ДИНАМИЧЕСКИ ПОДОБНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСУЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DYNAMICALLY SIMILAR AERODYNAMIC MODEL OF AIRCRAFT BEARING SURFACE

Изобретение относится к области авиационной науки и техники и, в частности, к расчетным и экспериментальным исследованиям динамических явлений аэроупругости летательных аппаратов (флаттера, бафтинга, автоколебаний с предельным циклом) методом моделирования в аэродинамических трубах (АДТ).
Особенно актуально данное изобретение для физических исследований нестационарных аэродинамических характеристик на динамически подобных аэродинамических моделях (ДПМ) несущих поверхностей летательных аппаратов (крыла, киля, стабилизатора) в трансзвуковом диапазоне чисел Маха (0,8÷1,2).
Известна поисковая схематическая динамически подобная модель крыла летательного аппарата (ЛА) для исследований флаттера в дозвуковых и трансзвуковых АДТ (В.В. Лыщинский «Моделирование флаттера в аэродинамических трубах», Москва, Физматлит, 2009, стр. 26, рис. 8). Модель состоит из лонжерона и внешней оболочки, приклеенной к лонжерону. Лонжерон выполняется из авиационной фанеры в виде широкого сердечника прямоугольного сечения с различным направлением волокон рубашки относительно оси жесткости. Внешняя оболочка изготавливается из пенопласта, и оклеивается снаружи тонким слоем стеклоткани. Недостатком модели является плохое качество обтекаемой поверхности и низкая точность воспроизведения по размаху жесткостных и массово инерционных характеристик, требуемых по подобию. Кроме того, конструкция этой модели не обеспечивает возможность измерения нестационарных аэродинамических нагрузок на поверхности модели. Поэтому модель этого типа использовалась, в основном, для качественной оценки влияния сжимаемости воздуха на критический скоростной напор флаттера в трансзвуковом диапазоне чисел Маха.
Известны полные конструктивно подобные модели летательных аппаратов (ЛА), близкие к идеальным моделям-копиям по геометрическим, массовым и жесткостным характеристикам. Конструктивно подобные модели изготавливаются из стали (Дунц Л.С., Федотов В.А. «Стальные конструктивно подобные модели», ТВФ №3, 1959 г.) или из полимерных композиционных материалов (Азаров Ю.А. и др. «Проектирование и изготовление аэроупругих моделей из полимерных материалов с применением метода быстрого прототипирования», труды ЦАГИ, выпуск 2698, Москва 2011, стр. 177). Конструктивно подобные модели имеют тонкостенную неразборную конструкцию. Сборка металлической конструкции выполняется с помощью точечной сварки, а моделей из композиционных материалов - клеевыми соединениями. Недостатком моделей этого типа является низкая прочность и местная жесткость обшивки, необходимость изготовления сложной и дорогостоящей технологической оснастки, длительный срок изготовления, закрытый доступ внутрь модели для установки датчиков давления и акселерометров, а для модели из стали, кроме того, низкое качество обтекаемой поверхности из-за сварных точек.
Более дешевыми в изготовлении являются конструктивно подобные модели из целлулоида, армированного дюралюминием (Азаров, Ю.А. др. «Исследование флаттера самолетов на конструктивно-подобных моделях при трансзвуковых скоростях», Труды ЦАГИ, 1979 г.). Однако, по сравнению с моделями из стали или из композиционных материалов, они тяжелее, чем требуется по подобию, в 3÷6 раз, что не приемлемо для сертификационных экспериментальных исследований флаттера и бафтинга в трансзвуковом диапазоне чисел Маха.
Известны конструкции каркасных динамически подобных моделей (Лампер Р.Е., В.В. Лыщинский «Введение в теорию и моделирование флаттера», Новосибирск, 1999 г., стр. 95). В них упругие свойства натурной несущей поверхности ЛА воспроизводятся анизотропной однослойной или двухслойной пластиной и наклепанными ребрами жесткости, заменяющими лонжероны и нервюры. Аэродинамические обводы выдерживаются с помощью нежесткого заполнителя (модуль упругости заполнителя приблизительно в 1000 раз меньше, чем у материала силового набора). Недостатком каркасных моделей является плохое качество обтекаемой поверхности, недостаточная точность воспроизведения жесткостных характеристик, требуемых по подобию, нерациональная с точки зрения весового совершенства форма поперечного сечения силовой части конструкции модели, большой объем ручного труда при изготовлении.
