Крупноразмерная аэродинамическая модель
LARGE-SIZED AERODYNAMIC MODEL

Изобретение относится к конструкциям крупноразмерных аэродинамических моделей, предназначенных для испытаний в аэродинамических трубах.
В настоящее время создание гражданских летательных аппаратов нового поколения базируется на различных экспериментальных методах исследований, таких как математическое моделирование и испытания в аэродинамических трубах.
Наиболее точные результаты аэродинамических характеристик нового летательного аппарата, можно получить в результате продувочных экспериментов в аэродинамических трубах (Г.С. Бюшгенс, Е.Л. Бедржицкий, В.Г. Дмитриев Центр авиационной науки. - М.: изд. ЦАГИ, 2004, 392 стр.) при использовании крупноразмерных моделей, устанавливаемых в рабочей части АДТ на специальных поддерживающих устройствах («Модели летательных аппаратов для испытаний в аэродинамических трубах». ОСТ 102608-87, 1987. -30 с). В результате подобных испытаний можно достигнуть близкое к реальному полету летательного аппарата угловое движение модели по тангажу, крену и рысканию. Как правило, подобные эксперименты в АДТ на моделях более экономичны, наглядны и безопасны по сравнению с летными исследованиями.
В разное время в качестве крупноразмерных аэродинамических моделей использовались натурные опытные летательные аппараты. Однако в аэродинамических трубах существует несколько ограничений, связанных со способом крепления натурных летательных аппаратов к элементам весовых элементов, а также необходимость обеспечения повышенного запаса прочности наиболее нагруженных узлов исследуемого объекта. Эти проблемы приводят к тому, что процесс аэродинамических испытаний натурного летательного аппарата превращается в длительную процедуру, связанную с продолжительными подготовительными работами. В процессе этих работ требуется усилить места крепления испытываемого натурного летательного аппарата к элементам весов рабочей части аэродинамической трубы, дополнить натурный летательный аппарат механизмами, обеспечивающими дистанционное отклонение элементов механизации (типа закрылков, элеронов, рулей высоты и направления и т.п.).
В настоящее время для проведения качественного аэродинамического эксперимента требуется определенным образом подготовить поверхность исследуемого летательного аппарата для установки приемников статического давления, что является трудностью в случае использования металлической обшивки натурного летательного аппарата.
Другой сложностью аэродинамических испытаний в аэродинамических трубах является то, что не все крупноразмерные летательные аппараты можно испытывать в аэродинамических трубах, так как их габариты значительно превышают размеры рабочей части аэродинамической установки.
В этой связи становится актуальным использование для испытаний в аэродинамических трубах специально изготовленных крупноразмерных аэродинамических моделей, внешняя геометрическая форма которых является уменьшенной копией исследуемого летательного аппарата. Внутри таких крупноразмерных моделей можно разместить сборный жесткий сердечник, воспринимающий все нагрузки от воздействия воздушного потока, к которому механическим способом можно закрепить крыло, обшивки фюзеляжа, оперение, элементы шасси, элементы крепления к стыковочным узлам аэродинамических весов. Внутри сердечника можно поместить устройства для дистанционного управления отклонением всеми элементами механизации, а также регистраторы, связанные с приемниками воздушного давления, размещенными в соответствующих местах обшивки аэродинамической модели.
Сравнение представленной конструкции крупноразмерной аэродинамической модели проводилось с различными аналогами.
Известна аэродинамическая модель самолета из фотополимерного материала (патент РФ №2453820, МПК G01M 9/08, 20.06.2012), состоящая из носовой и хвостовой частей фюзеляжа с гондолами двигателей, оперения с дренажной системой, служащей для выпуска красителей в процессе испытаний в гидротрубе. Недостаток данной аэродинамической модели заключается в невозможности изготовления моделей летательных аппаратов крупных размеров, так как конструкционный материал, из которого изготовлена данная модель, имеет невысокую прочность, благодаря чему модель может разрушиться под действием невысоких нагрузок воздушного потока. Недостатком следует считать и отсутствие элементов механизации, таких как рули высоты, рули направления, элероны, закрылки по причине невозможности изготовления их из фотополимеров.
