Развитие систем электромагнитной подвески моделей в аэродинамических трубах

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Том XXIV / 993

№ 2

УДК 533.6.071.08 : 681.26.07

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПОДВЕСКИ МОДЕЛЕЙ В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

Ю. Д. Вышков, А. В. Кузин, Г. К. Шаповалов

Дан обзор состояния техники электромагнитной подвески (ЭМП) моделей в аэродинамических трубах в нашей стране и за рубежом. Рассмотрены конфигурация электромагнитной системы, конструкция датчиков положения модели, особенности системы автоматического управления положением модели, система градуировки и измерения аэродинамических нагрузок двух существующих в нашей стране ЭМП для аэродинамических труб. Обсуждаются конструкции и особенности систем управления углом атаки и креном модели.

К первой попытке создания ЭМП для аэродинамических исследований следует отнести опыты Г. Л. Гродзовского в ЦАГИ в 1947 г. [1]. За рубежом первая установка ЭМП появилась в 1957 г. Она была разработана Отделом национальных исследований по аэродинамике Франции (ONERA). Примерно одновременно к проблеме создания ЭМП моделей в аэродинамических трубах подключились в США и Великобритании. В настоящее время системы ЭМП моделей для экспериментальной аэродинамики активно развиваются за рубежом и в нашей стране, и их использование расширяется [2]. В табл. 1 приведен перечень разработанных и существующих в настоящее время систем ЭМП моделей для аэродинамических труб и их основные характеристики.

В нашей стране существуют две системы ЭМП для аэродинамических труб. Одна из них была создана в 1983 г. в результате сотрудничества МАИ и ЦАГИ и предназначена для испытаний моделей с шестью степенями свободы в дозвуковой аэродинамической трубе Т-03 ЦАГИ со скоростью потока 0-н80 м/с и рабочей частью 400X600 мм2 [3].

Другая система ЭМП была создана в МАИ в 1989 г. и предназначена для лабораторных исследований и совершенствования техники магнитной подвески. Подвеска имеет шесть степеней свободы и рабочую часть 300X400 мм2 [4J. На рис. 1 показана модель, подвешенная в системе ЭМП МАИ.

1. На рис. 2 показана конфигурация электромагнитной системы обеих подвесок, которые подобны. Модель, содержащая внутри магнитный сердечник, помещается в рабочую часть трубы, и ее требуемое пространственное положение стабилизируется за счет сил взаимодействия сердечника модели с автоматически регулируемым по сигналам датчиков положения модели полем электромагнитов, расположенных вне рабочей части трубы. Соленоид / компенсирует силу лобового сопротивления Fx и стабилизирует модель по координате X. Электромагниты 10, 11 служат для компенсации веса модели и постоянных составляющих подъемной силы Fv и момента тангажа Мг. Электромагниты 2, 3 стабилизируют модель по координатам У и 0 (угол тангажа). Электромагниты 4, 5 обеспечивают боковую устойчивость модели по координатам Z и г|) (угол рыскания) и компенсируют боковую силу Fz и момент рыскания Му. Для стабилизации модели по углу крена y применялся пассивный принцип на основе ориентации расположенного внутри модели постоянного магнита в поле поддерживающих электромагнитов 10, И,

10—«Ученые записки» № 2

145

Системы электромагнитной подвески

Организация Число стабили- зируе- мых коорди- нат Размеры рабочей части АДТ, см Ско- рость потока, число Маха Использование Примерные даты функцио- нирования

1. ONERA, Франция 5 8.5X8,5 1-нЗ Измерение сопротивления, донного давления 1957-=-1958

2. ONERA, Франция 5 6 7 Измерение сопротивления, донного давления 1958ч-1962

3. Массачусетсский технологический институт (MIT), США 5 Ю.2Х ХЮ.2 4,8 Статические и динамнические испытания 1962-1-1971

4. ONERA, Франция 6 30 7 Измерение сопротивления, скорости теплопередачи 1962-5-1971

5 Саутхемптонский университет, Великобритания 5/6 15,2Х Х20.3 0-5-1,8 Статические и динамические испытания 1962-і-н. в.

