УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК НА ОТКЛОНЯЕМЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ОРГАНАХ УПРАВЛЕНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности, к устройствам для определения нагрузок на отклоняемых аэродинамических органах управления (щитках, рулях, элеронах и т.п.) и может быть использовано для определения аэродинамических характеристик органов управления летательных аппаратов (ЛА) при испытаниях их моделей в аэродинамических трубах.
st
Известно устройство для определения нагрузок на отклоняемых аэродинамических органах управления (см. Roberts P.W. NASA Langley Research Center Force and Strain Measurement Capabilities. Proceedings of the 1 International Symposium on Strain-Gage Balances, NASA/CP 1999-209101, USA, 2000, pp. 108, 109), содержащее адаптер для крепления органа управления, шарнирно соединенный с тензодинамометром в виде двух перпендикулярных к оси шарнира упругих балок с установленными на них тензопреобразователями, и средство задания углового положения адаптера.
Недостатком устройства является ограниченная информативность его динамометрической системы, обеспечивающей измерение только трех компонент нагрузки, и сложность эксплуатации.
Известно устройство для определения нагрузок на отклоняемых аэродинамических органах управления (см. Кажичкин С.В., Лацоев К.Ф., Левицкий А.В. Подвижные тензометрические весы для системы дистанционного управления рулевой поверхностью. Материалы 3-й отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов, ЦАГИ, г. Жуковский, 5-6 июня 2018 г., сс. 503-507), содержащее орган управления (элерон), тензодинамометр, выполненный в виде последовательно соединенных силовводящего элемента для крепления органа управления, упругого измерительного элемента с размещенными на нем тензопреобразователями для измерения шарнирного момента и хвостовика для связи с корпусом модели (крылом), и механизм задания углового положения органа управления относительно корпуса модели.
Это устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому предложению и выбрано в качестве прототипа.
Его недостатком также является малая информативность динамометрической системы: из-за шарнирной связи органа управления с крылом обеспечивается возможность измерения только шарнирного момента органа управления. Измерительный элемент находится на поворотной части устройства, что приводит к некоторым сложностям его эксплуатации. Поворотный механизм с элементами, выходящими в обтекающий поток, может применяться только при испытаниях моделей ЛА ограниченного типа.
Задачей, на решение которой направлено данное предложение, является повышение информативности и удобства применения устройства.
Технический результат, который достигается данным предложением, заключается в обеспечении измерения пяти компонент аэродинамической нагрузки на орган управления при испытаниях моделей ЛА различного типа и удобства задания углов отклонения органа управления.
Этот результат достигается тем, что в устройстве для определения нагрузок на отклоняемых аэродинамических органах управления, содержащем размещенный по оси поворота тензодинамометр, выполненный в виде последовательно соединенных силовводящего элемента для крепления органа управления, упругого измерительного элемента с размещенными на нем тензопреобразователями для измерения шарнирного момента и хвостовика для взаимодействия с корпусом модели, и механизм задания углового положения органа управления относительно корпуса, силовводящий элемент выполнен с цилиндрической цангой на его торцовой части, взаимодействующей с введенными средствами ее фиксации в продольном и угловых положениях относительно органа управления, при этом упругий измерительный элемент снабжен дополнительными тензопреобразователями для регистрации поперечных сил и изгибающих моментов.
Дополнительно этот результат достигается тем, что в рассмотренном устройстве упругий измерительный элемент выполнен в виде двух секций, первая из которых включает центральную и две периферийные продольные упругие балки, а вторая - два параллелограмма, пары упругих балок которых с поперечными подрезами на их внутренних гранях расположены по продольной оси взаимно перпендикулярно и симметрично, внутренние жесткие поперечные основания размещены в пространстве между парами упругих балок смежного параллелограмма и соединены между собой посредством введенной дополнительной жесткой продольной балки, внешнее основание переднего параллелограмма соединено с указанными упругими балками первой секции, а внешнее основание заднего параллелограмма - с хвостовиком тензоди-намометра, при этом тензопреобразователи установлены на внешних гранях указанных центральной и двух пар упругих балок параллелограммов напротив подрезов и в промежутке между подрезами на боковых гранях.
Сущность предложения заключается в создании удобного средства задания угловых отклонений аэродинамического органа управления и компактной пятикомпонентной динамометрической системы, обеспечивающей определение величины, направления и точки приложения результирующей аэродинамической нагрузки на испытываемый орган управления.
На фиг. 1 схематично показан общий вид устройства для определения в аэродинамических трубах нагрузок на отклоняемых аэродинамических органах управления; на фиг. 2 - вид А устройства с торца крыла; на фиг. 3 - укрупненный вид упругого измерительного элемента тензодинамометра; на фиг. 4 - вид сечения Б-Б с фиг. 3; на фиг. 5 - вид сечения В-В с фиг. 3; на фиг. 6-10 - измерительные схемы для регистрации соответствующих компонент нагрузки.
