Стенд для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета

Полезная модель относится к области авиации, в частности к устройствам для демонстрации подвижного механизма модели крыла и ее аэродинамических характеристик, зависящих от заданных параметров полета, и может быть использована в качестве учебного оборудования в виде демонстрационных или выставочных стендов для  привития первоначальных знаний и представлений о механизации крыла.
Известен «Стенд для определения аэродинамических характеристик модели в присутствии неподвижного экрана» (патент №RU2574326С1, МПК G01M 9/00, опубл. 10.02.2016), содержащий аэродинамическую трубу, аэродинамические шестикомпонентные весы с проволочной подвеской модели, установленные на поворотной платформе и включающие механизмы изменения угла в вертикальной плоскости и угла в горизонтальной плоскости модели, установленной на аэродинамических весах посредством проволочной подвески, содержащей вертикальные тяги с боковыми узлами, экран, установленный параллельно оси аэродинамической трубы, выполненный с возможностью перемещения относительно модели и содержащий щели для прохождения элементов проволочной подвески модели, экран соединен с рамой и установлен между вертикальными тягами проволочной подвески, боковые узлы которой соединены со штангой, проходящей через щель в экране, при этом штанга соединена с моделью, расположенной вблизи плоскости экрана.
Недостатком известного технического решения является невозможность визуализировать изменение аэродинамических характеристик модели от заданных параметров полета, что снижает функциональные возможности  стенда и наглядность процесса демонстрации его, ведущие к снижению  качества привития первоначальных знаний.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемой  полезной модели является «Установка для исследования аэродинамических характеристик модели летательного аппарата» (патент №RU144390U1, МПК G09B 23/00, опубл. 20.08.2014), содержащая дозвуковую аэродинамическую трубу с державкой в рабочей части, которая оборудована приемником полного давления и приемником статического давления, микроманометром, причем приемник полного давления установлен на выходе сужающейся части сопла аэродинамической трубы перпендикулярно встречному потоку воздуха и соединен резиновой трубкой с бачком микроманометра, приемник статического давления установлен на выходе сужающейся части сопла аэродинамической трубы параллельно набегающему потоку воздуха и соединен при помощи резиновой трубки со стеклянной отсчетной трубкой микроманометра, и нить, перекинутую через блок, закрепленный на основании лабораторной установки, аэродинамические весы, содержащие подвижную раму, модель летательного аппарата, укрепленную на державке, которая жестко укреплена на подвижной раме аэродинамических весов, которые снабжены первым динамометром, закрепленным с одной стороны к основанию установки, соединенный с подвижной рамой аэродинамических весов нитью, перекинутой через блок, закрепленный на подвижной раме аэродинамических весов, и вторым динамометром, закрепленным с другой стороны к основанию установки, соединенный с подвижной рамой аэродинамических весов нитью, перекинутой через второй блок, закрепленный на подвижной раме аэродинамических весов.
Недостатком известного технического решения является конструктивная невозможность исследования влияния положения механизации модели крыла и скорости набегающего потока на изменение аэродинамических характеристик, а также невозможность визуализировать изменение аэродинамических характеристик модели от заданных параметров полета, что снижает функциональные возможности установки и, как следствие, невозможность наглядной демонстрации, что снижает эффективность установки  и качество привития знаний в целом.
Техническим результатом полезной модели является создание эффективного стенда для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета, путем повышения наглядности демонстрации модели крыла и ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета с одновременным повышением качества привития первоначальных знаний и представлений о механизации крыла, за счет расширения функциональных возможностей стенда.
Технический результат достигается тем, что в cтенде для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета, представляющем собой, аэродинамическую трубу с размещенной в рабочей части державкой, на которой закреплена модель крыла, вращаемая в фронтальной плоскости c закрепленным на державке сервоприводом, вентилятор, согласно которому, аэродинамическая труба выполнена в виде закрытого панелями корпуса прямоугольной формы, состоящего из основания корпуса, верхней панели корпуса, задней панели корпуса и  демонстрационной части, в которой расположена  модель крыла, выполненная в виде профиля с подвижными элементами механизации, закрылком, щитком, носком крыла, с возможностью отклонения их набором сервоприводов, размещенных внутри полости профиля крыла, при этом в торцевых частях аэродинамической трубы размещены вентиляторы, а внутрь основания корпуса введен и размещен регулятор оборотов, для обеспечения необходимой постоянной скорости вращения вентиляторов,  введен прозрачный экран с возможностью отображения аэродинамических характеристик модели крыла, заменяющий собой переднюю панель демонстрационной части корпуса, причем на передней панели основания корпуса  введена и размещена цифровая панель с клавишами  ввода параметров полета, при этом введены аналого-цифровой преобразователь, контроллер, которые  размещены внутри основания корпуса, к тому же введен и размещен внутри основания корпуса электронно-вычислительный комплекс, состоящий из микрокомпьютера, микропроцессора, модуля оперативной памяти, модуля постоянной памяти, блока специализированного программного обеспечения, проводки сигнала и питания, который соединен с цифровой панелью через аналого-цифровой преобразователь, для обработки подаваемого сигнала от нажатия клавиш цифровой панели, кроме того, один выход микрокомпьютера соединен с прозрачным экраном для отображения численных значений аэродинамических характеристик модели крыла и визуализации линий тока, набегающего потока, обтекающего профиль крыла, другой выход его  с  контроллером, для управления изменением положения набора сервоприводов модели крыла и механизации, и регулирования  напряжения, подаваемого на регулятор оборотов, для управления скоростью вращения вентиляторов.