Существенным общим недостатком рассмотренных конструкций динамически подобных моделей является низкая информативность эксперимента, которая обусловлена тем, что:
- конструкции ДПМ (крыла) не позволяют оперативно моделировать в АДТ варианты заправки или расхода топлива ЛА в полете, и поэтому для каждого варианта необходимо изготавливать новую модель, что резко повышает стоимость исследований и сроки их проведения;
- отсутствует возможность установки внутри модельного силовозбудителя для проведения частотных испытаний модели в потоке с целью прогнозирования критической скорости флаттера модели по результатам испытаний на дофлаттерных режимах работы АДТ;
- отсутствует возможность проведения в трансзвуковом диапазоне чисел Маха методических научных исследований нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на поверхность колеблющейся упругой модели, и установления взаимосвязи между нагрузками и параметрами упругих колебаний модели, поскольку, во-первых, невозможно обеспечить достаточно жесткое крепление датчиков динамического давления в мягком поверхностном слое пенопласта, чтобы избежать паразитных колебаний датчиков как твердых тел в спектре частот собственных колебаний ДПМ, во вторых, обеспечить свободный доступ к датчикам динамического давления для подсоединения измерительных кабелей и воздушных трубок с опорным давлением и выполнять в процессе проведения испытаний в АДТ контрольную калибровку или замену датчиков и, в третьих, обеспечить при установке датчиков динамического давления минимальную длину канала (не более 10 мм) от дренажного отверстия (диаметром 0,5-0,8 мм) на поверхности модели до приемного отверстия в датчике, а также обеспечить требуемую гладкость и герметичность стенок канала. Кроме того, для более полной верификации результатов эксперимента с расчетной нестационарной аэродинамической моделью обтекания упругой физической модели, например, в зонах отрыва потока или движения скачка уплотнения, отсутствует возможность варьирования во время эксперимента в АДТ количеством дренажных отверстий и шага между ними для уточнения картины обтекания.
Известны также конструкции упруго подобных моделей ЛА (Патент РФ №2454646, Патент РФ №2500995, МПК G01M 9/08, опубл. 10.12.2013), предназначенных для экспериментальных исследований в АДТ статических явлений аэроупругости (дивергенции, реверса, эффективности органов управления, влияния упругости конструкции ЛА на стационарные аэродинамические характеристики и др.). В соответствии с требованиями подобия аэроупругие модели этого типа подобны натурной конструкции только по геометрическим и жесткостным характеристикам. Главной задачей при разработке конструкций упруго подобных моделей является обеспечение подобия статических деформаций модели при испытаниях в АДТ статическим деформациям ЛА в полете на различных углах атаки, рыскания и отклонении органов управления. Поэтому обеспечение повышенной прочности конструкции модели с учетом требуемого запаса является также превалирующей задачей. Недостатком этих изобретений является нерациональная форма поперечных сечений силовых сердечников с точки зрения весового совершенства модели и смещение оси жесткости от плоскости хорд к внешнему контуру модели. В результате упруго подобная модель оказывается не только в значительной степени перетяжеленной, но что более важно, распределение массово-инерционных характеристик в конструкции модели, как правило, не соответствует натурному. Для динамически подобных моделей это совершенно не допустимо, поскольку от массово-инерционных характеристик зависят динамические характеристики модели (частоты и формы собственных колебаний), которые являются основными параметрами, определяющими безопасность ЛА от возникновения в полете катастрофических явлений динамической аэроупругости.