Представленное устройство включает аэродинамический орган управления 1 (например, элерон), установленный на крыле 2 модели ЛА с помощью тензодинамометра, содержащего силовводящий элемент 3 для крепления испытываемого элерона, упругий измерительный элемент 4 и хвостовик 5 для соединения с крылом (корпусом) модели ЛА. Упругий измерительный элемент (фиг. 3) выполнен в виде двух секций: первая - включает центральную 6 и две периферийные продольные упругие балки 7 (фиг. 4), вторая - два параллелограмма, пары упругих балок которых 8 и 9 с поперечными подрезами 10 на краях их внутренних граней расположены симметрично относительно продольной оси тензодинамометра и взаимно перпендикулярны (фиг. 5). Внутренние жесткие поперечные основания 11 параллелограммов соединены посредством жесткой дополнительной продольной балки 12 и размещены в пространстве между парами упругих балок смежных параллелограммов. Внешнее основание 13 переднего параллелограмма соединено с указанными центральной 6 и периферийными продольными балками 7. Внешнее основание 14 заднего параллелограмма соединено с хвостовиком 5 тензодинамометра, закрепленном в крыле 2 модели.
Тензопреобразователи R1-R20, установленные на верхней и нижней гранях указанной центральной упругой балки 6, на боковых гранях пар упругих балок 8 и 9 параллелограммов между поперечными подрезами 10 и на их внешних гранях напротив подрезов, соединены в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг. 6-10 для регистрации пяти компонент нагрузки, действующей на элерон 1: двух сил X и Y и трех моментов Мх, My и Mz, действующих вдоль и вокруг соответственных осей системы координат тензодинамометра Ох, Оу и Oz, связанной с моделью ЛА и обозначенной на фиг. 1-3. Нагрузка, вдоль оси вращения элерона Oz (продольной оси тензодинамометра), для рассматриваемой задачи несущественна и не измеряется. Коммуникации измерительных схем динамометрической системы устройства размещены в неподвижном крыле модели ЛА.
Силовводящий элемент 3 размещен в гнезде 15, образованном в теле элерона 1 вдоль оси его поворота. Консольная часть силовводящего элемента 3 выполнена в виде цанги 16, взаимодействующей с поверхностью гнезда 15 и конической головкой винта 17, установленного на резьбе в теле элерона вдоль оси его поворота. Кольцевая проточка 18, выполненная на силовводящем элементе, взаимодействует с поперечными штифтами 19, закрепленными в теле элерона, и исключает возможность движения элерона вдоль оси его поворота относительно силовводящего элемента.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Испытываемую модель ЛА монтируют в рабочей части аэродинамической трубы, ориентируя ее продольную ось Ох по направлению потока, собирают и налаживают измерительные линии компонент аэродинамических сил и моментов тензодинамометра, установленного в крыле модели. Далее задают требуемое угловое положение элерона. Для этого с помощью винта 17 с конической головкой ослабляют цангу 16 и поворачивают элерон 1 по кольцевой проточке 18 на требуемый угол относительно крыла 2, затем с помощью этих же винта и цанги фиксируют элерон в требуемом угловом положении на силовводящем элементе 3. (Надежность фиксации элерона с помощью цанги 16, в т.ч. при повышенных или пониженных температурах эксплуатации, обеспечивается соответствующим подбором материалов органа управления 1, тензодинамометра и винта 17).
Производят запуск аэродинамической трубы, при этом на модель ЛА и элерон 1 воздействует поток воздуха с требуемыми параметрами по давлению, температуре, скорости.
Действующая на элерон аэродинамическая нагрузка через цангу 16 и силовводящий элемент 3 передается на упругие измерительные элементы 4 тензодинамометра, вызывая их деформации и деформации размещенных на них тензопреобразователей R1-R20. При этом в соответствующих измерительных схемах появляются электрические сигналы, пропорциональные величинам действующих компонент нагрузки.
Измерительная схема, образованная из тензопреобразователей R1-R4 (фиг. 6), размещенных на верхней и нижней гранях центральной балки 6, выдает сигнал, пропорциональный величине крутящего момента Mz (шарнирного момента элерона), действующего вокруг продольной оси Oz. Измерительные схемы, образованные из тензопреобразователей R5-R8 и R9-R12 (фиг. 7 и 8), размещенных над подрезами 10 на внешних гранях пар упругих балок 8 и 9 параллелограммов, выдают сигналы, пропорциональные, соответственно, величинам сил X и Y, действующих вдоль осей Ох и Оу. Измерительные схемы тензопреобразователей R13-R16 и R17-R20 (фиг. 9 и 10), размещенных между подрезами 10 на боковых гранях пар упругих балок 8 и 9 параллелограммов, выдают сигналы, пропорциональные, соответственно, величинам моментов Мх и My, действующих вокруг осей Ох и Оу. Отметим, что конструктивные особенности выполнения представленного упругого элемента и расположения тензопреобразователей обеспечивают высокую избирательность измерительной системы (малое взаимное влияние измеряемых компонент нагрузки).
Комплекс полученных данных позволяет определить величину, направление и точку приложения результирующей аэродинамической силы, действующей на аэродинамический орган управления при заданном его положении относительно корпуса модели ЛА.
С помощью описанной процедуры аналогичные измерения могут быть проведены для всех требуемых углов установки элерона и угловых положений модели относительно вектора скорости потока аэродинамической трубы.
Конструктивные особенности пятикомпонентной динамометрической системы, ориентированной соответственно системе координат ЛА: его компактность и малое взаимное влияние измеряемых компонент нагрузки, - обеспечивают повышенную точность результатов измерений, а компактность, простота и доступность размещенного внутри исследуемого органа управления механизма задания его фиксированных угловых положений обеспечивает удобство применения устройства, в т.ч. - при испытаниях моделей небольших размеров.