксплуатации магистральных самолетов в системе национальных и международных авиаперевозок определяется, в частности, удовлетворением требованиям норм Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по шуму на местности. Национальные нормы России по шуму гармонизированы с нормами ИКАО. Постоянное ужесточение норм по шуму на местности требует разработки новых технологий снижения шума гражданских самолетов. Шум обтекания элементов планера в последнее время, с появлением малошумных двигателей с большой степенью двухконтурности, стал одним из основных источников шума самолета на местности на режиме захода на посадку. Основными источниками шума планера являются шасси и механизированное крыло. Для выполнения перспективных норм по шуму на местности необходимо разрабатывать новые технологии его снижения применительно к основным источникам, в частности, к механизированному крылу. Поэтому разработка новых способов снижения авиационного шума требует углубленного исследования механизмов его излучения, которое возможно в хорошо поставленном физическом эксперименте. Аэроакустический эксперимент проводится с использованием масштабных моделей в специальных малошумных аэродинамических трубах (АДТ) с закрытой или с открытой (и заглушенной) рабочей частью (РЧ).
Известны различные устройства для аэродинамических испытаний, являющиеся в некоторой степени аналогами заявленной полезной модели. Модели механизированных крыльев, предназначенные для акустических испытаний, можно разделить на два основных класса:
(1) модели полной консоли крыла большого удлинения (обычно удлинения крыльев современных гражданских самолетов порядка 10), позволяющие исследовать генерацию шума крылом в целом, в том числе, с учетом эффектов трехмерного обтекания. Модели такого рода применяются как в АДТ с закрытой, так и с открытой РЧ (Oerlemans S., et al., "Quantification of airframe noise using microphone arrays in open and closed wind tunnels," Report No. NLR-TP-2007-799, 2007, p.15; Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Беляев И.В. «Исследование шума обтекания крупномасштабной модели крыла с механизацией» 2016, Т. 62, с. 95-105; Ahlefeldt Т., "Aeroacoustic Measurements of a Scaled Half-Model at High Reynolds Numbers," AIAA Journal, Vol.51, No. 12, December 2013, p. 2783-2791; Lockard D.P., et al., "Overview of Aeroacoustic Testing of the High-Lift Common Research Model," AIAA AVIATION 2021 FORUM, 2021, AIAA Paper 2021-2113, p.9-11).
(2) модели участков крыльев постоянного сечения, снабженные параллельными друг другу концевыми плоскими шайбами для испытаний в акустических АДТ с открытой РЧ (Е. Manoha, М. Pott-Pollenske, "LEISA2: an experimental database for the validation of numerical predictions of slat unsteady flow and noise," 21st AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2015, AIAA paper 2015-3137, p.14; Зайцев М.Ю., Беляев И.В., Копьев В.Ф., Миронов М.А. «Экспериментальное исследование снижения узкополосного шума предкрылка с помощью шевронов» 2012, Т. 58, с. 450-458; Беляев И.В., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. «Влияние шевронов на шум предкрылка прямого и стреловидного крыла», 2015, Т. 61, с. 754-763), или предназначенные для установки между стенками закрытой РЧ (Pascioni К.А, Cattafesta L.N. "Aeroacoustic measurements of leading-edge slat noise," 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2016, AIAA paper 2016-2960, p.4; Murayama M., et al., "Experimental Study of Slat Noise from 30P30N Three-Element High-Lift Airfoil in JAXA Kevlar-Wall Low-Speed Wind Tunnel," 24th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 2018, AIAA Paper 2018-3460, p.4; Li L., et al., "Aerodynamic and aeroacoustic experimental investigation of 30P30N high-lift configuration," Applied Acoustics, 2018, v. 132, pp.43-48). В этом случае на модели относительно малого удлинения (λ~1) воспроизводится близкое к двумерному обтекание модели крыла, в главном приближении аналогичное тому, что реализуется на крыльях большого удлинения.
