СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМИТАТОРА ЛЬДА
ICE SIMULATOR MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при исследованиях характеристик аэродинамических моделей (АДМ) транспортных средств, например самолетов, ракет, автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д.
Проблема обледенения гражданских самолетов приобрела особое значение. Мировая статистика показывает, что число летных происшествий, возникающих из-за опасных воздействий среды (обледенения), в общем балансе аварийности в авиации весьма значительно. Доля этих происшествий достигает 25-30% от общего количества летных происшествий.
Влияние обледенения на изменение аэродинамических характеристик несущих поверхностей можно изучить в аэродинамических трубах (АДТ) при установке на кромку крыла аэродинамической модели имитаторов льда. При этом влияние имитаторов льда может быть исследовано в большем диапазоне, чем при естественном обледенении. Испытания в АДТ моделей с имитаторами льда позволяют повысить безопасность летных испытаний в условиях естественного обледенения (на реальном самолете толщина льда принимается равной 76 мм (3 дюйма) или 38 мм (1,5 дюйма). Имитация обледенения летательных аппаратов по различным традиционным технологиям защищена российскими и зарубежными патентами (патент РФ №2273008, МПК G01M 1/00, 2004 г., заявка №2004122458, МПК G01M 1/00, 2004 г., патент РФ №2345345, МПК С01М 9/04, 2004 г., патент США 6553823, МПК G01M 9/08, 2002 г.). Изобретения предназначены для проведения наземных испытаний объектов авиационной техники, подвергающихся обледенению в естественных условиях эксплуатации. Во всех вышеперечисленных способах имитация условий эксплуатации осуществлялась с помощью обдува объекта испытаний соответствующим образом организованным и настроенным водовоздушным потоком. При этом модели с имитаторами льда выполнялись или в натурную величину, или в масштабе (1:2-3,5). Размах крыльев крупномасштабных моделей достигал 15-17 м. Недостатком вышеперечисленных способов является невозможность проведения данных экспериментальных исследований моделей в АДТ из-за крупномасштабности моделей самолетов и краткосрочности существования нанесенной ледяной корки. Имитатор льда для испытаний в аэродинамических трубах должен сохранять геометрическую форму в течение продолжительного времени в естественном диапазоне температур
(-5÷+35)°С. Он должен быть изготовлен из пластиков, легких сплавов, дерева. Основная сложность при изготовлении имитатора состоит в совокупности воспроизведения сложной пространственной формы (поверхности двойной кривизны) имитатора, имеющего сравнительно малые относительные толщины при выраженном осевом габарите, при соотношении длины изделия и хорды его корневого сечения L=(45÷50)Вкор., где Вкор. - длина хорды корневого сечения. При изготовлении имитатора льда также необходимо учитывать отсутствие базовых плоскостей для ориентации изделия на столе станка при его обработке.
Ледяной наплыв на передней кромке объекта может быть сымитирован наклеиванием различного количества слоев шкурки на тканевой основе, но при этом невозможно гарантировать правильную конфигурацию изделия между сечениями, в которых по шаблонам воспроизводят форму наросшего льда (журнал «Полет», №8, 2009 г., стр.59, рис.7, статья Андреева Г.Т., Богатырева В.В, Павленко О.В., Мельнинчука Ю.П. «Влияние имитаторов льда на аэродинамические характеристики моделей самолетов с прямым крылом»).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Способ изготовления аэродинамической модели с использованием быстрого прототипирования» по патенту США №6796171, МПК G01M 9/08, 2004 г. В способе изготовления АДМ с целью универсализации используют силовой каркас, выполненный как полая труба, его соединяют с тензовесами, а всю собранную конструкцию при помощи штифтов соединяют с хвостовой державкой. Часть деталей данной АДМ получают методом быстрого прототипирования из фотополимера. Обводообразующие пластиковые элементы конструкции устанавливают поверх силового каркаса с помощью винтов, малонагруженные элементы наклеивают.
При изготовлении имитатора льда из фотополимера сложной пространственной формы (поверхность двойной кривизны), имеющего сравнительно малые относительные толщины при выраженном осевом габарите, при соотношении длины изделия и его хорды корневого сечения L/Вкор.=45÷50, где Вкор. - длина хорды корневого поперечного сечения имитатора льда, не может быть применен силовой каркас простой геометрической формы, имитатор льда не имеет базовой плоскости для обеспечения правильного взаимного расположения частей, поэтому сборку имитатора льда необходимо производить с помощью стапельной системы.
