Исследование аэродинамических характеристик контейнера на внешней подвеске с системой стабилизации типа "поворотный щиток"

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 125

УДК 533.6.011

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТЕЙНЕРА НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ С СИСТЕМОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ТИПА

"ПОВОРОТНЫЙ ЩИТОК”

Е.Б. КИНДЯКОВ, А.Ю. ЛУЦЕНКО, Е.Г. СТОЛЯРОВА Статья представлена доктором технических наук, профессором Калугиным В.Т.

Проведены эксперименты по определению аэродинамических и динамических характеристик модели контейнера на внешней подвеске летательного аппарата. Даны результаты этих экспериментов для различных углов поворота щитков, углов атаки и скольжения. Получены амплитуды раскачки модели и основные аэродинамические характеристики сх(а, в), С(а, в), my(а, в).

Вертолетные контейнеры широко используют при транспортировке различных, в том числе и военных, грузов, а также для хранения и перевозки оборудования. В процессе полета возникает проблема, связанная с поперечной раскачкой таких контейнеров, которая может привести к аварийным ситуациям.

Проектирование контейнера на внешней подвеске летательного аппарата для транспортировки различных грузов требует выбора его оптимальных геометрических размеров и характеристик системы стабилизации. Целью настоящей работы явилось определение аэродинамических характеристик контейнера с системой стабилизации "поворотный щиток" и без нее при различных углах атаки и скольжения.

Для проведения комплексных аэродинамических исследований (тензометрических и визуализа-ционных) использовалась малотурбулентная дозвуковая аэродинамическая труба замкнутого типа кафедры СМ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Размер открытой рабочей части 500 мм X 500 мм, а длина 1000 мм. Для определения стационарных аэродинамических характеристик (осевой, поперечной сил и момента) исследуемых моделей применялись 3-компонентные внутримодельные тензометрические весы.

Для весовых и динамических испытаний были изготовлены модели контейнера с системой стабилизации типа "поворотный щиток". Модель для тензометрических испытаний была выполнена из легкого твердого пенопласта, а для динамических - из листов оргстекла, что позволяло изменять ее массу. Параметры модели были определены из условия ее геометрического и массового подобия: Хм/Рм = Хрк/Ррк = 3,822^10-3, где Рм и Ррк - вес модели и реального контейнера, соответственно, Хм и Хрк - их силы лобового сопротивления. Форма и размеры модели приведены на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная модель

При тензометрических испытаниях модель закреплялась на державке, которая с помощью балки крепилась в координатном устройстве. Все характеристики измерялись в связанной с моделью систе-

ме координат 0ХУ2 (рис. 1). Аэродинамические коэффициенты рассчитывались по площади торцевой поверхности модели 8м = 6,65 •Ю-3 м2 и характерной длине Ь = 0,24 м. Приведенные результаты измерения сил и моментов соответствовали скорости У¥ = 25 м/с. Модель устанавливалась для каждой серии экспериментов под углами атаки а = 0°, 10°, 20°, а угол скольжения Ь при этом изменялся от 0° до 90° с шагом 10°. Углы отклонения щитков от задней кромки 5кр = 150° и 165°.

Порядок проведения динамических испытаний был следующим: модель подвешивалась на центральном тросе длиной 1 =1 м, соединенном с четырьмя крепежными растяжками таким образом, чтобы она находилась в центре рабочей части трубы. Внутри модели располагался полупроводниковый лазер.

В процессе эксперимента модель начинала совершать колебательные движения вместе с лазерным устройством. Видеокамера снимала световое пятно луча лазера, которое он оставлял на регистрирующем экране. Скорость набегающего потока в динамических испытаниях изменялась в диапазоне У¥ = 10 м/с 25 м/с. Эксперименты были проведены для моделей без поворотных щитков и со щитками, углы отклонения которых были равными 5кр = 120°, 135°, 150°, 165°.

На рис. 2 представлены зависимости амплитуды относительного отклонения модели с системой

стабилизации от вертикальной плоскости подвеса Zmax = Zmax /В, где В - ширина модели контейнера. Видно, что амплитуда уменьшается с ростом скорости набегающего потока, при этом оптимальный угол отклонения щитков - 135°.