4
Известна динамически подобная модель несущей поверхности летательного аппарата (патент РФ №2375266, МПК B64F 5/00, В64С 3/00, В64С 5/00, публ. 10.12.2009 г.). Модель содержит силовой набор, моделирующий жесткостные характеристики натурной конструкции и состоящий из пластин, лонжеронов и нервюр, изготовленных из высокомодульного композиционного материала. Формообразующая, обтекаемая потоком поверхность обшивки модели выполнена в виде двух частей: верхней и нижней и изготовлена методом вспенивания в пресс-форме из низкомодульного материала с модулем упругости в 10 раз меньше, чем у материала силового набора. Недостатком данной модели является необходимость изготовления достаточно сложных и дорогих пресс-форм, нарушение условия массового подобия (перетяжеление модели) при испытаниях в скоростных АДТ в области трансзвуковых чисел Маха, неконтролируемое изменение в потоке формы профиля модели из-за деформации мягкого поверхностного слоя при больших давлениях в рабочей части АДТ, возможный его отрыв (или отслоение) от силовой панели в зонах разряжения при испытаниях на углах атаки, отсутствие возможности установки датчиков динамического давления и доступа к ним.
Задачей изобретения является разработка конструкции динамически подобной модели несущих поверхностей ЛА для проведения параметрических исследований динамических явлений аэроупругости в скоростных аэродинамических трубах в трансзвуковом диапазоне чисел Маха с целью решения практической задачи обеспечения безопасной эксплуатации создаваемых ЛА от возникновения в полете флаттера и бафтинга, а также с целью проведения научных физических исследований нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих в трансзвуковом диапазоне чисел M на упругую конструкцию ЛА, для верификации и совершенствования расчетных математических моделей нестационарной аэродинамики.
Техническим результатом является многократное повышение информативности и точности эксперимента, получение качественно новых результатов по влиянию нестационарных аэродинамических сил на характеристики флаттера и бафтинга в трансзвуковом диапазоне чисел Маха.
Техническим результатом является повышение прочности модели и формоустойчивости внешних обводов модели в потоке, повышение точности моделирования жесткостных и массовых характеристик, возможность проведения в рамках одной модели параметрических исследований (на этапе проектных решений при разработке ЛА) по оптимальному распределению конструкционного веса в несущей поверхности и последовательности выработки топлива в полете из баков крыла, снижение затрат на производственные работы и уменьшение времени на подготовку эксперимента в АДТ.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности ЛА, состоящей из силовой упругой балки-лонжерона, нервюр и формообразующей внешние обводы обшивки, на силовой балке-лонжероне по размаху модели установлены дренированные блоки с приемными отверстиями, расположенными вдоль хорды на верхней и нижней поверхности блока, а между блоками формообразующие нервюры, изготовленные из термопластика с поясами, армированными высокопрочным полимерным композиционным материалом, и съемные секции обшивки, находящиеся между блоками на формообразующих нервюрах, а также усиленные нервюры блоков, кроме того в свободном пространстве внутри модели расположены силовозбудитель вынужденных колебаний, измерительные и технические средства с возможностью доступа к ним.
Технический результат достигается тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности ЛА силовая упругая балка-лонжерон состоит из пустотелого сердечника, изготовленного из легкого низкомодульного термопластика, на который наформованы монослои однонаправленного высокомодульного и высокопрочного полимерного композиционного материала.
Технический результат достигается тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности ЛА дренированные блоки состоят из неразъемного каркаса, жестко закрепленного на силовой упругой балке-лонжероне, и двух легкосъемных дренированных панелей (верхней и нижней), изготовленных из термопластика.
Технический результат достигается также тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности каркас блока, изготовленный как единое целое из термопластика, состоит из двух усиленных нервюр, жестко соединенных между собой дренированными передней и задней кромками и жесткими стенками, расположенными с двух сторон балки-лонжерона.
Технический результат достигается также тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности легкосъемные верхняя и нижняя дренированные панели, герметично установленные на каркасе, имеют внутри камеры для датчиков, которые соединены каналами с дренажными отверстиями, расположенными с заданным шагом на обтекаемой поверхности панелей.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности камеры для датчиков давления расположены с двух сторон относительно плоскости дренированного сечения под углом к ней с последовательным чередованием в направлении хорды дренированного сечения.