Известен способ изготовления аэродинамической модели (патент РФ №2417358 МПК G01M 9/08, B64F 5/0027.04.2011). Согласно которому изготовление элементов модели, включая интегрированные фюзеляж с крылом, переднее горизонтальное и хвостовое оперения, а также детали с каналами слива пограничного слоя, детали с внутренними протоками каналов двигателей и носовой обтекатель формуют из углепластика в форму с разделением ее на верхнюю и нижнюю части. При этом в нижнюю половину формы закладывают детали с каналами слива пограничного слоя и детали с внутренними протоками каналов двигателей для фюзеляжа с крылом или металлическую пластину для крепления оперения к силовому каркасу. После затвердевания полимерного углепластика, из которого изготавливают нижние и верхние половины, их склеивают между собой на специальном стапеле при помощи эпоксидной смолы. Затем соединяют на стапеле собранный силовой каркас, включающий непрофилированный сердечник с кронштейнами, со сформированными ранее верхней и нижней половинами интегрированного фюзеляжа с крылом при помощи эпоксидной смолы и осуществляют полную сборку аэродинамической модели. Сменный носовой обтекатель модели устанавливают на сердечник, а на собранный фюзеляж устанавливают на винтах переднее горизонтальное и хвостовое оперения, входные и выходные сопла.
Недостатком данного способа является получение крыльев и оперения простой конструкции без использования в них подвижных элементов механизации.
Известна универсальная аэродинамичекая модель и способ ее изготовления (патент РФ №2083967 МПК G01M 9/00, 10.07.1997). Согласно патенту аэродинамическая модель содержит упругий каркас и обшивку из композиционного материала, связанную с балками каркаса посредством нервюр. Обшивка состоит из основной и дополнительной секций. Основная секция обшивки, например, крыла, и нижняя - дополнительная секция обшивки, примыкающая к основной с образованием щелей, имеют подкрепление в виде корки из полимерного материала (например, пенопласта). Дополнительная секция обшивки (и части нескольких разрезных нервюр) соединена с основной секцией (и частями нервюр) с помощью замкового устройства. Дренаж обшивки образован дисками или лентами с калиброванными дренажными отверстиями, к которым изнутри модели подведены дренажные трассы. Снаружи дренажные отверстия закрыты тонким слоем прозрачного композиционного материала. В процессе изготовления модели проводят измерения жесткостных характеристик упругого каркаса, например лонжерона крыла. Для формирования обшивки по всему контуру профиля приклеивают к нервюрам корку из пенопласта и покрывают ее прозрачным слоем композиционного материала.
Недостатком данной конструкции является отсутствие элементов механизации.
Известна конструкция, такая как конструктивно-подобная аэродинамическая модель и способ ее изготовления, приведенная в книге Р.Е. Лампер, В.В. Лыщинский. «Введение в теорию и моделирование флаттера». Новосибирск, 1999, рис. 5.10, стр. 93. Подобная модель, изготавливается из тонкостенного металла. Недостаток подобной модели - высокая технологическая сложность, так как металлические детали должны вначале штамповаться в специальных пресс-формах, а затем свариваться в специальном стапеле, для уменьшения поводок.
Известен способ изготовления неразборной упругоподобной модели, включающий операции фрезерования или формования сердечника модели с нанесением внешнего пенопластового покрытия. Данный способ приведен в книге Р.Л. Бисплингхофф, X. Эшли, Р.Л. Халфмен. Аэроупругость, М., ИЛ, 1958. Способ имеет недостаток, так как не позволяет образовывать внутри модели свободное пространство, для размещения органов управления механизацией, размещения специальных грузов для имитации полетной массы летательного аппарата и ее центровки.
Известен способ изготовления аэродинамических моделей путем их фрезерования, приведенный в книге С.М. Горлин, И.Н. Слезингер. Аэромеханические измерения, М., 1964. Недостаток способа заключается в сложности фрезерования крупноразмерных элементов аэродинамических моделей, так как для этой операции требуется уникальный крупный станок с ЧПУ.
Известна «Универсальная упругоподобная аэродинамическая модель и способ ее изготовления (патент РФ №1454646 от 27.06.2012, МПК G01M 9/08).
В которой крыло и оперение представляют собой конструкцию в виде силового сердечника, выполненного в виде профилированной небольшой части наружной верхней поверхности и части профилированной нижней поверхности крыла. К сердечнику на винтах крепится съемная крышка.
Съемная крышка выполняется в виде несущей поверхности, но уже части верхней поверхности крыла или горизонтального оперения. Крышка выполнена из низкомодульного заполнителя типа пенопласта или модельного пластика, обклеенного с наружной и внутренней стороны тканью однонаправленного композита. При этом хорда крышки составляет не менее 50-65% местной хорды, а размах крышки - 70-90% размаха крыла. Внутри крыла установлены Г-образные дренажные трубки, датчики для измерения распределения давления по поверхности модели, а также приводы и дополнительные массы, необходимые для достижения массово-инерционного подобия модели.