6. NASA, США 1 12,1 — Исследование и развитие ЭМГ1 1964^-1965

7. Принстонский универ., США 3 15,2 16 Изучение следа 1964-5-1970

8. Унив-т штата Вирджиния, США 5 10,2 7,6 Сопротивление конусов и сфер 1964-5-1977

9. AEDC/NASA, США 5 27,2Х Х31.9 0-Ї-0,5 Изучение следа, исследование и развитие ЭМП 19654-70/ 79-5-н. в.

10. RAE/Саутхемитон-ский унив-т, Великобритания 5 17,8Х X 17,8 8,6 Аэродинамические исследования 1966-;-1977

11. Унив-т штата Иллинойс, США 1 5,1 Дозву- ковая Сопротивление сфер 1968-5-1971

12. Унив-т штата Мичиган, США 1 5,1 Дозву- ковая Сопротивление сфер 1968-ь 1971

13. MIT/NASA, США 5/6 15,2 0+0,5 Аэродинамические исследования 1969-5-82/ /84-4-н. в.

14. Оксфордский унив-т, Великобритания 3 14 5,9 Сопротивление конусов и сфер 1971 -4-1975

15. Унив-т штата Вирджиния, США 3 15,2 Дозву- ковая Динамические испытания, исследование и развитие ЭМП 1973-5-1982

16. Оксфордский унив-т, Великобритания 3 12X12 Сверх- звуковая Сопротивление конусов и сфер 1975-s-H. в.

17. NAL, Япония 5/6 10X10 Около- звуковая Исследование и развитие ЭМП 1987-^н. в.

18. МАИ/ЦАГИ, Россия 5 40X60 Дозву- ковая Аэродинамические исследования 1983-г-н. в.

19. МАИ, Россия 20. * NAL, Япония 5 5/6 30x40 60x60 Дозву- ковая Исследование и развитие ЭМП 1989-5-н. в.

Примечания:

АЕЭС — Научно-испытательный центр им. Арнольда, США; ЫА5А — Национальная аэрокосмическая администрация, США; ЯАЕ — Королевский авиационный институт, Великобритания; ЫАЬ — Национальная аэрокосмическая лаборатория, Япония; н. в. — настоящее время; '

* — Система создается в настоящее время,

Рис. 2. Конфигурация электромагнитной системы

Все электромагниты, кроме соленоида 1, имеют одинаковую конструкцию. Они собраны из последовательно соединенных секций, намотанных медным проводом прямоугольного сечения с теплостойкой изоляцией.

2. Фотоэлектрические датчики положения модели основаны на принципе частичного перекрытия моделью светового луча от источника излучения к фотоприемнику. Лучи света специальной формы пересекают модель, как это показано на рис. 3. Оригинальная конструкция фотоприемной части датчиков позволяет измерять две взаимно перпендикулярные линейные координаты модели в одном оптическом канале [5], как это следует из простых выражений (рис. 4):

£/) = — У, + ^2^1! = куУх -|-

. и.2 - и1 = 2&1 У,; и2 + и,= 2к2гх. ] ( ’

Рис. 3. Расположение датчиков положения модели

Рис. 4. Устройство датчиков положения модели

Положение модели по координатам У, 2, г|), 0 определяется путем слежения за ее концами с координатами У,, и У2, соответственно с помощью двух описанных двухкоординатных датчиков:

У1 + Г2 + 22 , - г2 Г, — У2

у=..... I г- 2 ; 4-=-^—; о--.-1-,—а-.

где I — расстояние между двухкоординатными датчиками.

Положение модели по координате X определяется обычным способом с помощью фотоприемника Д5.

3. Особенностью процессов регулирования в системах ЭМП является собственная неустойчивость объекта управления (подвешиваемой модели в вертикальной плоскости), а также неустойчивость в нерегулируемом магнитном поле. Поэтому неотъемлемой частью ЭМП является система автоматического управления, которая по сигналам датчиков положения модели формирует определенные законы изменения токов электромагнитов, обеспечивающие устойчивость и требуемое качество управления положением модели. Типовая схема аналогового устройства управления током одного из электромагнитов, применяемая в подвесках МАИ и ЦАГИ, представлена на рис. 5. Устройство управления выполнено на операционных усилителях ОА1, ИА2, ОАЗ, йА4 (К140УД8), где ИА1—усиливающий сигнал с фотоприемников £)/ и 02 формирует пропорциональный перемещению модели по координате д сигнал. Усилитель ОА2 выполняет дифференцирование сигнала отклонения от стабилизируемого положения и суммирование сигналов отклонения, производной отклонения и тока в электромагните. Введение сигнала по производной отклонения модели от положения равновесия в управление необходимо для обеспечения устойчивости подвески, так как в системе практически отсутствует естественное демпфирование.

Рис. 5. Схема устройства управления током электромагнита

Введение сигнала по току в электромагните позволяет улучшить динамические свойства подвески и уменьшить постоянную времени электромагнита. Управляющий сигнал имеет вид

зируемого положения и производная отклонения; 1,—ток в /-м электромагните; к\, к2, к3 — коэффициенты регулирования, которые определяются параметрами устройства управления:

где и —коэффициенты передачи потенциометров Яв и /?7. Операционный усилитель без обратной связи йА4 реализует релейное управление. Потенциометр позволяет задавать пространственное положение модели. Структура и параметры к\, кг, кз алгоритмов управления (3) определяются из условий обеспечения устойчивости подвески и требуемого качества стабилизации, оптимизированы по критерию максимальной области устойчивости модели в пространстве по методике, приведенной в работе [6].

