Особенности обтекания перфорированных устройств системы стабилизации грузов на внешней подвеске летательных аппаратов

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

УДК 533.6.011

ОСОБЕННОСТИ ОБТЕКАНИЯ ПЕРФОРИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ

СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В.Т. КАЛУГИН, Е.Б. КИНДЯКОВ, П.А. ЧЕРНУХА

Исследовано обтекание перфорированного конуса, являющегося частью системы пассивной стабилизации грузов, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Получены структуры обтекания и аэродинамические характеристики для различной степени перфорации и геометрических размеров конического тела. Выявлены оптимальные параметры, обеспечивающие устойчивое обтекание стабилизирующего устройства.

Ключевые слова: груз на внешней подвеске, система стабилизации, устойчивость, численное моделирование.

Введение

Задачи, связанные со стабилизацией грузов-контейнеров на внешней подвеске, являются особенно актуальными, поскольку их обтекание почти всегда сопровождается попеременным отрывом потока с боковых поверхностей, что приводит к неконтролируемой раскачке груза и во многих случаях к крушению летательного аппарата (ЛА). Применяемые в настоящее время системы пассивной аэродинамической стабилизации (СПАС) оказываются эффективными только в узком диапазоне изменения параметров набегающего потока. Например, использование парашютов (рис. 1а) не всегда приемлемо при малых скоростях движения ЛА, а щитковые органы управления (ОУ) (рис. 1б) оказываются малоэффективны при отрывных режимах обтекания груза.

Ниже приводятся результаты численного моделирования разработанной на кафедре динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н. Э. Баумана принципиально новой системы СПАС, которая представляет собой перфорированный конус, соединенный с грузом при помощи надстройки и крепежной консоли (рис. 1 в).

л

а б в

Рис. 1. Виды систем пассивной аэродинамической стабилизации

Исследуемые конфигурации

В качестве моделей для проведения исследований были выбраны непроницаемый и перфорированный конусы с длиной 1к, углами полураствора рк = 15° 45° и различной степенью перфорации (рис. 2), которая характеризуется относительной площадью перфорации

Д ____ £

д, = ^ отв_ = о ^ 0,252 и относительным диаметром отверстия перфорации йотв = —^тв . Здесь Дк 1к

Д - степень перфорации; ^ Дотв - суммарная площадь всех отверстий перфорации; 8к - площадь поверхности конуса.

б в г

Рис. 2. Исследуемые модели перфорированных конусов

Методика расчета

Расчет проводился в прикладном пакете FLUENT (LA 18-03-03) методом контрольного объема с использованием уравнений Навье-Стокса с замкнутой SST-моделью турбулентности. Все численные исследования проводились при скорости набегающего потока V¥ = 25 м/c и степени турбулентности потока s = 0,1 %.

Рис. 3. Структуры обтекания конусов:

а - непроницаемый конус; б - S =0,061; dome = 0,02; в - S = 0,252; dотв = 0,04

а

б

в

Результаты расчетов

На рис. 3 показаны линии тока, полученные для непроницаемого ( £ = 0) и перфорированных (£ = 0,061, ёотв = 0,02 и £ = 0,252, ёотв = 0,04) конусов с рк = 30°.

Видно, что в донном следе за непроницаемым конусом образуются мощные вихри (рис. 3 а), которые, попеременно срываясь, формируют нестационарный след. При наличии перфорации с £ = 0,061, ёоте = 0,02 вихри становятся менее интенсивными (рис. 3б), а при £ = 0,252,

d0me = 0,04 разрушаются полностью (рис. 3в). На рис. 4 и 5 приведены результаты расчетов аэродинамических коэффициентов боковой Cz и осевой Cx сил в зависимости от времени и относительного диаметра отверстий dome . Как видно из рис. 4а, вихревое течение в донной части для непроницаемого конуса приводит к высокочастотным колебаниям и наличию нестационарных процессов. Для перфорированных конусов, вследствие увеличения степени равномерности потока, амплитуда Cz(t) близка к нулю (рис.4б).

0.003

С;

0.002

0,001

-0,001

-0,002

-0,003

1 1 1 1 .» 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 4

к к 1 1 „ >* 4 v*C \ *4*% ЕсйД^/4 3 ог 35 0 4

р -'Л 1 ОЬ 1 гО 1 1 І 4 \ 1 о. LS О 2 0, Ї5 О

І й с 1 Г 1#

I. с

б

Рис. 4. График зависимости С2(1;): а - непроницаемый конус; б - перфорированный конус-----йотв =0,02; •••• - ёоте =0,04

Согласно зависимости ^( йотв ) коэффициент осевой силы растет нелинейно по мере увеличения степени перфорации. Такой характер обусловлен торможением струек воздуха при прохождении перфорационных отверстий.

а

С

0,8 0,6 0,4 0,2 0

О 0,01 0,02 0,03 0,04

—♦—расчёт • эксперимент Тоте

Рис. 5. Зависимость Сх

отв /

Для исследования влияния угла рк на структуру обтекания были проведены расчеты перфорированных конусов с с1отв = 0,04 и рк=15°, 30°, 45°, результаты которых приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Структуры обтекания перфорированных конусов:

а - рк = 15°, £ = 0,206; б - рк = 30°, £ = 0,252; в - рк = 45°, £ =0,051

Видно, что при обтекании конуса с рк = 15°

Согласно приведенному на рис. 7 графику зависимости Сх(Рк) для перфорированных конусов значение коэффициента осевой силы монотонно возрастает с увеличением угла рк.

Рис. 7. Зависимость Сх от рк

Выводы

Как показали проведенные исследования, применение перфорации позволяет практически исключить колебания конуса и повысить его устойчивость в потоке. Оптимальным с точки зрения структуры обтекания и аэродинамических характеристик является перфорированный конус

с рк = 30° степенью перфорации £ = 0,063, и йоте = 0,04.

FLOW PECULIAR PROPERTIES AROUND PERFORATE PART OF REGULATING SYSTEM OF CARGOES ON THE AIRCRAFT EXTERNAL SUSPENSION

Kalugin V.T., Kindyakov E. B., Chernukha P.A.

Numerical investigation of flow around perforate part of regulating system of cargoes on the aircraft external suspension developed in Bauman MSTU. Structures of flow and aerodynamic characteristics of various bodies are obtained. Conditions of stable flow are showed.

Сведения об авторах

Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 250 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.

Киндяков Евгений Борисович, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирант кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор 3 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.

Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, доцент кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 30 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.