Маломасштабная модель самолета

Полезная модель относится к экспериментальной аэродинамике летательных аппаратов.
В процессе проектирования самолета важное значение имеет математическая модель аэродинамических характеристик - статических и нестационарных.
Известно, что наиболее достоверным способом определения аэродинамических характеристик самолетов с винтомоторной силовой установкой (ВМСУ) являются экспериментальные исследования моделей самолетов с работающими силовыми установками в аэродинамических трубах (А.В. Петров «Аэродинамика транспортных самолетов короткого взлета и посадки с энергетическими системами увеличения подъемной силы». - М.: Инновационное машиностроение, - 2018 г., с. 456). Влияние работы винтов на статические аэродинамические характеристики винтомоторных самолетов ранее исследовалось при продувках моделей в аэродинамических трубах малых скоростей, например, моделей с максимальной площадью крыла  и размахомм,  имеющих диаметр винта  м (А.В. Петров «Аэродинамика транспортных самолетов короткого взлета и посадки с энергетическими системами увеличения подъемной силы». - М.: Инновационное машиностроение, - 2018 г., с. 142). Например, известна модель-аналог самолета с двух-двигательной винтомоторной группой, имеющая размах крыла  м, диаметр воздушных винтов составляет  м (А.В. Петров «Аэродинамика транспортных самолетов короткого взлета и посадки с энергетическими системами увеличения подъемной силы». - М.: Инновационное машиностроение, - 2018 г., с. 489). При испытаниях данной модели в воздушном потоке аэродинамической трубы сначала измерялись аэродинамические силы и моменты без воздушных винтов, затем определялась суммарная тяга изолированного воздушного винта на специальной установке, а после этого исследовались статические аэродинамические характеристики модели самолета с работающими винтами.
Изучение нестационарных аэродинамических характеристик данного класса самолетов проводилось в потоке аэродинамической трубы малых скоростей на моделях без винтов с размахом крыла и длиной фюзеляжа не больше 1,2 м, весом до 12 кГс (И.В. Колин, К.Ф. Лацоев, В.Г. Марков, В.К. Святодух, Т.И. Трифонова, В.К. Святодух «Исследование вращательной и нестационарной производных момента тангажа модели самолета на установке двухстепенных вынужденных колебаний» // «Ученые записки ЦА-ГИ». - 2013 г., т.54, №4, с. 47). Установка винтомоторной группы на таких моделях ранее была невозможной из-за малых габаритов модели и отсутствия мощных компактных электродвигателей.
За прототип принята маломасштабная модель двухдвигательного самолета (И.В. Колин, К.Ф. Лацоев, В.Г. Марков, В.К. Святодух, Т.И. Трифонова, В.К. Святодух «Исследование вращательной и нестационарной производных момента тангажа модели самолета на установке двухстепенных вынужденных колебаний» // «Ученые записки ЦА-И». - 2013 г., т. 54, № 4, с. 50), фотография которой приведена на фиг. 1 приложения А. Модель включает высокорасположенное крыло большого удлинения (Х»10) с размахом 1 м, горизонтальное оперение, фюзеляж, мотогондолы с заглушками, киль, отклоняемые органы управления - элероны, интерцепторы, закрылки, руль высоты, руль направления. На фюзеляже модели предусмотрены быстросъемные люки для монтажа внутри него узлов с измерительной аппаратурой (динамометра, акселерометров) и закрепления модели на державке установки.
Модель-аналог не может использоваться для определения нестационарных аэродинамических характеристик из-за превышения ее веса (>12 кГс) и габаритов (размах крыла >1,2 м), ограничиваемых конструкцией динамической установки.
На модели-прототипе нет возможности исследовать нестационарные аэродинамические характеристики с работающими винтами из-за отсутствия компактных электродвигателей необходимой мощности и малогабаритного бортового оборудования для управления работой воздушных винтов.
Техническим результатом является возможность получения достоверных квазистатических и нестационарных аэродинамических характеристик самолета при работе воздушных винтов в широком диапазоне углов атаки и скольжения.
Технический результат достигается тем, что маломасштабная модель самолета, содержащая фюзеляж, крыло с элеронами, интерцепторами и мотогондолами, горизонтальное оперение с рулем высоты, дополнительно содержит рулевые машинки для управления элеронами, интерцепторами и рулем высоты, в мотогондолах на крыле установлена винтомоторная группа, состоящая из электродвигателей с винтами, в фюзеляже расположено бортовое оборудование, содержащее полетный контроллер, регуляторы оборотов электродвигателей, инклинометр, акселерометр, аккумуляторные батареи для питания электродвигателей, регуляторов оборотов, полетного контроллера и рулевых машинок. Модель самолета закреплена на подфюзеляжной державке, установленной на «Г-образной» раме, жестко зафиксированной на верхней подвижной платформе шестистепенного электромеханического стенда.
