Устройство для измерения аэродинамической силы и момента
DEVICE FOR MEASURING AERODYNAMIC FORCE AND TORQUE

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и предназначено для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов (ЛА) при экспериментальных исследованиях в аэродинамических трубах (АДТ).
К числу основных видов исследований в АДТ относится эксперимент по определению суммарных аэродинамических характеристик моделей ЛА.
Основным средством измерения являются многокомпонентные аэродинамические весы, которые измеряют составляющие векторов аэродинамических сил и моментов по осям принятой системы координат; в соответствии с принципом действия различают механические и тензометрические весы.
Известно устройство - механические весы (см. Авиация. Большая «Российская энциклопедия». Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, Москва, 1994, стр. 134) состоящее из жесткой рамы (расположенной за границами потока аэродинамической трубы) и связанных между собой рычажных систем, удерживающих ее в положении равновесия; выходные звенья рычажных механизмов соединены с динамометрами, измеряющими составляющие векторов аэродинамической нагрузки. Модель летательного аппарата крепится на раме при помощи поддерживающего устройства, представляющего собой ленты профилированного сечения, ориентированные вдоль потока. Рама имеет замкнутую форму, охватывающую рабочую часть аэродинамической трубы.
По своему функциональному назначению рама суммирует нагрузки, действующие на модель, а также на ленты. При помощи рычажной системы нагрузки раскладываются на составляющие по осям координат и измеряются динамометрами.
Основной недостаток механических весов состоит в суммировании аэродинамических нагрузок, действующих на модель и ленты.
Известны тензометрические весы (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев. Многокомпонентные тензометрические весы. «Датчики и системы», 2004, №3, стр. 3), состоящие из упругого тела, чувствительных элементов и тензорезисторов, преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы.
Чувствительные элементы ориентированы так, чтобы деформация элемента, вызванная соответствующей составляющей векторов аэродинамической силы и момента, была максимальной. Тензометрические весы (далее - тензовесы) представляют собой стержневую конструкцию, размещаемую внутри испытываемой модели, к одному концу тензовесов крепится испытываемая модель, а другой конец соединен с поддерживающим устройством и через него с механизмом изменения углового положения модели.
Основной недостаток данного технического решения состоит в невозможности использования ленточной подвески.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, состоящее из испытываемой модели, внутримодельных тензовесов, устройства крепления (опоры) в трех точках в виде ленточной подвески, состоящей из трех лент: одной носовой и двух хвостовых и промежуточной рамы, изготовленной в виде вилки с сегментовидными зубьями, между которыми размещены тензовесы плоской конструкции (патент №2287796), которое не чувствительно к аэродинамическим нагрузкам, действующим на ленты. Недостатком этого устройства, является то, что для его использования требуется в каждом случае создавать новую специализированную компоновку внутримодельных тензовесов. Стоимость создания новых тензовесов достаточно высока (приблизительно 6-12 млн. руб.). Другим недостатком этого устройства является необходимость выполнения сквозного отверстия в тензовесах для похождения втулки, соединяющей промежуточную раму с двумя хвостовыми лентами.
Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции, позволяющей закрепить внутримодельные тензовесы на ленточной подвеске, а также позволяющей использовать одни и те же (штатные) внутримодельные тензовесы для испытания различных массово-габаритных моделей летательных аппаратов.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение в 5-10 раз по сравнению с внешними весами погрешности измерений, сокращение стоимости испытаний в АДТ и времени на их подготовку.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для измерения аэродинамической силы и момента модели летательного аппарата, содержащее промежуточную раму, подвешенную в трех точках на лентах, внутримодельные тензовесы с узлами крепления к модели и промежуточной раме, ленточную подвеску с одной носовой или хвостовой и двумя центральными лентами, промежуточная рама выполнена замкнутой формы с охватом тензовесов и узла крепления тензовесов к модели. Крепление промежуточной рамы к носовой (или хвостовой) и двум центральным лентам выполнено при помощи стержней, соединения внутримодельных тензовесов с моделью и промежуточной рамой выполнено с использованием адаптеров, размещенных внутри промежуточной рамы, при этом величина зазоров между моделью и ленточной подвеской, промежуточной рамой и адаптером, соединяющим тензовесы с моделью больше максимальной деформации тензовесов и промежуточной рамы под нагрузкой.
Решение задачи и технический результат также достигаются тем, что в качестве адаптера использован узел крепления прямоугольной формы, ширина которого соответствует ширине внутреннего пространства промежуточной рамы, в котором выполнено коническое отверстие, соответствующее посадочному конусу тензовесов.
Решение задачи и технический результат также достигаются тем, что в качестве стержней для соединения промежуточной рамы с лентами использованы валики.
Предложенное устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведены схема компоновки внутримодельных тензовесов, модели летательного аппарата и охватывающей промежуточной рамы в двух видах: вид сбоку и вид сверху, а также чертежи конструкции в 4-х сечениях: А-А, Б-Б, В-В, Г-Г.
