Модель для исследования посадки самолёта на воду
MODEL FOR INVESTIGATING AIRCRAFT LANDING ON WATER

Изобретение относится к области экспериментальной гидродинамики и аэродинамики, а именно к исследованиям на моделях процесса аварийной посадки на воду самолётов.
v
V -
V
H
0
Для исследования процесса аварийной посадки самолёта на воду используются динамически подобные свободно летающие модели, запускаемые катапультой. [Fisher L.J. and Hoffman EX. Ditching Investigation of Dynamic Models and Effects of Design Parameters on Ditching Characteristics. NACA Report 1958, №1347 (Технический перевод ЦАГИ №9885, 1959 г.)]. Модель подобна натурному самолёту по геометрии, массе, положению центра масс и моментам инерции. Моделирование динамики посадки требует соблюдения подобия по критерию Фруда  где скорость посадки натурного самолёта или модели,  - характерный размер самолёта или модели,  - ускорение силы тяжести. При этом скорость посадки модели  где  - скорость посадки самолёта. Масштаб модели М выбирается в соответствии с возможностями существующих экспериментальных комплексов и составляет обычно от М=1:8 до М=1:30. Основным фактором, влияющим на обтекание фюзеляжа самолёта или модели водой, является его гладкая форма, которая приводит к очень сильной зависимости характера обтекания фюзеляжа от скорости движения. Для тел гладких форм могут существовать два основных режима обтекания - безотрывный и отрывной. При малых скоростях вода плавно обтекает погруженную часть тела со сходом струй с кормовой оконечности. В этом случае имеет место обширная зона разрежений. При очень больших скоростях реализуется «отрывное» обтекание, обычно в этом случае линия отрыва близка к линии перехода цилиндрической центральной части фюзеляжа в сужающуюся хвостовую. В зависимости от этого гидродинамическая подъемная сила меняется в очень широких пределах с изменением знака. Натурная скорость посадки самолёта имеет величину порядка 60+80 м/с. При таких скоростях процесс взаимодействия самолёта с поверхностью воды происходит примерно так же, как при посадке гидросамолёта - поток воды отрывается от поверхности днища фюзеляжа и хвостовая его часть не взаимодействует с водой, а на фюзеляже в зоне контакта с водой возникают только положительные давления. При посадке модели со скоростями порядка 15+25 м/с, соответствующими моделированию по критерию Фруда, отрыва потока не происходит, и на нижней поверхности центральной части фюзеляжа возникают зоны положительных давлений, а на нижней поверхности хвостовой части - отрицательных давлений. Возникновение зон отрицательных давлений на нижней поверхности хвостовой части приводит к засасыванию в воду хвостовой части модели и несоответствию динамики движения модели динамике натурного самолёта. При движении модели по воде, вследствие засасывания в воду хвостовой части, происходит увеличение угла тангажа до значений более 60°. В то время как при известных натурных посадках самолёта на воду значительного увеличения угла тангажа не наблюдалось, из-за невыполнения подобия по критерию Эйлера  (где Р -атмосферное давление). Число Эйлера является определяющим при моделировании отрывных течений. [Шорыгин О.П., Беляевский А.Н., ГонцоваЛ.Г. Моделирование вынужденной посадки авиационно-космической техники на воду, Журнал «Полет», М., 2008, стр. 104-105]. Для устранения этого масштабного эффекта необходимо при испытаниях модели со скоростями, выбранными из условия подобия по числу Фруда, искусственно организовать отрывное обтекание водой хвостовой части фюзеляжа, соответствующее условиям натурной посадки самолёта.
В качестве прототипа рассмотрим модель самолёта, в которой отрывной режим обтекания фюзеляжа обеспечивается при испытаниях путём подвода воздуха в зону разрежений из полости фюзеляжа через систему дренажных отверстий, расположенных на нижней поверхности хвостовой части фюзеляжа модели в зоне возникновения отрицательных давлений. [Шорыгин О.П., Беляевский А.Н., Гонцова Л.Г. Моделирование вынужденной посадки авиационно-космической техники на воду, Журнал «Полет», М., 2008, стр. 104-105]. Для организации подачи воздуха в зону разрежений, в хвостовой части модели изготавливается специальный отсек с дренированной нижней поверхностью, отделённый от остальной полости модели герметичными перегородками. В верхней части отсека изготавливаются воздухозаборные отверстия для организации подачи воздуха в зону дренажа.
Модель с системой дренажа имеет ряд недостатков:
- В процессе посадки на воду модели самолёта изменяется её положение относительно поверхности воды, в том числе угол тангажа и величина погружения части фюзеляжа, находящейся в соприкосновении с водой. В результате зона контакта с водой в процессе посадки изменяет свою геометрию и расположение относительно фюзеляжа. При этом в зоны дренажа могут частично попадать не только зоны разрежения, но и зоны положительных давлений. В результате этого в процессе посадки возникают не только потоки воздуха в зоны разрежений, но и потоки воды, направленные вверх и попадающие внутрь модели.