4. Целью большинства аэродинамических экспериментов является определение действующих на модель аэродинамических сил и моментов. Об их величине судят по уравновешивающим их электромагнитным силам и моментам Р {/^ , Т7 , /•" ,

чм 1 Лм •'м м

Мг , , М. 1 , которые определяются токами электромагнитов г (г-!, /_} и

м ум м> .

координатами q {X, У, 2', 7, ф» } положения модели относительно электромагнитов.

Непосредственно измерены могут быть лишь эти токи и координаты положения модели. Для определения аэродинамических сил и моментов требуется установление соответствия между электромагнитными силами, токами и координатами положения модели, которое возможно осуществить лишь экспериментально градуировкой, так как расчет этих зависимостей с необходимой точностью, определяемой требуемой точностью измерения аэродинамических нагрузок, затруднителен. Процесс градуировки ЭМП включает в себя нагружение модели известными нагрузками из области ожидаемых и измерение токов в электромагнитах при отсутствии воздушного потока.

Для автоматизации процесса и сокращения объема градуировочных измерений принимается квадратичная зависимость электромагнитных сил и моментов от токов электромагнитов [7]:

= ий1ч\%п (кд + кгц + къ1}).

где и— напряжение питания; ц, д — отклонение координаты модели от стабили-

п п

где 1к* = 1^8к — взаимные индуктивности электромагнитов; Скк — собственная индуктивность /г-го электромагнита; п — число электромагнитов и измеряемых токов. Для установления градуировочных зависимостей достаточно нагружать модель (пг + п)/2 значениями компонента нагрузки из области ожидаемых и измерять токи во всех электромагнитах для каждого значения нагрузки и решать систему (п2 + п)/ 2 уравнений вида (4), линейных относительно (пг-\-п)/2 неизвестных д1.кк/дц.

В процессе продувок модели измеряются токи электромагнитов, и по установленным градуировочным зависимостям определяются аэродинамические нагрузки.

5. Полеты современной авиации на больших углах атаки увеличивают актуальность аэродинамических испытаний моделей при больших углах атаки, где использование ЭМП наиболее эффективно ввиду наиболее сильного влияния механических поддерживающих устройств.

В 1990 г. ЭМП ЦАГИ была модифицирована с целью обеспечения испытаний моделей при экстремальных угловых положениях [7]. Она была снабжена более мощными электромагнитами, был добавлен еще один осевой соленоид. Кроме того, источники света и фотоприемники датчиков положения были установлены на основания с возможностью дистанционного синхронного вращения во взаимно параллельных вертикальных плоскостях относительно оси 1 (рис 6). Данная конструкция позволяет легко изменять угол атаки модели в широких пределах путем синхронного согласованного поворота оснований источников света и фотоприемников относительно оси 1. При этом изменяется степень перекрытия моделью фотоприемников, появляются сигналы рассогласования датчиков положения, которые преобразуются системой управления в соответствующие изменения токов электромагнитов. Электромагниты путем силового воздействия на модель заставляют ее поворачиваться за датчиками до момента устранения сигналов рассогласования датчиков. Угол атаки модели изменяется. Достигнуты устойчивые изменения угла атаки модели длиной 350 мм, диаметром 25 мм, массой 0,5 кг в диапазоне от —30 до +30°.

При испытаниях оперенных моделей, особенно на больших углах атаки, требуется создавать большие электромагнитные моменты крена. Для создания электромагнитных моментов крена модернизированная ЭМП ЦАГИ была снабжена восемью дополнительными электромагнитами (6, 7, 8, 9, см. рис. 2), а внутри корпуса модели устанавливался постоянный магнит. Полная симметрия расположения магнитов относительно продольной оси трубы объясняется необходимостью создания момента крена без создания возмущающих электромагнитных усилий по другим координатам. При создании системы управления креном было разработано несколько конструкций датчика угла крена модели. Одна из конструкций показана на рис. 4 [8]. Источник света датчика крена расположен на модели и создает направленный луч на позиционно чувствительный фотоприемник (ПЧФ), расположенный за прозрачной боковой стенкой рабочей части трубы. В зависимости от направления и величины отклонения модели от стабилизируемого положения фотоприемник пропорционально изменяет величину и знак выходного сигнала, который обрабатывается системой управления и подается на электромагниты. На рис. 6 представлены первые положительные результаты управления креном модели.