Недостатком данной конструкции является то, что данная конструкция является упрощенной и распространяется только на гладкий профиль крыла или оперения, без учета элементов механизации, таких как рули высоты, направления, элероны, закрылки предкрылки, интерцепторы. На этой конструкции невозможно управлять изменением профиля несущих поверхностей.
Наиболее близкой является универсальная аэродинамическая модель и способ ее изготовления, приведенная в патенте РФ №2083967, МПК G01M 9/08, 1994 г. Данная аэродинамическая упругоподобная модель летательного аппарата, состоящая из центрального сердечника в виде каркаса, включающего лонжероны и нервюры крыла, оперения, на которые установлены формообразующие верхняя и нижняя отформованные обшивки. Недостатком данной конструкции является сложная подгонка обшивки к лонжеронам и нервюрам крыла и оперения для точной приклейки по посадочным местам небольшой площади. На этой конструкции невозможно управлять изменением профиля несущих поверхностей, а также устанавливать элементы механизации.
Задача изобретения - создание крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата состоящей из обшивок и сердечников: фюзеляжа, крыла и оперения, на каждом из которых установлены крепежные элементы для монтажа, как всей модели, так и отдельных элементов на одно и то же поддерживающее устройство аэродинамических весов в рабочей части аэродинамической трубы.
Задачей изобретения является создание сборно-разборной конструкции аэродинамической модели, имеющей внешнюю поверхность геометрически-подобную с исследуемым перспективным летательным аппаратом.
Технический результат заключается в возможности управления многочисленными элементами механизации крупноразмерной аэродинамической модели в процессе аэродинамического эксперимента, повышенной прочности конструкции и повышении точности моделирования геометрических обводов модели.
Технический результат достигается тем, что крупноразмерная аэродинамическая модель летательного аппарата, состоящая из фюзеляжа, крыла, хвостового оперения и обшивки, отличающаяся тем, что состоит из соединенных между собой сердечников фюзеляжа, крыла с подвижной механизацией, подвижного хвостового оперения с закрепленными на них шпангоутами, продольными элементами и плоскими профилированными элементами, повторяющими внутренний контур обшивки, причем сердечники центральной части крыла и оперения соединяются с сердечником фюзеляжа с помощью крепежных элементов, позволяющих при необходимости изменять место положения крыла и оперения относительно фюзеляжа, кроме того сердечник фюзеляжа содержит крепежные элементы для монтажа модели на аэродинамических весах, а сердечники крыла и оперения выполнены таким образом, что их массы соответствуют массам исследуемого летательного аппарата и его центровочным характеристикам.
Технический результат достигается тем, что в крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата сердечник фюзеляжа может быть как неразборным, например, сварным, так и разборным, состоящим из отдельных деталей и сборочных узлов.
Технический результат достигается также тем, что крупноразмерной аэродинамической моделью летательного аппарата управляют, как механически, так и с помощью рулевых машинок, расположенных внутри крыла, вертикального и горизонтального оперения, позволяющих управлять отклонением, механизации крыла и хвостового оперения при помощи электрических сигналов по электрическим проводам, как от центрального управляющего устройства, расположенного внутри, например, фюзеляжа, так и от местного управляющего устройства, расположенного внутри крыла, горизонтального или вертикального оперения,
Технический результат достигается также тем, что в крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата внутри сердечника фюзеляжа расположены механические редукторы, соединенные тросами через систему блоков, позволяющие в ручном режиме отклонять, например, элероны, закрылки, руль направления и руль высоты на различные углы.
Технический результат достигается также тем, что в крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата отдельные части модели могут быть отстыкованы и использованы, как самостоятельные модели фюзеляжа, крыла, хвостового оперения.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата съемные части обшивки, например, фюзеляжа, используют как технологические окна для доступа к внутреннему пространству модели.
Технический результат достигается также тем, что в крупноразмерной аэродинамической модели летательного аппарата в соответствующих местах крыла установлены специальные грузы, имитирующие различный вес бензобаков с топливом.
Фиг. 1 Общий вид крупноразмерной аэродинамической модели.
Фиг. 2 Конструкция сердечников фюзеляжа, крыла и вертикального оперения.
Фиг. 3 Установка обшивок фюзеляжа, крыла, оперения.
Фиг. 4 Отделяемая часть крыла.
Фиг. 5 Принципиальная схема хвостового оперения.
