УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕЛА
BODY STABILISATION APPARATUS

Изобретение относится к устройствам стабилизации тел, обтекаемых газом или жидкостью, и может найти применение в различных областях техники, в частности для стабилизации тел, движущихся в атмосфере (объекты, сбрасываемые с воздушных судов, спускаемые космические аппараты, транспортируемые объекты, снаряды) и в водной среде.
Известно устройство стабилизации спускаемой капсулы, содержащее соединенный с капсулой элемент динамического сопротивления в виде отделяемого стабилизирующего парашюта (патент РФ №2046078, 1992 г., МКИ B64G 1/22).
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство стабилизации тела, сбрасываемого с летательного аппарата, содержащее элемент динамического сопротивления, закрепленный за кормовой частью тела на стойке, ось которой ориентирована по оси стабилизации тела (патент РФ №2075189, 1993 г., МКИ B64D 19/02).
Недостатками этих устройств являются сложность конструкции и большие габаритные и весовые характеристики устройства.
Заявленное изобретение направлено на упрощение конструкции устройства и улучшение его габаритно-весовых характеристик.
Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве стабилизации тела, содержащем элемент динамического сопротивления, закрепленный за кормовой частью тела на стойке, ось которой ориентирована по оси стабилизации тела, элемент динамического сопротивления выполнен в виде тормозного щитка, при этом щиток закреплен на конце стойки в области своего геометрического центра и установлен шарнирно с возможностью свободного поворота вокруг осей, перпендикулярных оси стойки. В частном случае для стабилизации тела вращения щиток выполнен в форме кругового диска.
Отличительными признаками заявленного изобретения являются:
- выполнение элемента динамического сопротивления в виде тормозного щитка;
- крепление щитка на конце стойки в области своего геометрического центра;
- установка щитка шарнирно с возможностью свободного поворота вокруг осей, перпендикулярных оси стойки.
Выполнение элемента динамического сопротивления в виде тормозного щитка значительно упрощает конструкцию устройства стабилизации тела и ведет к улучшению его габаритно-весовых характеристик.
Крепление тормозного щитка на конце стойки в области своего геометрического центра и установка его шарнирно с возможностью свободного поворота вокруг осей, перпендикулярных оси стойки, обеспечивает возникновение максимального восстанавливающего момента сил при любом возможном отклонении тела от оси стабилизации. Это позволяет для стабилизации тела использовать тормозной щиток небольшого размера, что ведет к улучшению габаритно-весовых характеристик устройства.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
На фигуре 1 изображена схема предлагаемого устройства стабилизации тела применительно к телам вращения (ось стабилизации тела совпадает с осью симметрии тела). На фигуре 2 приведена фотография примера реализации устройства.
Устройство содержит элемент динамического сопротивления в виде кругового диска 1, установленного за кормовой частью 2 стабилизируемого тела 3 и закрепленного на стойке 4 в области своего геометрического центра посредством сферического шарнира 5. Стойка 4 жестко закреплена на кормовой части 2 тела 3 и установлена по оси симметрии тела 3. Стрелками 6 показано направление набегающего потока. Прерывистой линией на фигуре показано положение диска 1 при отклонении его от исходного положения. Длина стойки 4 определяется расчетным или экспериментальным путем из условия, что диск должен быть расположен вне отрывной зоны течения, возникающей за кормовой частью тела 1, и не должен вызывать отрыва потока на обтекаемом теле 1. Диаметр диска 1 и длина стойки 4 определяются исходя из необходимых параметров стабилизации. Увеличение диаметра диска приводит к увеличению сопротивления и увеличению стабилизирующего момента сил, действующих на тело при его отклонении от оси стабилизации. Увеличение длины стойки приводит к увеличению плеча сил, что ведет к увеличению восстанавливающего момента.
Устройство работает следующим образом. При отклонении тела 3 от оси стабилизации диск 1 под действием набегающего потока поворачивается в шарнире 5, устанавливаясь перпендикулярно набегающему потоку. Действующие на диск 1 аэродинамические силы создают восстанавливающий момент, который действует на тело 3 таким образом, что тело 3 стремится занять положение, при котором восстанавливающий момент уравновешивает возмущающий момент сил.
Примеры реализации
1. Был изготовлен экспериментальный образец устройства стабилизации тела, фиг.2. Модель стабилизируемого тела имела форму кругового цилиндра длиной 1.25 и диаметром 0.25 м. Тормозной щиток был выполнен в форме диска, диаметр диска составлял 0.7-0.9 диаметра корпуса модели. Диск крепился за кормовой частью модели шарнирно на стойке, жестко соединенной с моделью. Шарнир имел одну ось вращения, перпендикулярную оси симметрии модели (оси стабилизации). Расстояние, на котором устанавливался диск за кормовой частью модели, варьировалось в диапазоне 0.3-2.2 диаметра корпуса модели.
Испытания экспериментального образца предлагаемого устройства стабилизации тела были проведены в НИИ механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Использовалась аэродинамическая труба А-6 замкнутого типа с открытой горизонтальной рабочей частью эллиптического поперечного сечения (2.3 м * 4 м). Скорость потока в рабочей части трубы по величине достигала 35 м/с. Испытания проводились методом свободных колебаний при различных начальных положениях модели. Модель закреплялась в рабочей части аэродинамической трубы горизонтально с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси (оси центровки) таким образом, что ось шарнира устройства стабилизации была параллельна оси центровки. Угловые перемещения модели в горизонтальной плоскости регистрировались посредством датчика поворота.
Результаты испытаний показали, что стабилизирующий эффект устройства проявляется при удалении диска от кормовой части корпуса модели на расстояние, превышающее диаметр корпуса модели. С увеличением длины стойки стабилизирующий эффект устройства увеличивался. При длине стойки, превышающей 2 диаметра корпуса модели, устройство обеспечивало устойчивую стабилизацию модели. При жестком закреплении диска на стойке стабилизации тела не происходило.
2. В НИИ механики МГУ им. М.В.Ломоносова было также проведено испытание экспериментального образца устройства стабилизации тела для модели, имеющей форму снаряда. Тормозной щиток был выполнен в форме диска, диаметр диска был равен 0.8 диаметра корпуса модели. Длина стойки, на которой шарнирно крепился диск, равнялась 3 диаметрам корпуса модели. При скорости набегающего потока 150-180 м/с устройство обеспечивало устойчивую продольную стабилизацию модели.
Таким образом, экспериментально было подтверждено, что предлагаемое устройство обеспечивает устойчивую стабилизацию тела, обтекаемого потоком воздуха.