ИМИТАТОР ЛЬДА

Полезная модель относится к области аэродинамики и может быть использована при исследованиях в аэродинамических трубах (АДТ) 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 лётных происшествий.
Влияние обледенения на изменения аэродинамических характеристик несущих поверхностей можно изучать в аэродинамических трубах 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 лётных испытаний в условиях естественного обледенения (на реальном самолёте 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, MПK G01M 1/00, 2004г., заявка № 2004122458, MПK G01M 1/00, 2004г., патент РФ № 2345345, МПК G01М 9/04, 2004г., патент США 6553823, MПK G01M 9/08, 2002г.). Во всех вышеперечисленных способах имитация условий эксплуатации осуществлялась с помощью обдува объекта испытаний соответствующим образом организованным и настроенным водо-воздушным потоком, в результате чего на передней кромке объекта образовывался наплыв льда определенной формы. 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. Недостатками полученного ледяного покрытия является наличие большого количества ограничений на эксперимент связанных с проведением его в аэродинамических трубах из-за крупномасштабности моделей самолётов и краткосрочности существования нанесенного ледяного наплыва.
Имитатор льда для испытаний в аэродинамических трубах должен сохранять геометрическую форму в течении продолжительного времени в естественном диапазоне температур (-5÷+35)°С. Он должен быть изготовлен из пластиков, легких сплавов, дерева.
Ледяной наплыв на передней кромке объекта может быть сымитирован наклеиванием различного количества слоев шкурки на тканевой основе, но при этом невозможно гарантировать правильную конфигурация изделия между сечениями, в которых по шаблонам воспроизводят форму наросшего льда. (Г.Т. Андреев, В.В. Богатырев, О.В. Павленко, Ю.П. Мельничук «Влияние имитаторов льда на аэродинамические характеристики моделей самолетов с прямым крылом», общероссийский научно-технический журнал «Полет», № 8, 2009г., стр. 59, рис. 7). Данное техническое решение принято за прототип.
Задачей и техническим результатом создания полезной модели является изготовление имитатора льда на крыле самолета по своим параметрам отвечающего всем требованиям технического задания и максимально возможное сокращение сроков его изготовления.
1
П
I
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что имитатор льда в виде наплыва на передней кромке крыла изготавливают из фотополимера методом быстрого прототипирования, он представляет собой сложную пространственную форму (поверхность двойной кривизны), имеет сравнительно малые относительные толщины при выраженном осевом габарите, при соотношении длины имитатора льда и хорды его корневого сечения L/Вкор.=45÷50, где Вкор. - длина хорды корневого сечения, состоит из отдельных деталей, в которых для обеспечения точности последующей сборки выполнен замок в виде профилированных элементов типа «шип - паз», причем длина шипа L≈(0,3÷0,5)В, где В - длина хорды в текущем сечении, глубина паза L≥L.
На фиг.1 - представлены отдельные детали имитатора льда с шипом и пазом, необходимыми при сборке имитатора льда;
На фиг.2 - представлена деталь имитатора льда с обозначенными габаритными размерами;
На фиг.3 - представлен собранный имитатор льда на стапельной системе;
На фиг.4 - полумодель самолета с имитаторами льда;
I
1
П
I
Имитатор льда представляет собой сложную пространственную форму (поверхность двойной кривизны), имеет сравнительно малые относительные толщины при выраженном осевом габарите, при соотношении длины имитатора льда и хорды его корневого сечения L/Вкор.=45÷50, где Вкор. - длина хорды корневого сечения. Изготавливают имитатор льда по математической модели с помощью лазерной стереолитографической установки. Математическую модель имитатора льда для изготовления на лазерном стереолитографе разделяют на 8 частей. Для обеспечения точности сборки имитатора льда на деталях имитатора льда выполнен замок в виде профилированных элементов типа «шип-паз» фиг.1, где 1 - деталь с пазом, 2 - деталь с шипом. На фиг.2 показана деталь имитатора льда с шипом, где А и В - габаритные размеры имитатора льда в текущем поперечном сечении, L - длина шипа в текущем поперечном сечении, для уменьшения возможного смещения деталей имитатора льда относительно друг друга длину шипа выбирают из соотношения L≈(0,3÷0,5)В, глубину паза L≥L.
Имитатор льда не имеет базовой плоскости для обеспечения правильного взаимного расположения деталей, поэтому сборку производят с помощью стапельной системы. Стапельная система фиг.3 состоит из базовой наборной плиты 3, на которую жестко монтируют базовые площадки 4 опорных элементов 5. Опорные элементы создают по исходной математической модели имитатора льда, совмещенной с математической моделью стапельной системы и тем самым определяют пространственную ориентацию имитатора 6 льда, что обеспечивает высокую точность при сборке и склеивании имитатора льда. Опорные элементы также делают сборными для уменьшения стоимости изготовления, изготавливают их также с помощью лазерного стереолитографа.
Применения 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. Полумодель самолета 7 с имитатором 6 льда в рабочей части АДТ приведена на фигуре 4.
Время изготовления данной модели на стереолитографе ЛС-250 составляет 36 часов, а полное время изготовления с постобработкой, сборкой и склейкой - 6 дней.
Для более глубокого изучения влияния изменения аэродинамических характеристик несущих поверхностей при наличии обледенения разработана методика испытаний малых моделей самолётов с имитаторами льда для определения влияния обледенения на аэродинамические характеристики самолёта. С этой целью были проведены испытания ряда малых моделей самолётов с большеразмерными имитаторами льда.
6
Испытания моделей самолета с имитаторами льда проводились в аэродинамических трубах при повышенных числах Re=3-4,5-10. Полученные экспериментальные результаты корректируются на натурные числа Re самолета. Результаты испытаний малых моделей самолетов Ту - 204 и Ту - 334 с имитаторами льда больших габаритов в АДТ при повышенных числах Re и с поправкой на натурный Re дали хорошую сходимость с результатами летных испытаний при всех конфигурациях самолета.