На фигурах, приведенных ниже, показаны:
фиг. 1 - фотография общего вида маломасштабной модели самолета с винтомоторной группой;
фиг. 2- схема размещения бортового оборудования внутри фюзеляжа модели для управления винтомоторной группой и органами взлетно-посадочной механизации;
фиг. 3 - блок-схема управления электродвигателями винтомоторной группы;
фиг. 4 - фотографии маломасштабной модели самолета в рабочей части аэродинамической трубы малых скоростей: а - модель самолета на державке стенда, б - общий вид электромеханического стенда с моделью;
фиг. 5 - результаты трубных квазистатических испытаний маломасштабной модели самолета с винтомоторной группой;
фиг. 6 - результаты динамических испытаний маломасштабной модели самолета с винтомоторной группой.
Маломасштабная модель самолета с высокорасположенным крылом включает винтомоторную группу и предназначена для испытаний на электромеханическом стенде в воздушном потоке аэродинамической трубы малых скоростей.
Маломасштабная модель самолета, имеющая отклоняемые органы управления: элероны, интерцепторы и рули высоты; а также закрылки, две мотогондолы, горизонтальное оперение, киль, фюзеляж с бортовой измерительной аппаратурой (акселерометрами и внутримодельным узлом с тензометрическими весами), содержит рулевые машинки (на фиг. 2 обозначенные А, Б, В, Г - для управления отклонением элеронов и интерцепторов на крыле, Д, Е - для управления отклонением руля высоты), винтомоторную группу (фиг. 2), включающую: воздушный винт левый 1, втулку левую 2, электродвигатель 3, размещенный в полости левой мотогондолы, клемму 4, кабель 5, втулку правую 6, воздушный винт правый 7, электродвигатель 8 в полости правой мотогондолы, клемму 9, кабель 10; расположенное внутри фюзеляжа бортовое оборудование.
Бортовое оборудование включает аккумулятор 11 и размещенные на вертикальной плате 12: полетный контроллер 13; плату аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 14; акселерометр 15; инклинометр 16; регуляторы оборотов 17 и 18, расположенные друг под другом; кабели 19 для соединения с аккумуляторами 20 и 21, находящимся в хвостовой части модели (фиг. 2).
Работа винтомоторной группы осуществляется по электрической цепи кабельного соединения ее элементов, приведенной на фиг. 3. Вращение воздушных винтов выполняется электродвигателями 3 и 8 через регуляторы оборотов 17 и 18 с помощью полетного контроллера 13, управление которым осуществляется по беспроводной сети от сервера (компьютера Raspberry «Rpi2»). Кроме того, полетный контроллер выполняет управление работой рулевых машинок А, Б, В, Г, Д, Е на фиг. 2 для дистанционного отклонения органов управления. Электропитание электродвигателей 3 и 8 осуществляется аккумуляторами 20 и 21, а полетного контроллера 13 - аккумулятором 11 через преобразователь напряжения 22 (фиг. 3), питание рулевой машинкой (например, А) также осуществляется аккумулятором 11 (фиг. 3).
Для проведения испытаний в воздушном потоке рабочей части аэродинамической трубы использовалась маломасштабная модель самолета с высокорасположенным крылом с удлинением λ=9,68 и размахом 1,19 м, с винтомоторной группой неподвижно фиксировалась с подветренной стороны на державке 23 рамы 24 (фиг.4, а), жестко установленной на подвижной платформе электромеханического стенда 25 (фиг.4, б). Стенд неподвижно размещался на поворотном круге в рабочей части трубы. Угол атаки а модели задавался поворотом круга аэродинамической трубы в диапазоне -4÷20 град, углы скольжения р или крена у - наклонами электрической платформы стенда в пределах ±20 град. Амплитуда угловых колебаний модели по тангажу при максимально допустимой частоте колебаний 1.5 Гц не превышала 5 град. Лопасти винтов винтомоторной группы были установлены под углами в диапазоне от 25 до 42 град от взлетно-посадочной до крейсерской конфигураций соответственно. Измерение аэродинамических нагрузок, действующих на модель в ядре потока трубы, осуществлялось тензометрическими весами, размещенными во внутримодельном узле, угол атаки измерялся датчиком положения, размещенным под поворотным кругом трубы.
Результаты трубных испытаний маломасштабной модели самолета с работающей винтомоторной группой при непрерывном увеличении угла атаки и отсутствии угла скольжения, показали, что с ростом коэффициента В обдува крыла модели винтами значительно возрастает максимальное значение коэффициента подъемной силы, повышение несущих свойств модели в квазистатической зависимости с (а) и появление нейтральной устойчивости в характеристике коэффициента момента тангажа т, (а) на докритических режимах (фиг. 5). В ходе динамических испытаний модели отмечено, что работа винтомоторной  группы приводит к увеличению демпфирования самолета по тангажу на углах атаки α≥4 град (фиг. 6).
Практическая значимость предлагаемой полезной модели состоит в том, что маломасштабная модель самолета позволяет получить статические и нестационарные аэродинамические характеристики с учетом работающей винтомоторной группы, что важно при проектировании винтомоторных самолетов, а также для безопасности полетов на больших углах атаки, устойчивости и управляемости, разработки систем управления и создания авиационных тренажеров.