Стенд для измерения аэродинамических сил и моментов
STAND FOR MEASURING AERODYNAMIC FORCES AND MOMENTS

Изобретение относится к измерительной технике, применяемой в аэродинамическом эксперименте, и предназначено для измерения сил и моментов, действующих на модели объектов, находящихся в потоке воздуха аэродинамической трубы, например модели объектов авиационной техники.
При испытаниях модели объекта, находящейся в потоке воздуха аэродинамической трубы, или ее составной части для определения воздействующей на модель или ее часть суммарной аэродинамической силы определяют ее составляющие по трем ортогональным осям, а также аэродинамические моменты вокруг этих осей. Все эти величины являются важными характеристиками аэродинамических свойств исследуемой модели объекта.
8
Известен стенд для измерения вертикальной нагрузки, воздействующей на объект авиационной техники (патент на полезную модель РФ №127464, МПК G01M 9/06, опубликовано 27.04.2013, Бюл. №12). Стенд содержит динамометрическую платформу с закрепленным на ней объектом, установленную на неподвижную опорную раму посредством четырех гибких стоек, например, жестко закрепленных с платформой и рамой пластин. Гибкие стойки обеспечивают возможность перемещения динамометрической платформы по трем ортогональным осям. Каждая стойка включает средний жесткий участок, на котором установлены трехкомпонентные пьезоэлектрические датчики виброускорений со встроенными усилителями напряжения. Такая стойка может быть выполнена в виде пластины с двумя гибкими участками, каждый из которых сопряжен с жесткими участками. Одна из трех ортогональных измерительных осей каждого датчика направлена вдоль гибкой стойки. Усилители напряжения через кабели подключены к источникам питания. Источники питания через кабели подсоединены к регистратору-анализатору сигналов напряжения.
При испытании объекта авиационной техники виброускорения поперечных колебаний гибких пластин регистрируются датчиками виброускорений. Собственная частота поперечных колебаний каждой гибкой пластины изменяется в зависимости от приложенной к ней вертикальной силы, совпадающей с ее осью. До или после испытаний выполняется расчет собственных частот поперечных колебаний гибкой пластины в зависимости от приложенной к ней вдоль ее оси вертикальной нагрузки. Для экспериментально зарегистрированных частот собственных поперечных колебаний гибкой пластины по расчетным зависимостям определяют значения величины вертикальной нагрузки, действующей на гибкую стойку. По алгебраической сумме вертикальных нагрузок, действующих на каждую гибкую стойку, определяется равнодействующая вертикальная нагрузка (сила), действующая на объект авиационной техники. Кроме того, по равнодействующей вертикальной силе можно вычислить момент тангажа относительно выбранной в пространстве точки, в качестве которой может рассматриваться центр масс объекта авиационной техники.
Стенд компактен и конструктивно прост, однако не позволяет измерить усилия, действующие вдоль осей, направленных в продольном и поперечном направлениях к объекту, и определить по ним момент рысканья и момент тангажа.
8
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стенд для измерения нагрузок, воздействующих на объект авиационной техники (патент на изобретение РФ №2651627, МПК G01M 9/06, опубликовано 23.04.2018, Бюл. №12). Стенд включает динамометрическую платформу, предназначенную для закрепления объекта, установленную посредством, по меньшей мере, четырех пластин переменной жесткости на неподвижную опорную платформу с возможностью перемещения динамометрической платформы по трем ортогональным осям, причем каждая пластина выполнена с гибким участком, сопряженным с жесткими участками, и снабжена элементом измерения нагрузки. Стенд дополнительно содержит датчик, регистрирующий продольные перемещения динамометрической платформы и предназначенный для измерения продольной нагрузки. Элемент измерения нагрузки выполнен в виде двух пар одинаковых тензорезисторных датчиков, предназначенных для измерения вертикальных и поперечных нагрузок, установленных на хотя бы одном гибком участке каждой пластины на одном уровне относительно неподвижной опорной платформы, датчики каждой пары установлены на противоположных широких сторонах пластины, причем вертикальные оси симметрии чувствительных элементов датчиков одной пары ориентированы вдоль вертикальной оси симметрии широкой стороны пластины, а вертикальные оси симметрии чувствительных элементов датчиков другой пары параллельны ей.
Применение данного стенда позволяет при аэродинамических испытаниях определять вертикальную, продольную и поперечную составляющие векторов аэродинамической силы, а так же моменты крена, рысканья и тангажа, действующие на исследуемый объект.
Существенными недостатками данного стенда для измерения нагрузок, воздействующих на объект авиационной техники, являются невысокая точность и большая погрешность измерения составляющих векторов аэродинамической силы, особенно поперечной составляющей, что обусловлено высокой жесткостью в данном направлении широкой стороны каждой из четырех пластин, используемых для крепления динамометрической платформы с неподвижной опорной платформой.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения составляющих векторов аэродинамической силы, воздействующей на модель объекта, находящуюся в потоке воздуха аэродинамической трубы.
Задача решается за счет того, что в стенде для измерения аэродинамических сил и моментов, воздействующих на модель объекта авиационной техники, включающем динамометрическую платформу, предназначенную для закрепления модели объекта посредством измерительных элементов на неподвижную опорную платформу, с возможностью перемещений динамометрической платформы по трем ортогональным осям, динамометрическая платформа выполнена с возможностью размещения на ней элементов конструкции планера объекта авиационной техники. Кроме того, каждый измерительный элемент содержит тензометрический датчик балочного типа, соединенный с тягой круглого сечения, ось которой сонаправлена с направлением действия измеряемой силы. Для измерения продольной силы установлен один измерительный элемент, ось тяги которого совпадает с осью симметрии динамометрической платформы. Для измерения поперечной силы установлена пара измерительных элементов по краям динамометрической платформы, оси тяг которых размещены на равной высоте от неподвижной опорной платформы. Для измерения нормальной силы и момента крена установлены три измерительных элемента, оси тяг которых перпендикулярны оси симметрии динамометрической платформы, при этом один из трех измерительных элементов размещен у переднего края динамометрической платформы, а его ось тяги расположена в плоскости вертикальной симметрии динамометрической платформы, два других измерительных элемента размещены у заднего края динамометрической платформы на одинаковом расстоянии от плоскости вертикальной симметрии динамометрической платформы.
Изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг. 1 изображен в аксонометрической проекции стенд для измерения аэродинамических сил и моментов с закрепленной на динамометрической платформе моделью объекта авиационной техники;
- на фиг. 2 изображен в аксонометрической проекции стенд, указанный на фиг. 1, со схемой расположения измерительных элементов относительно динамометрической платформы;
- на фиг. 3 изображен измерительный элемент.
Стенд для измерения аэродинамических сил и моментов, воздействующих на исследуемую модель объекта 1, например, модель объекта авиационной техники (фиг. 1), содержит динамометрическую платформу 2 с закрепленной на ней моделью объекта 1 и неподвижную опорную платформу 3. Динамометрическая платформа 2 выполнена с возможностью размещения на ней элементов конструкции планера 4 модели объекта авиационной техники, предназначенных для крепления модели объекта 1 на динамометрической платформе 2. Динамометрическая платформа 2 и неподвижная опорная платформа 3 соединены между собой посредством шести измерительных элементов 5, 6, 7, 8, 9, 10, каждый из которых состоит из тензометрического датчика балочного типа 11 и тяги 12 круглого сечения (фиг. 3), которые обеспечивают возможность перемещения динамометрической платформы 2 по трем ортогональным осям, причем ее поверхность остается практически параллельной горизонтальной плоскости неподвижной опорной платформы 3. Неподвижная опорная платформа 3 жестко связана с корпусом аэродинамической трубы (не показано) посредством стоек 13. Измерительный элемент 7, предназначенный для измерения продольной силы Fx, установлен таким образом, что его ось тяги 14 совпадает с осью симметрии 15 динамометрической платформы 2. Измерительные элементы 5 и 10, предназначенные для измерения поперечной силы Fz, установлены по краям динамометрической платформы 2, а их оси тяг размещены на равной высоте от неподвижной опорной платформы 3. Измерительные элементы 6, 8 и 9 предназначены для измерения нормальной силы Fy и момента крена Мх. Измерительный элемент 6 размещен у переднего края динамометрической платформы 2, при этом его ось тяги расположена в плоскости вертикальной симметрии 16 динамометрической платформы 2 и перпендикулярна ее оси симметрии 15, а измерительные элементы 8 и 9 размещены у заднего края динамометрической платформы 2 на одинаковом расстоянии от плоскости вертикальной симметрии 16 с одной и другой стороны.
Стенд для измерения аэродинамических сил и моментов работает следующим образом.
Перед проведением эксперимента модель объекта 1 закрепляется на динамометрической платформе 2 посредством элементов конструкции планера 4. Динамометрическая платформа 2 соединяется с неподвижной опорной платформой 3, жестко связанной с корпусом аэродинамической трубы стойками 13, посредством предварительно закрепленных на ней шести измерительных элементов 5, 6, 7, 8, 9, 10, каждый из которых состоит из тензометрического датчика балочного типа 11 и тяги 12 круглого сечения. Далее осуществляется тарировка аэродинамического стенда по трем направлениям с использованием контрольных нагрузок.
В ходе проведения эксперимента модель объекта 1 обтекается в аэродинамической трубе потоком воздуха, имитирующим полетные условия, и перемещается вместе с элементами конструкции планера 4 и динамометрической платформой 2, связанной с неподвижной опорной платформой 3 измерительными элементами 5, 6, 7, 8, 9, 10. Жесткое закрепление измерительных элементов 5, 6, 7, 8, 9, 10 к динамометрической платформе 2 и неподвижной опорной платформе 3 допускает перемещение динамометрической платформы 2 в продольном, вертикальном и поперечном направлениях, причем ее поверхность остается практически параллельной горизонтальной плоскости динамометрической платформы 2. При продольных перемещениях динамометрической платформы 2 на связанный с ней через тягу 12 тензометрический датчик балочного типа 11 измерительного элемента 7, закрепленного на неподвижной опорной платформе 3, передается растягивающая или сжимающая продольная сила Fx. При поперечных перемещениях динамометрической платформы 2 на связанные с ней через тяги тензометрические датчики балочного типа измерительных элементов 5 и 10, закрепленных на неподвижной платформе 3, передается растягивающая или сжимающая поперечная сила Fz. При вертикальных перемещениях динамометрической платформы 2 на связанные с ней через тяги тензометрические датчики балочного типа измерительных элементов 6, 8 и 9, закрепленных на неподвижной опорной платформе 3, передается растягивающая или сжимающая нормальная сила Fy. В результате воздействия растягивающих или сжимающих сил на тензометрические датчики балочного типа, в последних возникает разность потенциалов, которая преобразуется в цифровой сигнал, передаваемый на станцию сбора и обработки данных. Результаты измерений обрабатываются по программе, в которой предполагается, что в напряженно-деформированном состоянии измерительные элементы находятся в пределах упругих деформаций.
По найденным значениям продольной силы Fx, нормальной силы Fy, поперечной силы Fz с учетом известных расстояний между измерительными элементами 5, 6, 7, 8, 9, 10 вычисляются момент крена Мх, момент рысканья My, момент тангажа Mz.
Предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности измерения составляющих векторов аэродинамической силы, воздействующей на модель объекта, находящуюся в потоке воздуха аэродинамической трубы.