Задачей и техническим результатом изобретения является изготовление имитатора льда для крыла самолета, по своим параметрам отвечающего всем требованиям технического задания, и максимально возможное сокращение сроков его изготовления.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что на передней кромке объекта, например крыла, размещают наплыв, изготовленный из фотополимера методом быстрого прототипирования с использованием стериолитографа, при этом по математической модели крыла внутренние обводы математической модели наплыва - имитатора льда, по заданным каркасным кривым, имитирующим обледенение, создают внешние обводы наплыва - имитатора льда, в виде поверхности двойной кривизны, разделяют математическую модель имитатора льда на части по технологическим соображениям, для каждой части создают математическую модель замка - соединительного элемента, представляющего собой профилированные элементы типа «шип-паз», а также математическую модель опорных элементов стапельной системы, размеры которых определяют геометрию имитатора льда в пространстве, на стапельной плите, на основании созданных математических моделей частей имитатора льда, замков и опорных элементов изготавливают на стериолитографе отдельные детали имитатора льда и опорных элементов, которые ориентируют в стереолитографе вертикально. Сборку имитатора льда осуществляют с помощью стапельной плиты, на которую поочередно устанавливают детали имитатора льда на опорные элементы стапельной системы, причем на замки предварительно наносят жидкий фотополимер, соединяют детали и производят фотополимеризацию ультрафиолетовой лампой жидкого фотополимера, в замках снятый со стапеля имитатор льда зачищают от остатков фотополимера и монтируют на крыло.
На фиг.1 представлено расположение сечений вдоль размаха крыла для создания математической модели.
На фиг.2 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 1 и 2.
На фиг.3 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 2 и 3.
На фиг.4 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 3 и 4.
На фиг.5 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 4 и 5.
На фиг.6 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 5 и 6.
На фиг.7 представлена математическая модель имитатора льда между сечениями 6 и 7.
На фиг.8 представлена математическая модель имитатора льда с элементами «шип - паз», необходимыми при сборке имитатора льда.
На фиг.9 представлена наборная плита, базовые площадки, специальные опорные элементы для сборки модели и собранный имитатор льда.
На фиг.10 представлена часть наборной плиты, базовых площадок, специальных опорных элементов для сборки модели и собранного имитатора льда с большим увеличением.
На фиг.11 представлена математическая модель крыла с имитатором льда в сборе (крыло аэродинамической модели самолета с установленным имитатором льда).
Имитатор льда сложной пространственной формы (поверхность двойной кривизны), имеющий сравнительно малые относительные толщины при выраженном осевом габарите при соотношение длины изделия и его хорды корневого сечения L/Вкор.=45÷50 изготавливают из фотополимера методом быстрого прототипирования, при этом по математической модели крыла создают внутренние обводы математической модели наплыва-имитатора льда, по полученным в техническом задании каркасным кривым, имитирующим обледенение, создают внешние обводы имитатора льда, созданная полная математическую модель крыла с имитатором льда представена на фигурах 1-7, где 1 - внешняя поверхность имитатора льда, 2 - внешняя поверхность крыла. Лазерная стереолитографическая установка позволяет изготавливать детали размером не более 250 мм. В связи с этим математическую модель имитатора льда для изготовления на лазерном стереолитографе делят на 8 частей. Для обеспечения точности последующей сборки имитатора льда на отдельных деталях выполняют профилированные элементы типа «шип-паз» фиг.8, где математическая модель с шипом - 3, с пазом - 4. С целью получения поверхности максимально возможного качества была принята вертикальная ориентация деталей имитатора льда при изготовлении. Это увеличивает время процесса в 1,5 раза, но позволяет уменьшить шероховатость поверхности и минимизировать последующую финишную обработку.
Второй этап изготовления имитатора льда заключается в сборке и склеивании отдельных частей. Для этого поочередно устанавливают на опорные элементы стапельной системы отдельные детали имитатора льда с предварительно нанесенным на элементы замка жидким фотополимером, соединяют их и проводят фотополимеризацию ультрафиолетовой лампой. Снятый со стапеля имитатор льда зачищают от остатков вытекшего фотополимера и монтируют на крыло. Имитатор льда склеивают с помощью фотополимера, из которого он изготавливался, этим обеспечивают в месте соединения такую же прочность и такие же характеристики материала, что и для имитатора льда, изготовленного целиком.
Учитывая, что имитатор льда не имеет базовой плоскости для обеспечения правильного взаимного расположения частей, сборку производят с помощью стапельной системы. Стапельная система фиг.9, 10 состоит из базовой наборной плиты 5, на которую жестко монтируют базовые площадки 6 опорных элементов 7. Опорные элементы создают по исходной математической модели и они определяют пространственную ориентацию имитатора льда, что обеспечивает необходимую точность при сборке и склеивании имитатора льда. Опорные элементы также изготавливают с помощью лазерного стереолитографа.
Применение такой стапельной системы позволяет значительно повысить точность геометрического соответствия пластикового имитатора льда исходной математической модели и значительно уменьшить погрешности, возникающие при сборке и склеивании крупногабаритных изделий сложной геометрической формы из большого количества элементов. Крыло 9 в сборе с имитатором 8 льда приведено на фигуре 11.
Время изготовления данного имитатора льда на стереолитографе ЛС-250 составляет 36 часов, а полное время изготовления с постобработкой, сборкой и склейкой - 6 дней.