- В процессе приводнения вода, попадая в дренажные отверстия, образует фонтан. Этот фонтан может какое -то время препятствовать поступлению воздуха в дренажную систему. Кроме того, вода, попавшая внутрь корпуса модели, изменяет её вес и центровку, а потеря импульса, унесённого водяным фонтаном, приводит к изменению величины гидродинамической силы и смещению положения её равнодействующей. Создание дренажной системы увеличивает трудоёмкость изготовления модели и подготовки модели к испытаниям, так как помимо изготовления специального отсека внутри модели, сверления множества отверстий, требует проведения предварительных исследований по определению положения и формы дренированной части фюзеляжа, диаметра отверстий и расстояний между ними.
Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и повышение точности моделирования вынужденной посадки самолётов на воду, а также уменьшение трудоёмкости изготовления модели и подготовки её к испытаниям.
Технический результат достигается тем, что в модели для исследования посадки самолёта на воду, содержащей фюзеляж гладкой формы с приподнятой хвостовой частью, в хвостовой части установлены кольцевые риблеты, охватывающие фюзеляж модели. Риблеты установлены с шагом 0,2-0,3 ширины фюзеляжа модели на участке длиной 0,5-1 ширины фюзеляжа модели, начиная от места подъёма хвостовой части. Риблеты изготовлены из проволоки диаметром 2-3 мм.
На Фиг. 1 изображена модель самолёта, с установленными кольцевыми риблетами.
На Фиг. 2 приведена фотография посадки на воду модели, не имеющей специальных устройств для создания отрывного обтекания.
На Фиг. 3 приведена фотография посадки на воду модели с риблетами.
На Фиг. 4 приведена схема обтекания водой фюзеляжа натурного самолёта с распределением давлений вдоль его нижней поверхности при движении по поверхности воды.
На Фиг. 5 приведена схема обтекания водой фюзеляжа модели, не имеющей специальных устройств для создания отрывного обтекания, и распределения давлений вдоль нижней поверхности
На Фиг. 6 приведена схема обтекания водой фюзеляжа модели с установленными в хвостовой части кольцевыми риблетами.
;
Модель состоит из центральной цилиндрической части фюзеляжа гладкой формы 1 и сужающейся приподнятой хвостовой части 2. На поверхности фюзеляжа в области зоны разрежений, расположенной в хвостовой части 2, установлены поперечные кольцевые риблеты 3, изготовленные из проволоки, охватывающие фюзеляж модели. Риблеты 3 установлены с шагом 0,2-0,3 ширины фюзеляжа 1 модели на участке длиной 05-1 ширины фюзеляжа модели, начиная от места подъёма хвостовой части 2 (места перехода цилиндрической центральной части фюзеляжа в оживальную хвостовую часть). Риблеты 3 изготовлены из проволоки диаметром 2-3 мм.
Устройство работает следующим образом. При движении модели по поверхности воды воздух, с помощью риблетов, поступает по боковой поверхности фюзеляжа в зону разрежений на нижней поверхности хвостовой части и вызывает там отрыв потока, соответствующий условиям посадки натурного самолёта. При посадке модели на поверхность воды риблеты выполняют роль мини-кавитаторов, за которыми вначале возникают каверны небольшой протяжённости в горизонтальном направлении, но охватывающие всю погружённую часть риблета. Через эту каверну, открытую в области пересечения фюзеляжа со свободной поверхностью воды, воздух по боковой поверхности фюзеляжа устремляется в зону разрежений и создаёт общую обширную каверну, то есть зону отрыва потока воды, соответствующую натурным условиям посадки самолёта на воду. Установка риблетов позволяет устранить возможность попадания воды внутрь фюзеляжа, изменяющей массу и центровку модели, и позволяет более точно моделировать величину гидродинамической подъёмной силы и точку её приложения при движении модели по поверхности воды.
Конструкция модели с риблетами намного проще конструкции модели с дренажем, и не требует проведения предварительных исследований, что значительно снижает трудоёмкость изготовления модели и подготовки её к испытаниям.
Эффективность предложенной модели подтверждается результатами катапультных испытаний динамически подобной модели самолёта. При посадке на воду модели без риблетов (Фиг. 2) сразу после приводнения происходило засасывание в воду хвостовой части фюзеляжа, что приводило к резкому увеличению угла тангажа. Это свидетельствует о наличии значительной зоны разрежений на нижней поверхности хвостовой части. Приводнение модели с риблетами, при той же посадочной скорости, происходило с небольшими углами тангажа, что свидетельствует о наличии отрыва потока от нижней поверхности хвостовой части. Таким образом обеспечивается обтекание водой фюзеляжа, соответствующее условиям посадки на воду натурного самолёта (Фиг. 3).