Новизна
Предлагаемое техническое решение позволяет создать эффективный демонстрационный стенд, позволяющий наиболее наглядно продемонстрировать модель крыла с подвижными элементами механизации и зависимость ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета: положения  механизации, угла атаки и скорости набегающего потока за счет расширения функциональных возможностей, а именно изменения конфигурации элементов механизации крыла от заданных параметров полета и отображения на экране прозрачного дисплея, путем введения электронно-вычислительного комплекса, визуализации линий тока набегающего потока, обтекающего профиль модели крыла, и численные значения  величины подъемной силы.
Повышение качества привития первоначальных знаний и представлений о механизации крыла достигается тем, что пользователь имеет возможность наблюдать изменение угла атаки модели крыла и положения подвижных элементов механизации крыла в режиме работы, а также непосредственно отслеживать изменение выводимых на прозрачный экран визуализации линий тока и численного значения аэродинамической силы, вызываемых изменением задаваемых параметров полета пользователем.
Для пояснения технической сущности полезной модели приведены графические изображения:
Фиг. 1 - общий вид стенда в изометрии.
Фиг. 2 - вид стенда спереди в режиме работы с визуализацией линий тока.
Фиг. 3 - вид модели крыла с отклоняемыми элементами механизации.
Фиг. 4 - вид модели крыла с расположением сервоприводов.
Фиг. 5 - вид корпуса в изометрии.
Фиг. 6 - принципиальная схема,
где:
1. Основание корпуса
2. Верхняя панель корпуса
3. Задняя панель корпуса
4. Вентиляторы
5. Модель крыла
6. Элемент механизации крыла - закрылок
7. Элемент механизации крыла - носок
8. Элемент механизации крыла - щиток
9. Сервопривод управления углом поворота закрылка
10. Сервопривод управления углом поворота носка
11. Сервопривод управления углом поворота щитка
12. Сервопривод управления углом поворота крыла (угол атаки)
13. Прозрачный экран
14. Цифровая панель для ввода параметров
15. Контроллер
16. Модуль питания;
17. Аналого-цифровой преобразователь;
18. Микрокомпьютер;
19. Микропроцессор;
20. Модуль оперативной памяти;
21. Модуль постоянной памяти;
22. Блок специализированного программного обеспечения;
23. Регулятор оборотов
24. Демонстрационная часть
Стенд для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета содержит модель крыла 5, выполненную в виде профиля с подвижными элементами закрылком 6, носком крыла 7 и щитком 8, отклоняемыми набором сервоприводов 9, 10, 11, 12, управляемых контроллером 15, вентилятор 4, регулятор оборотов 23, управляемый контроллером 15, прозрачный экран 13, отображающий визуализацию линий тока набегающего потока и численные значения аэродинамических характеристик крыла, цифровую панель 14 для ввода параметров полета, основание корпуса 1, в котором размещен аналого-цифровой преобразователь 17, контроллер 15, регулятор оборотов 23, микрокомпьютер 18, который состоит из микропроцессора 19, модуля оперативной памяти 20, модуля постоянной памяти 21 и блока специализированного программного обеспечения 22,  проводки сигналов и питания 16, верхней панели корпуса 2 и задней панели корпуса 3.
Стенд для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета работает следующим образом.
Вся работа происходит в аэродинамической трубе, которая выполнена в виде корпуса прямоугольной формы, состоящего из основания корпуса 1, верхней панели корпуса 2, задней 3 панели корпуса и демонстрационной части 24, в которой расположена модель крыла 5 с подвижными элементами механизации: закрылком 6, носком 7, щитком 8, с возможностью их отклонения набором сервоприводов 9, 10, 11, 12, размещенных внутри полости профиля крыла.