Устройство (см. Фиг. 1) содержит тензовесы 1, снабженные двумя посадочными конусами 2 и 3, промежуточную раму 4, подвешенную в трех точках при помощи носовой (или хвостовой) ленты 7 и двух центральных лент 8; стержня 9, соединяющего промежуточную раму с носовой (или хвостовой) лентой и двух стержней 10, соединяющих боковины промежуточной рамы 4 с центральными лентами 8. Таким образом, достигается крепление (подвешивание) промежуточной рамы к лентам 7, 8 в трех опорных точках.
Устройство также содержит два адаптера 11 и 12. Адаптер 12, посадочный конус 2 тензовесов 1 и набор фиксирующих гаек и винтов (на фигуре 1 не обозначены) образуют узел крепления тензовесов 1 к испытываемой модели 5. Адаптер 11, посадочный конус 3 тензовесов 1 и набор фиксирующих винтов образуют узел крепления тензовесов 1 к промежуточной раме 4.
В качестве конкретного примера реализации адаптера можно предложить адаптер в виде детали прямоугольной формы, ширина которой соответствует ширине внутреннего пространства промежуточной рамы. В этом случае оба адаптера в составе соответствующих узлов крепления могут быть размещены внутри промежуточной рамы, т.е. охватываться ею. В адаптере также выполнено коническое отверстие, соответствующее посадочному конусу тензовесов, так, чтобы было возможно произвести надежное соединение этих конструктивных элементов.
Промежуточная рама 4 имеет сложную геометрическую форму с отверстиями и вырезами различных размеров и форм (см. Фиг. 1, сечения А-А, Б-Б, В-В, Г-Г). Замкнутая форма промежуточной рамы 4 позволяет охватить как тензовесы 1, так и узел крепления тензовесов к модели 5, т.е. расположить их внутри конструкции рамы. Такая конструкция промежуточной рамы 4 в сочетании с использованием трех стержней 9, 10 для соединения рамы с опорными лентами, позволяет отказаться от выполнения сквозного отверстия в тензовесах для прохождения крепежной втулки, как это имело место в прототипе. Стержни 9, 10 могут иметь различную форму в сечении. Для конкретного варианта реализации устройства стержни изготавливались в виде валиков.
Между внешней поверхностью тензовесов 1 и внутренней поверхностью промежуточной рамы 4, а также между внутренней поверхностью промежуточной рамы 4, внешней поверхностью адаптера 12 и внутренней поверхностью модели 5 образованы кольцевые зазоры 6 (см. сечение В-В Фиг. 1). Величина зазоров выбирается большей чем величина максимальной деформации весов и рамы под нагрузкой. Т.е. при испытании модели летательного аппарата даже при максимальной деформации тензовесов и промежуточной рамы вышеуказанные части конструкции не должны касаться друг друга.
х
у
z
х
у
z
Устройство работает следующим образом. Измеряемые составляющие X, Y, Z, М, М, M векторов аэродинамической силы и момента от модели 5 через адаптер 12 и посадочный конус 2 воздействуют на шестикомпонентные тензовесы 1. Благодаря наличию кольцевого зазора 6 все составляющие полностью воспринимаются тензовесами и измеряются без каких-либо искажений. Далее через посадочный конус 3 и адаптер 11 составляющие векторов X, Y, Z, М, М, M замыкаются (воздействуют) на промежуточную раму 4. Промежуточная рама через валики 9 и 10 удерживается в положении равновесия реакциями опор со стороны носовой (хвостовой) 7 и центральных 8 лент.
Таким образом, промежуточная рама, имеющая одну точку опоры на носовую (хвостовую) ленту и две точки опоры на две центральные ленты, позволяет соединить в одной конструкции тензовесы, ленточную подвеску и модель летательного аппарата.
Замкнутая форма промежуточной рамы, охватывающая тензовесы и узел крепления тензовесов к модели и использование двух валиков для соединения боковин опорной рамы с хвостовыми опорными лентами, позволяет отказаться от выполнения сквозного отверстия в тензовесах для прохождения крепежной втулки, что упрощает и удешевляет конструкцию тензовесов. Также такое техническое решение позволяет прикрепить промежуточную раму к модели в центре тяжести модели.
В предложенном устройстве тензовесы с закрепленной на них моделью летательного аппарата представляют консольную компоновку, на которую воздействуют только аэродинамические силы, приложенные к модели ЛА. В результате отсутствует необходимость проведения методических испытаний по определению сопротивления ленточной подвески и учета ее сопротивления при определении аэродинамических характеристик модели.
Использование адаптеров дает возможность для испытания моделей летательных аппаратов с различными массово-габаритными характеристиками использовать в схеме с ленточной подвеской одни и те же тензовесы. Отсутствует необходимость в изготовлении и использовании дорогостоящих специализированных внутримодельных тензовесов.
Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат: уменьшение в 5-10 раз по сравнению с внешними весами погрешности измерений, сокращение стоимости измерений аэродинамических сил и моментов, действующих на модель летательного аппарата, установленной в АДТ, а также сокращение времени на подготовку испытаний.
Проведенные в аэродинамических трубах ЦАГИ испытания модели летательного аппарата с использованием опытного образца предлагаемого устройства подтвердили работоспособность предложенного изобретения.