Технический результат достигается также тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности секции обшивки переменной толщины по хорде и размаху модели, изготовленные из термопластика, имеют трехслойную конструкцию, состоящую из тонких (не более 1,0 мм) внешнего и внутреннего слоев, соединенных между собой тонкими (не более 0,8 мм) ребрами, ориентированными под углом друг к другу.
Технический результат достигается также тем, что в динамически подобной аэродинамической модели несущей поверхности силовозбудитель является внутримодельным, малогабаритным, электрогидравлическим и дистанционно управляемым устройством
На фиг. 1 представлен общий вид ДГГМ несущей поверхности в собранном виде.
На фиг. 2 представлен дренированный блок с датчиками динамического давления, установленный на лонжероне.
На фиг. 3 представлено сечение Б-Б фиг. 2 дренированного блока с лонжероном.
На фиг. 4 представлено дренированное сечение блока.
На фиг. 5 представлена увеличенная область С сечения дренированного носка фиг. 4.
На фиг. 6 представлены сечения секций верхней и нижней обшивки.
На фиг. 7 представлено продольное сечение нервюры вдоль хорды.
На фиг. 8 представлено поперечное сечение нервюры.
На фиг. 9 представлена схема установки акселерометров, тензометров и силовозбудителя.
На фиг. 10 представлена схема установки доводочных и сменных грузов.
На фиг. 11 представлен график изменения статических компонент давления по времени.
На фиг. 12 представлены автоспектры сигналов в диапазоне частот собственных колебаний модели.
На фиг. 13 представлены автоспектры в окрестности одного из тонов собственных колебаний модели.
Конструкция ДПМ несущей поверхности ЛА (крыла, горизонтального оперения, вертикального оперения) состоит из балки-лонжерона 1, дренированных блоков 2, формообразующих нервюр 3, расположенных между дренированными блоками 2 и секций обшивки 4.
Силовая упругая балка-лонжерон 1 состоит из пустотелого тонкостенного сердечника 5 (фиг. 3 - плоскость сечения Б-Б проходит по оси жесткости ДПМ), изготовленного из низкомодульного термопластика и выполняющего функции позитивной пресс-формы, на который наформованы несущие слои 6, выполненные из высокомодульного и высокопрочного ПКМ в соответствии с заданными жесткостными характеристиками модели. Пустотелая форма поперечного сечения балки-лонжерона является наиболее рациональной с точки зрения весового совершенства конструкции лонжерона в соответствии с требованиями подобия, снижения затрат на приобретение дорогостоящих высокомодульных ПКМ и сокращения сроков изготовления за счет автоматизированного изготовления сердечника лонжерона методом прототипирования.
Дренированный блок 2 состоит из жесткого неразъемного каркаса 7 (фиг. 2), закрепленного на балке-лонжероне 1, и двух легкосъемных дренированных панелей 8 (верхней и нижней), изготовленных из термопластика по 3D-моделям за одну технологическую операцию в автоматическом режиме, что обеспечивает высокое качество обтекаемой поверхности, минимальное требуемое расстояние между приемными отверстиями на поверхности модели и минимальную длину канала от дренажного отверстия 9 (фиг. 5) до приемного отверстия в датчике динамического давления 10 в соответствии с требованиями к получению необходимого объема информации и точности измерения нестационарных аэродинамических нагрузок.