На моделях класса (1) воспроизводятся все значимые источники шума: нижняя кромка предкрылка, боковые зоны предкрылка, направляющие предкрылка, боковые кромки закрылков. Недостатком моделей такого типа является их сложность и стоимость, т.к. их масштаб должен быть достаточно велик для корректной имитации механизмов генерации шума, а также возможность их испытаний в специализированных крупномасштабных акустических АДТ. Комплексы соответствующих крупномасштабных аэроакустических установок имеются в Европе, США, Китае, однако в России такие установки отсутствуют.
Модели класса (2) являются достаточно компактными за счет малого размаха и могут испытываться на сравнительно малых акустических установках, которые более дешевы в эксплуатации и более распространены, однако недостатком таких квазидвумерных моделей является ограниченное число механизмов шумогенерации, которое может быть с их помощью имитировано: такая конфигурация модели позволяет, при условии ее достаточного масштаба (при котором число Рейнольдса Re=Ub/ν составляет не менее 1 млн, где b - средняя аэродинамическая хорда крыла, U - скорость набегающего потока, ν - кинематическая вязкость), воспроизвести широкополосный спектр шума предкрылка, связанного со сходом нестационарной вихревой пелены с его нижней кромки, а также - характеристики шума боковой кромки закрылка. Между тем, измерения полных моделей показывают наличие других значимых источников шума крыла, в число которых, в частности, входят направляющие предкрылка (элементы, посредством которых закрылок соединяется с крылом), которые отчетливо проявляются на картах локализации методом beamforming (Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Беляев И.В. «Исследование шума обтекания крупномасштабной модели крыла с механизацией» 2016, Т. 62, с. 95-105; Ahlefeldt Т., "Aeroacoustic Measurements of a Scaled Half-Model at High Reynolds Numbers," AIAA Journal, Vol.51, No. 12, December 2013, p.2783-2791). Единственная в России акустическая установка - УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2» ФАУ «ЦАГИ», позволяющая исследовать шум обтекания элементов планера, относится к классу малых установок, и допускает испытания лишь компактных моделей малого удлинения - моделей класса (2).
z
Σ
z
Одним из недостатков таких моделей является то, что на них некорректно воспроизводится источник шума, связанный с обтеканием направляющей предкрылка. Этот недостаток малых моделей связан с тем, что в полноразмерных стреловидных крыльях имеет место значимая трехмерность обтекания в зазоре между предкрылком и основной частью крыла. Фиг. 1 поясняет картину течения в области предкрылка 1 и направляющей 2 (для наглядности основная часть крыла не показана). Показано характерное направление скорости потока, набегающего на направляющую предкрылка в зазоре между предкрылком и основной частью крыла. Схематично показана зона 3 отрывного течения за направляющей предкрылка. В полной модели крыла (модели класса (1)) трехмерность обтекания прототип выражается в появлении достаточно большой поперечной составляющей скорости V в зазоре между предкрылком и основной частью крыла (фиг. 1), в результате чего направляющая предкрылка оказывается в потоке, набегающем на нее под некоторым углом к плоскости XY со скоростью V, так что площадь миделя увеличивается, и за направляющей образуется широкая зона интенсивного нестационарного отрывного течения 3, являющегося источником шума. В моделях класса (2) поперечной компоненты V скорости практически не возникает, поскольку, благодаря наличию концевых шайб, течение в зазоре между предкрылком и основной частью крыла близко к двумерному, и обтекание направляющей предкрылка происходит преимущественно в направлении ее минимального сечения - в плоскости XY, параллельной концевым шайбам, а значит, соответствующий этому обтеканию шум воспроизводится в такой модели неверно по сравнению с моделями класса (1) (более подробное разъяснение приведено в Приложении).
Предлагаемая полезная модель предназначена для решения данной технической проблемы и обеспечения возможности моделирования указанного источника шума на отечественной акустической установке малого масштаба - УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2» ФАУ «ЦАГИ».
