УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА
DEVICE FOR DETERMINING THE COEFFICIENT OF DRAG FOR A MOVING BODY

Изобретение относится к приборам для определения аэродинамических характеристик перемещающихся тел путем непосредственного определения скоростей этих тел в фиксированных точках.
Известно устройство определения коэффициента лобового сопротивления движущегося в воздухе тела в виде аэродинамической трубы, в которой продувается исследуемое тело, определяется сила лобового сопротивления и затем рассчитывается сам коэффициент лобового сопротивления [1]. Недостатком такого устройства является его громоздкость, большое энергопотребление, длительность периода определения коэффициента лобового сопротивления.
Известен комплекс [1] по определению коэффициента лобового сопротивления путем проведения опытных стрельб снарядами, заключающийся в измерении времени движения снаряда для ряда последовательных малых равных участков траектории. В результате обработки опытов методом численного дифференцирования определяется величина коэффициента лобового сопротивления. Недостатком этого комплекса является его недостаточная точность, сложность проведения стрельб и обработки их результатов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является комплекс по определению коэффициента лобового сопротивления [1], принятый за прототип, в котором в результате специальных стрельб определяется изменение скорости снаряда вдоль траектории, и на основании этого - среднее значение силы лобового сопротивления. Из чего и определяется коэффициент лобового сопротивления.
Недостатком этого комплекса является его громоздкость, недостаточная точность, продолжительность процесса определения коэффициента лобового сопротивления.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, основанное на следующем. Комплекс по прототипу осуществляет первоначальное измерение скорости снаряда в двух точках траектории, для чего определяется время его полета на двух коротких отрезках траектории. Затем определяется средняя сила лобового сопротивления на участке между двумя точками. После чего вычисляется величина коэффициента лобового сопротивления. Все это требует достаточно сложного и громоздкого оборудования. Авторы же предлагают непосредственно определять скорость перемещающегося тела в двух точках устройством по патенту [4].
Основной аэродинамической силой, действующей на ракету или снаряд в полете в воздухе, является сила лобового сопротивления воздуха X. Она определяется по формуле [1]:
Здесь S - площадь крыла (для крылатых ракет и снарядов) или площадь миделевого сечения корпуса ракеты или снаряда (для бескрылых ракет и снарядов).
Мы будем использовать площадь миделевого сечения, т.е. площадь поперечного сечения корпуса ракеты или снаряда в его наиболее толстой части.
Площадь миделевого сечения, например для снаряда, равна:
,
где d - калибр (диаметр) снаряда; ρ - массовая плотность воздуха, ;
V - скорость движения ракеты или снаряда, ;
- безразмерный аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, который зависит от числа М (числа Маха).
Число М равно [2]:
,
где V - скорость перемещения ракеты или снаряда;
а
- скорость звука в воздухе.
То есть при изменении скорости движения ракеты или снаряда изменяется коэффициент лобового сопротивления, а вместе с ним и сила лобового сопротивления, действующая на ракету или снаряд. Поэтому необходимо для каждой ракеты или каждого снаряда знать зависимость коэффициента лобового сопротивления от числа М (от скорости их полета).
После преобразований формулы (1) получается формула [1]:
Здесь: m - масса перемещающегося тела, кг;
ср
V - средняя скорость перемещающегося тела между двумя фиксированными точками;
1
V - скорость тела в первой точке;
2
V - скорость тела во второй точке.
;
L - расстояние между двумя фиксированными точками;
а
оп
- скорость звука в данной среде, получаемая опытным путем.
а
а
оп
Обозначим =. Это есть скорость звука в воздухе при определенных погодных условиях.
После преобразований формула (2) примет вид:
Или:
Скорость звука в воздухе равна [2]:
,
где k - показатель адиабаты. Для воздуха k=1,4;
R - газовая постоянная. Для воздуха ;
Т - температура воздуха по Кельвину.
Тогда:
а
Подставив значения сомножителей в «», получим:
.
Т.е. скорость звука в воздухе зависит от температуры: чем больше температура, тем выше скорость звука.
Тогда уравнение (4) примет вид:
Плотность воздуха ρ можно вычислить по формуле [3]:
где Р - давление воздуха, в котором перемещается тело.
Подставим (6) в (4) и получим:
.
Или
1
2
1
2
Скорости V и V определяются непосредственно (см. [4]) в точках 1 и 2 траектории движения тела, удаленных друг от друга на расстоянии L. Масса перемещающегося тела «m» и площадь «S» известны. Параметры воздуха в момент замера скорости V и V (плотность «ρ», давление «Р», температура «T») замеряются соответствующими приборами. Тогда при всех известных величинах в правой части вышеприведенных уравнений вычисляется величина коэффициента лобового сопротивления «». Причем, если использовать плотность воздуха для вычислений, тогда надо применять уравнение (5), если же давление воздуха - то уравнение (7).
Таким образом, для вычисления коэффициента лобового сопротивления  достаточно определить непосредственно мгновенные скорости перемещающегося тела в точках 1 и 2 на траектории его движения, расположенных друг от друга на расстоянии «L».