тах

Рис. 2. Значения безразмерного максимального отклонения центра масс модели от вертикальной плоскости при наличии щитков:

1 - 5Кр = 165°, 2 - 5Кр = 150°, 3 - 5Кр = 135°, 4 - 5Кр = 120°

Модель без крыльевых стабилизаторов совершает неконтролируемые колебательные движения при всех исследуемых скоростях набегающего потока. Это обусловлено тем, что на боковых поверхностях модели происходит попеременно срыв потока и образуются несимметричные области отрыва. Вследствие такого перераспределения давления возникают дополнительная поперечная сила, раскачивающая модель, и возмущающий момент, отклоняющий модель на некоторый дополнительный угол скольжения. При наличии же системы стабилизации амплитуда раскачки находится в допустимых пределах (2тах < 2пред). Однако при малых скоростях У¥ < 10 м/с наблюдалась раскачка контейнера при всех исследованных углах отклонения щитков 5кр, т.е. щитки оказываются неэффективными. Это связано с тем, что при малых скоростях У¥ оторвавшийся от передних кромок на боковых поверхностях контейнера поток не присоединяется на поверхности модели и образуется обширная отрывная зона, в которой находятся и стабилизирующие щитки. Таким образом, система стабилизации типа "поворотный щиток" применима лишь для скоростей длительной перевозки контейнера У¥ > 10 м/с 15 м/с.

Ниже приведены аэродинамические коэффициенты моделей контейнера. Измерения коэффициентов с2 и ту были проведены в летном диапазоне углов атаки и скольжения. Основные обозначения кривых на рис. 3 - 5 представлены в табл. 1.

Рис. 3. Коэффициент продольной силы е*(Р) модели контейнера

Таблица 1

Кривая № 1 2 3 4 5 6 7 8 9

а, ° 0 0 0 10 10 10 20 20 20

5 ° 5кр, без щитка 165 150 без щитка 165 150 без щитка 165 150

На рис. 3 показаны зависимости коэффициента продольной силы ^(Р) для различных углов атаки а и углов раскрытия щитка 5кр. Видно, что с ростом в коэффициент сх уменьшается. При этом увеличение угла раскрытия щитка 5кр приводит к возрастанию сх по сравнению с моделью без щитка примерно в 2 - 3 раза (например, кривые 1, 2 рис. 3).

3.00

2,50

2.00 Cz^ ,50

1,00

0,50

0,00

Рис. 4. Коэффициент поперечной силы ^(Р) модели контейнера

В соответствии с графиками (например, кривые 1 и 3 рис. 4; кривые 7 и 9 рис. 5) стабилизирующие устройства вносят незначительный вклад в изменение коэффициентов ^ и my, что объясняется существованием отрывных структур течения в носовой части контейнера.

Таким образом, результаты физического моделирования обтекания контейнеров со стабилизаторами типа "поворотный щиток" показали, что их эффективность определяется скоростью обтекания и геометрическими параметрами контейнера. Наибольший стабилизирующий момент получается при незначительном интерференционном влиянии зон отрыва на стабилизирующее устройство.

0,00

-0,50

ГПу

-1,00

-1,50

-2,00

: ш \ 1 II з 2 2 ] 3 II 41

' / ^ Ї К ' к -"-ч К —. 4 * ч _ S. Г' " 1  і •Г - /  L_ v ---і 1 4 5

- . - 0 7"""' з i-- і і L- . .

-

Рис. 5. Коэффициент момента рысканья my(P) модели контейнера

INVESTIGATION OF AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF CONTAINER ON THE EXTERNAL SUSPENSION WITH REGULATING SYSTEM OF "TURNING FLAP" TYPE

Kindyakov E. B., Lutsenko A. Yu., Stolyarova E. G.

The experiments for determination of aerodynamic and dynamic characteristics of model of container on the external suspension bracket of the vehicle were carried out. The results of these experiments for various angles of turning panel, angles of attack and sliding (the amplitude of oscillations of model and the aerodynamic characteristics cx(a, P), cz(a ,P), m^a, P) are presented.

Сведения об авторах

Киндяков Евгений Борисович, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирант кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор 3 научных работ, область научных интересов -управление процессами обтекания и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов.

Луценко Александр Юрьевич, 1964 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1987), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 60 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений.

Столярова Елена Глебовна, окончила МАИ (1971), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 60 научных работ, область научных интересов -нестационарная аэродинамика, отрывные и струйные течения.