6. Перспективными направлениями развития техники ЭМП для аэродинамических исследований являются направления, способствующие максимальному приближению условий эксперимента к реальным условиям полета летательных аппаратов. Сюда относятся увеличение скоростей потока, геометрических размеров моделей и рабочих частей аэродинамических труб, увеличение разнообразия геометрических форм моделей и допустимых режимов испытаний. Решение перспективных задач предполагает использование новейших достижений науки и техники. Например, для исследовательского центра ^БА им. Лэнгли разработан проект большеразмерной системы ЭМП с диаметром рабочей части 8 футов (2,4 м), в котором предполагается использование сверхпроводящего соленоидального сердечника модели, обладающего большим магнитным моментом, использование помещенных в общий криостат сверхпроводящих электромагнитов и высокоэффективных источников электрической энергии [9].

Существует перспективная тенденция использования криогенных аэродинамических труб, в которых в качестве рабочего вещества используется жидкий гелий или жидкий азот. Криогенные трубы позволяют при небольших размерах рабочих частей достигать чисел Рейнольдса, близких к реальным условиям полета. Совместное использование криогенных труб и систем ЭМП со сверхпроводящими электромагнитами, р. которых в качестве охладителя используется рабочее вещество трубы, открывает новые возможности применения ЭМП [9].

Таким образом, системы ЭМП моделей для экспериментальной аэродинамики активно развиваются за рубежом и в нашей стране и их использование расширяется.

Свидетельством этому явился состоявшийся летом 1991 г. в США в исследовательском центре 1ЧА5А им. Лэнгли Международный симпозиум по системам магнит-

Рис. 6. Испытания модели при экстремальных угловых положениях

ного подвеса, на котором в том числе были представлены работы по применению ЭМП в аэродинамических трубах. От нашей страны на симпозиуме была представлена работа авторов настоящей статьи [10]. Из иностранных работ следует отметить новые результаты Саутхемптонского университета (Великобритания) [11] и исследовательского центра NASA им. Лэнгли (США) [12].

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Л. Б., Ширманов П. М. Магнитная подвеска моделей в аэродинамических трубах//Обзоры ЦАГИ. — 1979, № 557.

2. К у з и н А. В. Состояние и перспективы развития систем электромагнитной подвески моделей для экспериментальной аэродинамики// Приборы и техника эксперимента. — 1992, № 3.

3. В ы ш к о в Ю. Д., Коваль ногов С. А., Усачев В. Н.,

Шаповалов Г. К. Система электромагнитного подвеса моделей в до-

звуковой аэродинамической трубе//Ученые записки ЦАГИ. — 1986. Т. 17, № 4.

4. К у з и н А. В. Система электромагнитной подвески для аэродинамических исследований//Приборы и техника эксперимента.— 1990, № 4.

5. А. С. 1208477 (СССР)//У с а ч е в В. Н., К у з и н А. В., С к у-

бачевская Т. Г. — Опубл. в БИ, 1986, № 4.

6. К у з и н А. В. Синтез системы стабилизации электромагнитной

псдвески моделей в аэродинамической трубе//Известия вузов. Электромеханика. — 1990, № 5.

7. В ы ш к о в Ю. Д., Кузин А. В., Усачев В. Н. Измерение силы, современные методы и средства. — Новосибирск: СНИИ метрологии, 1986.

8. А. С. 649344 (СССР). Устройство управления положения модели в аэродинамической трубе//В ы ш к о в Ю. Д., Кузин А. В., Усачев В. Н., Шаповалов Г. К.— Опубл. в БИ, 1991, № 18.

9. Boyden R. P. A review of magnetic suspension and balance systems//The- 15-th AIAA Aerodynamic Testing Conference. — San Diego, California.—AIAA Technical Papers A88 — 37907, 1988.

10. Kuzin A. V., V у s h k о v Yu. D., Shapovalov G. K- Progress of magnetic suspension and balance systems for wind tunnels in the USSR//Presented at International Symposium on Magnetic Suspension Technology. — NASA, Langley Research Centre, 1991.

11. Goodyer M. J. Wind tunnel magnetic suspension system at the University of Sauthampton, England. — Proceedings of an International Symposium on Magnetic Suspension Technology, Langley Research Centre, Hampton, Virginia, 19—23 August, 1991.

12. Schott J., Jordan J., D a n i e 1 s J., A I с о r n С. Present status of the MIT/NASA. — Langley 6-inch MSBS Proceedings of an International Symposium on Magnetic Suspesion Technology, Langley Research Centre, Hampton, Virginia, 19—23 August, 1991.

Рукопись поступила 8/VI 1992 г.