Каркас 7 блока 2 ДИМ несущей поверхности ЛА изготавливают как единое целое из термопластика. Он состоит из двух силовых нервюр 11 (фиг. 3), жестко соединенных по передней и задней кромкам 12 (фиг. 4) и продольными стенками 13 (фиг. 4), расположенными параллельно боковым стенкам балки-лонжерона 1. В передней и задней кромках 12 каркаса выполняются приемные дренажные отверстия 9 с камерами 14 для установки датчиков динамического давления 10. Верхняя и нижняя легкосъемные панели 8 блока 2 также имеют приемные дренажные отверстия 9, расположенные с постоянным или переменным шагом на поверхности панели, и камеры 14 внутри них для установки датчиков динамического давления 10. Посадочные места для установки легкосъемных дренированных панелей 8 в каркас 7 блока 2 имеют герметизирующие канавки 15 (фиг. 3), которые заполняются перед установкой панелей эластомерным материалом типа силиконовой резины для герметизации обтекаемой поверхности модели. Высокое качество обтекаемой поверхности дренированного блока и точность сборки обеспечиваются применением технологии послойного синтеза для изготовления каркаса и панелей блока из термопластика по 3D-моделям при минимальных затратах времени. По существу каждый дренированный блок с установленными датчиками динамического давления представляет собой прецизионный легко адаптируемый в конструкцию ДПМ многоканальный прибор для измерения распределенных нестационарных аэродинамических характеристик в сечении с произвольной формой профиля.
Между блоками 2 на балке-лонжероне 1 устанавливаются формообразующие нервюры 3, расположенные параллельно бортовой нервюре с шагом не менее 100 мм и изготовленные из термопластика, с последующим армированием поясов нервюр накладками 16 (фиг. 8) из высокопрочного ПКМ. На пояса 17 силовых нервюр 11 блоков 2 и промежуточных формообразующих нервюр 3 сверху и снизу модели устанавливаются, изготовленные как единое целое, из термопластика, секции обшивки 4 (фиг. 6), имеющие переменную толщину по хорде и размаху модели и трехслойную конструкцию, состоящую из тонких (не более 1,0 мм) внутреннего 18 и внешнего 19 слоев, соединенных между собой тонкими (не более 0,8 мм) ребрами 20, ориентированными по отношению друг к другу под углом 60°. Трехслойная конструкция секций обшивки имеет малый вес, но высокую местную жесткость (по нормали к обтекаемой поверхности), что обеспечивает в потоке геометрическую неизменяемость профилей сечений. В то же время доля жесткости, вносимая обшивкой в суммарные распределенные по размаху жесткости на изгиб и кручение модели, не значительна по сравнению с жесткостными характеристиками балки-лонжерона. Для создания полезного свободного пространства внутри модели верхние и нижние секции обшивки 4 выполняются съемными. Секции обшивки 4 имеют герметизирующие канавки 15 по контуру секции. Свободные объемы между нервюрами и блоками соединяются с помощью вырезов 21 (фиг. 7) в стенках нервюр 3 и стенках блоков 2 спереди и сзади балки-лонжерона. Открытый доступ во внутренний объем модели позволяет оснастить ее необходимыми техническими средствами для измерения нагрузок, действующих на модель в потоке, и регистрации ее состояния на заданных режимах работы АДТ при различных числах Маха и величинах скоростного напора. В частности, для измерения частот и форм упругих колебаний модели в потоке в носке и хвостике каждой нервюры 3 и каждого блока 2 устанавливают акселерометры 22 (фиг. 9). Для контроля за напряженно-деформированным состоянием модели вдоль балки-лонжерона 1 устанавливают тензометры 23. Для возбуждения собственных колебаний модели без потока и измерения ее амплитудно-частотных характеристик при изменении скоростного напора q и числа Маха внутри модели к задней боковой стенке балки-лонжерона на расстоянии 30-40% размаха модели от бортовой нервюры крепится малогабаритный электрогидравлический силовозбудитель 24 с дистанционной системой управления, в каждом дренированном блоке устанавливается воздушный коллектор для подачи статического опорного давления к датчикам динамического давления 10, прокладываются электроизмерительные кабели, трубки с опорным давлением и гидротрасса для подачи рабочей жидкости под высоким давлением в силовозбудитель.
Повышение точности воспроизведения массово-инерционных характеристик, требуемых по подобию, обеспечивается установкой доводочных грузов 25 (фиг. 10) на стенках нервюр, а возможность проведения в рамках одной модели поисковых параметрических исследований (на этапе проектных решений при разработке ЛА) по оптимальному распределению конструкционного веса в несущей поверхности или последовательности выработки топлива в полете из баков крыла для исключения опасности возникновения флаттера в полете, достигается установкой сменных грузов 26, моделирующих топливо, на балке-лонжероне.