Фиг. 6 Принципиальная схема управления элементами механизации крыла с помощью рулевых машинок.
Фиг. 7 Принципиальная схема управления элементами механизации крыла с помощью тросов и механических редукторов.
Фиг. 8 Принципиальная схема управления рулями высоты и рулем направления с помощью тросов и механических редукторов.
Фиг. 9 Схема установки фюзеляжа без крыла и оперения на опоры аэродинамических весов.
Фиг. 10 Схема установки крыла на опоры аэродинамических весов.
Фиг. 11 Схема установки оперения на опоры аэродинамических весов.
Крупноразмерная аэродинамическая модель летательного аппарата состоит из носовой части фюзеляжа 1, центральной части фюзеляжа 2 и хвостовой части фюзеляжа 3, крыла 4, оперения 5, сердечника фюзеляжа 6 с крепежными узлами 7 и 8. Благодаря крепежным узлам 7 и 8 аэродинамическая модель может шарнирно устанавливаться на опоры поддерживающего устройства аэродинамических весов в рабочей части аэродинамической трубы (Фиг. 1).
Сердечник фюзеляжа 6 выполняется в виде ферменной конструкции и может быть как, разборным (на болтах), так и неразборным (с помощью сварки). Размеры сердечника фюзеляжа выбирают такими, чтобы он полностью вписывался во внутренний объем фюзеляжа. К элементам сердечника фюзеляжа крепятся: сердечник 9 крыла и сердечник 10 вертикального оперения (Фиг. 2). При необходимости к сердечнику фюзеляжа может крепиться сердечник горизонтального оперения.
Распределение масс деталей сердечника фюзеляжа выбирается таким, чтобы обеспечить необходимое весовое соответствие и центровку крупноразмерной аэродинамической модели исследуемому летательному аппарату. Это достигается использованием элементов ферменной конструкции различного веса.
На верхней, нижней и боковых сторонах сердечника фюзеляжа закрепляются плоские продольные элементы 11 и поперечные шпангоуты 12.
Наружный контур продольных элементов и поперечных шпангоутов выполнен таким образом, что он совпадает с внутренним контуром обшивок фюзеляжа, благодаря чему обшивки надежно закрепляются на продольных элементах и шпангоутах механическим способом, например, с помощью винтов, что позволяет при необходимости снимать одну обшивку и заменять ее на обшивку другой геометрической формы в процессе аэродинамического эксперимента. Что способствует повышению точности моделирования геометрических обводов модели и повышенной прочности конструкции. Снятые в разных местах фюзеляжа обшивки образуют технологические окна, через которые обслуживающий персонал может попасть во внутреннее пространство модели.
Сердечник 9 крыла, может выполняться, например, в виде центроплана с отделяемыми частями и собираться из одного или нескольких лонжеронов и необходимого набора нервюр. Распределение масс деталей сердечника крыла и обшивок аэродинамической модели соответствует исследуемому летательному аппарату.
К правой и левой стороне сердечника крыла крепятся продольные 13 и поперечные 14 профилированные элементы, выполняющие функцию сердечников мотогондол. Эти профилированные элементы, имеют внешний контур, соответствующий внутреннему контуру обшивок мотогондол. В процессе аэродинамических испытаний элементы мотогондол могут быть переставлены в различные места крыла, сняты или заменены мотогондолами, имеющими другую внешнюю геометрию.
К лонжерону сердечника крыла с правой и левой стороны шарнирно крепятся внутренние закрылки 15.
К сердечнику 10 вертикального оперения шарнирным способом крепится руль направления 16.
На внешний контур продольных профилированных элементов и шпангоутов сердечника фюзеляжа устанавливаются секции фюзеляжной обшивки 17 (Фиг. 3). К сердечнику вертикального оперения крепятся обшивки 18. Сердечник крыла сверху и снизу закрывают крыльевые обшивки 19. Продольные и поперечные элементы мотогондол закрываются обшивками 20.
Аналогичным образом выполняются отделяемые части крыла 21, которые крепятся к центроплану крыла (Фиг. 4). В концевой зоне отделяемой части крыла могут быть установлены съемные законцовки 22, отклоняемые внешние закрылки 23 и элероны 24. В специальных нишах устанавливаются механизмы отклонения закрылков и элеронов 25, балансировочные грузы 26 - имитаторы веса топливных баков, закрываемые профилируемыми крышками 27 и 28. Имитация модели по весу, положению центра тяжести достигается установкой в отдельные места, например, в крыло балансировочных грузов.