За прототип принята маломасштабная модель механизированного крыла малого удлинения (λ=1.1) стреловидностью δ=30° с щелевыми закрылком и предкрылком, заключенными между двумя плоскими шайбами, установленными в корневой и концевой частях крыла (Беляев И.В., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. «Влияние шевронов на шум предкрылка прямого и стреловидного крыла», 2015, Т. 61, с. 754-763). Модель-прототип не может использоваться для моделирования шума обтекания направляющей предкрылка, т.к. в ней реализуется близкое к двумерному течение, поэтому направляющие предкрылка в такой модели отсутствуют.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение условий шумообразования при обтекании направляющих предкрылка за счет поперечной (вдоль размаха крыла) составляющей течения в зазоре между выпущенным предкрылком и основной частью крыла при наличии ограничений на размер модели.
Техническим результатом от использования полезной модели является оценка интенсивности шумообразования при взаимодействии потока в зазоре между выпущенным предкрылком и основной частью крыла с направляющей предкрылка при выбранной геометрии направляющей при различных режимах обтекания крыла (скорость набегающего потока, угол атаки крыла).
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в модели механизированного крыла самолета для акустических испытаний, содержащей стреловидное крыло малого удлинения с закрепленными в выпущенном положении предкрылком и закрылком, шайбу, установленную в корневой части крыла, в зазоре между основной частью крыла и предкрылком установлен имитатор направляющей предкрылка, геометрически подобный направляющим, использующимся на полноразмерных крыльях, с возможностью его закрепления в различных положениях вдоль размаха крыла, а в концевой части крыла установлена законцовка крыла, с которой жестко связан предкрылок.
На фиг. 2 представлена схема полезной модели. Модель включает предкрылок 1, имитатор направляющей предкрылка 2, основную часть крыла 4, законцовку крыла 5, закрылок 6, корневую шайбу 7. Положение предкрылка 1 относительно крыла 4 фиксируется за счет жесткого соединения предкрылка с шайбой и законцовкой крыла. Имитатор направляющей предкрылка 2 выполнен геометрически подобным направляющим, использующимся на полноразмерных крыльях, при этом имитатор направляющей предкрылка 2 не является силовым элементом модели, что позволяет обеспечить возможность его закрепления в различных положениях вдоль размаха крыла для выбора оптимального положения с точки зрения корректного моделирования физического механизма шумообразования.
Численное моделирование картины обтекания такой модели (при угле стреловидности 30° и угле атаки модели 6°) подтверждает, что в зоне зазора между предкрылком и основной частью крыла течение имеет выраженный трехмерный характер, в том числе присутствует поперечная составляющая скорости в зазоре между предкрылком и основной частью крыла, сравнимая по величине со скоростью набегающего потока, причем в средней (по размаху) части модели течение подобно тому, что реализуется на полноразмерных крыльях. Возможность установки имитатора направляющей предкрылка в различных положениях по размаху крыла позволяют определить чувствительность процесса генерации шума к параметрам течения.
Предложенное решение, в отличие от известных аналогов, позволяет воспроизвести процесс генерации шума направляющей предкрылка на модели малого размаха. Кроме того, выполнение направляющей предкрылка в виде имитатора (не силовой части конструкции) позволяет моделировать геометрическую форму, характерную для натурных масштабов, что обычно затруднительно даже на моделях большого удлинения типа (1) (Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Беляев И.В. «Исследование шума обтекания крупномасштабной модели крыла с механизацией» 2016, Т. 62, с. 95-105; Lockard D.P., et al., "Overview of Aeroacoustic Testing of the High-Lift Common Research Model," AIAA AVIATION 2021 FORUM, 2021, AIAA Paper 2021-2113, p.9-11).
Практическая значимость полезной модели заключается в том, что в результате ее использования могут быть определены варианты геометрических характеристик направляющих предкрылка, приводящих к менее интенсивной генерации шума.