Описание работы при эксперименте
Процедура испытаний модели заключается в том, что сначала модель устанавливают в рабочей части трансзвуковой АДТ, затем все типы датчиков с помощью переходных кабелей подключают к системе сбора и обработки данных, которая состоит из подсистемы измерения динамического давления, подсистемы измерения виброускорений и подсистемы измерения статических и динамических напряжений. Перед испытаниями выполняется контрольная проверка функционирования всех подсистем. Для этого включается внутри модельный силовозбудитель и определяются в заданном диапазоне частот амплитудно-частотные характеристики модели и регистрируются сигналы с датчиков. Каждый пуск АДТ выполняется по заданной траектории q(M) в соответствии с программой испытаний модели. Пуск выполняется в пошаговом режиме. На заранее заданных фиксированных числах M (и скоростного напора q) включается силовозбудитель и в заданном диапазоне частот вынужденных колебаний модели регистрируются сигналы с установленных датчиков. Для уменьшения погрешностей при обработке сигналов включение силовозбудителя и регистрация сигналов с датчиков выполняются несколько раз. Обработка и анализ полученной информации выполняются после окончания испытаний модели в АДТ.
В ЦАГИ спроектирована и изготовлена трансзвуковая дренированная ДПМ крыла большого удлинения пассажирского самолета. Модель успешно прошла испытания в трансзвуковой АДТ в диапазоне чисел М=0,3÷1,05.
На фигурах 11-13 представлены впервые полученные результаты измерения распределения давлений. Изменение статических компонент давления по времени s (горизонтальная шкала) в десяти точках расположения датчиков в процессе одного пуска аэродинамической трубы показано на фиг. 11. Там же на графике показаны значения числа Маха M (правая шкала) в пуске и шкала давлений Ра (левая шкала). На фиг. 12 представлены автоспектры сигналов (динамические компоненты) в диапазоне частот собственных колебаний модели (вертикальная шкала - давление Ра, горизонтальная - частота Hz). На фигуре 13 автоспектры представлены в окрестности одного из тонов собственных колебаний модели. На основании этой информации выполняется верификация теоретических расчетов нестационарных аэродинамических сил, действующих на модель при ее колебаниях.
Таким образом, многократное повышение информативности и точности эксперимента, получение качественно новых результатов по влиянию нестационарных аэродинамических сил на характеристики флаттера и бафтинга в трансзвуковом диапазоне чисел Маха достигается за счет увеличения количества дренированных сечений, количества датчиков на верхней и нижней поверхностях модели в каждом сечении и возможности варьирования шагом между дренажными отверстиями. В результате получается представление о распределении стационарных и нестационарных аэродинамических сил не в одном плоском сечении в виде двухмерной картины, а в виде трехмерной динамической картины по всей поверхности упругой колеблющейся модели в зависимости от частоты и формы колебаний.
Повышение прочности и формоустойчивости внешних обводов модели в потоке достигается за счет применения трехслойной конструкции секций обшивки, обеспечивающей высокую местную жесткость по нормали к обтекаемой поверхности, повышение точности моделирования жесткостных характеристик способом итерационной доводки путем наклеивания на участки балки-лонжерона между нервюрами дополнительных монослоев ПКМ после анализа результатов жесткостных испытаний модели. Повышение точности воспроизведения массовых характеристик требуемых по подобию обеспечивается установкой доводочных грузов на стенках нервюр, а возможность проведения в рамках одной модели поисковых параметрических исследований (на этапе проектных решений при разработке ЛА) по оптимальному распределению конструкционного веса в несущей поверхности или последовательности выработки в полете топлива из баков крыла для исключения опасности возникновения флаттера, достигается установкой сменных грузов, моделирующих топливо, на балке-лонжероне и стенках нервюр, кроме того, в результате снижаются затраты на производственные работы и уменьшается время на подготовку и обслуживание эксперимента в АДТ.