Перед использованием модель крыла 5 ее элементы механизации 6, 7, 8 находятся в начальном положении, вентиляторы 4 находятся в покое.
В начале работы через цифровую панель ввода 14, расположенной на передней панели основания корпуса 1, пользователем задаются параметры полета, такие как: скорость набегающего потока, создаваемого вентиляторами 4, угол наклона профиля (угла атаки) крыла 5, углы отклонения закрылка 6, носка 7 и щитка 8. Сигнал с цифровой панели с клавишами для ввода 14 параметров полета поступает на аналого-цифровой преобразователь 17, расположенный внутри основания корпуса. После обработки, сигнал поступает в электронно-вычислительный комплекс, состоящий из микрокомпьютера 18, микропроцессора 19, модуля оперативной памяти 20, модуля постоянной памяти 21, в которой находится блок специализированного программного обеспечения 22. Один выход микрокомпьютера 18 соединен с размещенным в основании корпуса контроллером для передачи управляющего сигнала. Контроллер 15 после получения сигнала дает команду регулятору оборотов 23, который регулирует напряжение на размещенных в торцевых частях аэродинамической трубы вентиляторах 4, что приводит к изменению скорости их вращения, и команду для управления сервоприводами 9, 10, 11, 12, которые отклоняют на заданные углы модель крыла 5 и элементы механизации 6, 7, 8.
Другой выход микрокомпьютера 18 соединен с прозрачным экраном 13, заменяющим собой переднюю панель демонстрационной части 24 корпуса для вывода аэродинамических характеристик модели крыла, в виде численного значения величины подъемной силы и визуализации линий тока обтекающего профиль модели крыла воздушного потока, которые однократно рассчитываются блоком программного обеспечения 22 в режиме работы и затем хранятся в модуле постоянной памяти 20.
Повышение наглядности демонстрации модели крыла и ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета с одновременным повышением качества привития первоначальных знаний и представлений о механизации крыла достигается тем, что пользователь имеет возможность наблюдать изменение угла атаки модели крыла и положения подвижных элементов механизации крыла в режиме работы, а также непосредственно отслеживать  изменение выводимых на прозрачный экран визуализации линий тока и численного значения аэродинамической силы, вызываемых изменением задаваемых параметров полета пользователем, при этом под режимом работы рассматриваются три режима работы  летательного аппарата: режим взлета, режим полета на крейсерской скорости и режим посадки. Каждый из этих режимов можно охарактеризовать: для режима взлета характерна наибольшая подъемная сила, для режима полета на крейсерской скорости - плавное обтекание воздухом профиля модели крыла воздухом и отсутствие завихрений воздуха вокруг профиля модели крыла, режим посадки, наоборот, характеризуется наличием сильных завихрений воздуха, приводящих к возникновению сил трения и, как следствие, торможению. На основе данных, полученных в результате работы стенда, а именно введения параметров полета и далее по визуализации линий тока и значениям подъемной силы, пользователь может сделать вывод о применимости заданных параметров полета для конкретного режима работы летательного аппарата. Если сделать серию попыток, задавая различные параметры полета, такие как: положения механизации, угла атаки и скорости набегающего потока, то пользователь может выбрать наиболее эффективное положение механизации и модели крыла для конкретного режима работы летательного аппарата. В качестве примера, проверим положение механизации и модели крыла для режима посадки летательного аппарата по визуализации линий тока, изображенной на фиг. 2. По визуализации линий тока можно наблюдать наличие значительных завихрений воздуха в хвостовой части модели крыла (закрылке), которые влияют на торможение, что говорит о применимости заданных параметров полета для режима посадки летательного аппарата.
Предлагаемая полезная модель стенда для демонстрации модели крыла и зависимости ее аэродинамических характеристик от заданных параметров полета, по  своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, благодаря конструктивному решению путем выполнения модели крыла 5 в виде профиля крыла с подвижными элементами механизации, введения микрокомпьютера 18 и прозрачного дисплея 13, позволяет более наглядно продемонстрировать модель крыла 5 и зависимость аэродинамических характеристик от конфигурации еe механизации и заданных параметров полета, а именно скорости набегающего потока, создаваемого вентиляторами, угла наклона профиля (угла атаки) крыла, углов отклонения закрылка 6, носка 7 и щитка 8 путем вывода на прозрачном экране 13  изображения  аэродинамических характеристик модели крыла 5, в виде численного значения величины  подъемной силы и визуализацию линий тока обтекающего профиль крыла воздушного потока.