Технической задачей изобретения является вычисление коэффициента лобового сопротивления на основе непосредственного измерения мгновенных скоростей в любых двух точках траектории движения тела, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, а также обеспечение компактности предлагаемого устройства (упрощение оборудования, уменьшение времени, увеличение точности и надежности).
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения коэффициента лобового сопротивления содержит два измерителя мгновенной скорости движущегося тела в любых двух точках траектории любой конструкции, например с использованием световых датчиков в виде лазерного излучателя и фотоприемника, цифровое вычислительное устройство, цифровое отсчетное устройство, причем измерители мгновенной скорости располагаются на траектории движения перемещающегося тела так, чтобы лазерные лучи в обеих точках пересекали эту траекторию под прямым углом и попадали в фотоприемники, а сами измерители скорости своими выходами соединены с двумя входами вычислительного устройства, что обеспечивает ввод значений скоростей в обеих точках в вычислительное устройство, которое соединено с цифровым отсчетным устройством; кроме того, перед началом включения устройства в работу, в цифровое вычислительное устройство вводят значения массы, площади миделевого сечения или крыла перемещающегося тела, а также величины температуры, плотности или давления окружающего воздуха в момент измерения скоростей движущегося тела и расстояние между измерителями скорости.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов и их взаимным расположением:
- двух определителей мгновенной скорости перемещающегося тела;
- цифрового вычислительного устройства;
- цифрового отсчетного устройства;
- подключение определителей скорости к цифровому вычислительному устройству, а последнего - к цифровому отсчетному устройству.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом устройстве, и признать ее соответствующей критерию «Существенные отличия».
Применение всех новых признаков позволяет предлагаемому устройству осуществлять определение коэффициента лобового сопротивления.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема измерения мгновенных скоростей в двух точках траектории движения тела и структурная схема устройства вычисления коэффициента лобового сопротивления.
1
2
Устройство для определения коэффициента лобового сопротивления перемещающегося тела содержит определители мгновенной скорости, в состав которых входят световые датчики в виде лазерных излучателей 2 и фотоприемников 3, установленных в точках «А» и «В» на расстоянии L друг от друга на траектории движущегося тела 1. Расположение определителей мгновенной скорости таково, что лазерные лучи пересекают траекторию движения движущегося тела под прямым углом и попадают в фотоприемник. В точке «A» скорость тела равна V, а в точке «В» - V, чертеж, вид «а».
1
2
Определители мгновенной скорости 6 своими выходами соединены с цифровым вычислительным устройством 5, которое связано с цифровым отсчетным устройством 4. В вычислительное устройство вводятся также значения массы перемещающегося тела «m», площадь его миделевого сечения или крыла «S», расстояние между измерителями мгновенной скорости «L», температура «T», плотность «ρ» или давление «Р» воздуха перед моментом определения скоростей V и V, чертеж, вид «б».
Описание работы устройства
1
2
Первоначально устанавливаются определители мгновенной скорости 6 в точках «А» и «В» таким образом, чтобы лазерный луч 2 был перпендикулярно направлен к траектории движения перемещающегося тела, которое пересекало бы этот луч, попадающий в фотоприемник 3. Измеряется расстояние «L» между точками «А» и «B». Соединяются выходы определителей мгновенной скорости 6 с входами вычислительного устройства 5, а последнее своим выходом подсоединяется к отсчетному устройству 4. Замеряются температура, плотность или давление воздуха. Вводятся в вычислительное устройство масса перемещающегося тела «m», площадь миделевого сечения или крыла этого тела «S», расстояние между определителями мгновенной скорости «L», температура, плотность или давление воздуха. После этого осуществляется метание тела 1, например выстрел из пушки. Замеренные скорости V и V с выходов определителей скорости 6 поступают в вычислитель 5. Если в вычислитель введена плотность воздуха «ρ», то коэффициент лобового сопротивления вычисляется по формуле:
;
Если же введено давление воздуха, то для вычислении используется другая формула:
.
Вычислитель автоматически выбирает нужную формулу расчета.
Далее вычислитель формирует код для индикации величины коэффициента лобового сопротивления  и передает его в цифровое отсчетное устройство 4, выполненное, например, на жидкокристаллических или светодиодных индикаторах, где и высвечивается величиной .
Предлагаемое устройство обеспечивает быстрое определение коэффициента лобового сопротивления в любых условиях.
Источники информации
1. Васильев В.А. Внешняя баллистика авиационных ракет и снарядов. - Киев: Киевское высшее инженерно-авиационное училище ВВС, 1966. - С.33, 42, 44.
2. Степанов Н.Н. Аэродинамика. Учебное пособие. - Монино.: Военно-воздушная академия имени Ю.А.Гагарина, 1981. - С.13, 29, 30.
3. Авиационные боеприпасы. Задания на полигонные работы. - Даугавпилс.: ДВВАИУ. - С.97.
4. Патент на изобретение РФ №2366960 «Устройство для измерения скорости перемещающегося тела». Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 сентября 2009 г.