Горизонтальное оперение (Фиг. 5) выполнено также как и крыло и состоит из сердечника 29, который закрепляется, например, на сердечнике 10 вертикального оперения и обшивок 30. К сердечнику горизонтального оперения шарнирно крепятся рули высоты 31. Отклонение рулей высоты осуществляется с помощью механизма управляемого рулевой машинкой 32 горизонтального оперения.
Отклонение руля направления 16 осуществляется с помощью рулевой машинки 33, установленной на сердечнике 10 вертикального оперения.
Управление элементами механизации крыла может осуществляться с помощью различных механизмов, например, рулевых машинок 34 крыла, соединенных тягами 35 с качалками 36. Качалки 36 передают усилие на тяги 37 и отклоняют внутренние закрылки 15, внешние закрылки 23 и элероны 24 (Фиг. 6).
Все рулевые машинки крупноразмерной аэродинамической модели приводятся в движение электрическими сигналами, поступающими по проводам как от центрального управляющего устройства 38, расположенного внутри, например, фюзеляжа, так и от местного управляющего устройства 39.
Местные управляющие устройства могут располагаться как внутри крыла, так и внутри горизонтального или вертикального оперения. В свою очередь центральное управляющее устройство 38 получает проводное электрическое питание и основные команды от внешнего пульта 40 управления аэродинамической моделью. Внешний пульт 40 располагается вне аэродинамической модели, вблизи рабочей части аэродинамической трубы во время проведения аэродинамического эксперимента.
Таким образом, осуществляется возможность управления многочисленными элементами механизации крупноразмерной аэродинамической модели в процессе аэродинамического эксперимента.
Большое внутреннее пространство крупноразмерной аэродинамической модели позволяет реализовать управление элементами механизации не только с помощью электрических рулевых машинок, но и с помощью механических неэлектрифицированных редукторов. В этом случае управление механизацией крыла может осуществляться с помощью соединенных качалками с элементами механизации тросов 41, проходящих внутри крыла через блоки 42 и заканчивающихя внутри сердечника фюзеляжа на механических редукторах 43 (Фиг. 7). Как правило, блоки могут быть закреплены на фермах сердечника фюзеляжа, крыла, оперения.
Управление рулями высоты и рулем направления также может быть реализовано с помощью тросов 41, блоков 42 и механических редукторов 43 (Фиг. 8).
Доступ управляющего персонала в фюзеляж крупноразмерной аэродинамической модели к обслуживанию механических редукторов осуществляется через технологические окна, образованные снятыми небольшими секциями обшивки.
Для проведения аэродинамических испытаний изолированного (без крыла и оперения) фюзеляжа (Фиг. 9) вместо крыла и оперения устанавливают обтекаемые обшивки 44 и 45.
Для проведения аэродинамических испытаний изолированного крыла (Фиг. 10) на крыле устанавливаются продольная обтекаемая балка 46 и кронштейны 47. Продольная балка и кронштейны соединяются с поддерживающими опорами аэродинамических весов рабочей части аэродинамической трубы. Благодаря изменению угла наклона продольной балки относительно горизонтальной плоскости, можно изменять угол атаки крыла относительно воздушного потока, а благодаря повороту и изменению длины двух передних опор аэродинамических весов можно разворачивать крыло относительно вертикальной оси и создавать необходимые крены.
Для проведения аэродинамических испытаний изолированного вертикального и горизонтального оперения (Фиг. 11) на сердечник вертикального оперения устанавливается передний обтекатель 48 и передняя поперечная обтекаемая балка 49. Передняя поперечная обтекаемая балка соединяется с поддерживающими опорами аэродинамических весов рабочей части аэродинамической трубы. В хвостовой части вертикального оперения устанавливается обтекаемая продольная балка 50, которая также как и поперечная балка соединяется с поддерживающей опорой аэродинамических весов рабочей части аэродинамической трубы.
Таким образом заявленная крупноразмерная аэродинамическая модель позволяет реализовать испытания в аэродинамической трубе как модели самолета в целом, так и изолированного фюзеляжа, изолированного крыла, изолированного оперения, благодаря наличию крепежных узлов между крылом, фюзеляжем и оперением и наличию дополнительных крепежных узлов, установленных на каждом из элементов, для их монтажа на опоры поддерживающего устройства аэродинамических весов в рабочей части аэродинамической трубы.
Подобная конструкция крупноразмерной аэродинамической модели сокращает время на подготовку соответствующего варианта компоновки для аэродинамических испытаний.