УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИ В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
DEVICE FOR MODEL POSITION CHANGING IN WORKING PART OF WIND TUNNEL

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к устройствам для изменения положения испытываемой модели в рабочей части аэродинамической трубы.
Известны устройства для изменения положения модели в рабочей части аэродинамической трубы, содержащие узел крепления державки для установки модели, который посредством пилона соединен с кареткой, взаимодействующей с приводом и направляющими в виде сегмента окружности, обеспечивающими перемещение каретки и поворот державки модели в требуемом диапазоне углов в вертикальной плоскости - плоскости углов атаки модели α, причем указанные направляющие снабжены дополнительными приводами и направляющими для обеспечения продольного (по направлению потока - оси x) и вертикального (по оси y) перемещений пилона и державки модели и их поворота вокруг вертикальной оси - в плоскости углов скольжения β (см., например, В.А. Козловский, А.П. Косенко, В.И. Лагутин и др. Модернизация трансзвуковой аэродинамической трубы переменной плотности У-21. Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИмаш, 2016, вып. 5 (90)).
Недостатком устройств такого типа является их сложность, громоздкость и значительная масса. Кроме того, задание углов β путем поворота пилона вокруг вертикальной оси приводит к нежелательному дополнительному загромождению потока в рабочей части аэродинамической трубы.
Известно устройство для изменения положения модели в рабочей части аэродинамической трубы (см. авт. свид. №636952, 1977 г., МПК G01M 9/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее узел крепления державки для установки модели и три стойки, соединенные с одной стороны с шарнирами, установленными в двух точках, разнесенных по длине узла крепления державки, а с другой стороны - с тремя шарнирами, установленными на ползунах, размещенных на закрепленной в рабочей части продольной направляющей и взаимодействующих с автономными приводами.
Устройство обладает небольшой массой и обеспечивает изменение положений модели по осям x, y и углу атаки α.
Его недостатком является малая жесткость устройства в боковом (нормальном к плоскости углов атаки модели) и вертикальном направлениях (при больших углах атаки модели, когда точка крайнего шарнира на узле крепления державки значительно отклоняется от среднего положения и требуется значительное удлинение или укорочение связанных с этой точкой стоек (в зависимости от направления угла атаки α), приводящее к снижению жесткости. Кроме того, в этом устройстве не обеспечена возможность изменения положения модели по углу скольжения β.
Задачами, на решение которых направлено данное предложение, являются повышение жесткости устройства для задания положения модели в рабочей части аэродинамической трубы (и точности позиционирования модели) и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат, который достигается данным предложением, заключается в создании простого в управлении механизма повышенной жесткости, обеспечивающего задание испытываемой модели в рабочей части аэродинамической трубы линейных положений по вертикальной y и продольной x осям и угловых положений по углам атаки α и крена ϕ (эквивалентных требуемым угловым положениям по углам атаки α и скольжения β и не связанных с дополнительным загромождением потока в рабочей части аэродинамической трубы).
Этот результат достигается тем, что известное устройство, выбранное в качестве прототипа и содержащее узел крепления державки для установки модели и три стойки, соединенные с одной стороны с шарнирами, установленными в двух точках, разнесенных по длине узла крепления державки, а с другой стороны - с тремя шарнирами, установленными на ползунах, размещенных на закрепленной в рабочей части продольной направляющей и взаимодействующих с автономными приводами, снабжено дополнительной направляющей, установленной в рабочей части симметрично относительно вертикальной плоскости к основной, с дополнительными тремя ползунами и установленными на них дополнительными шарнирами, дополнительными шарнирами в двух точках на узле крепления державки, симметричными относительно вертикальной плоскости к основным, и дополнительными тремя стойками, соединяющими соответствующие дополнительные шарниры на узле крепления державки и ползунах, при этом соответствующие пары основных и дополнительных ползунов соединены перпендикулярными к вертикальной плоскости каретками, взаимодействующими с автономными приводами, основной и дополнительный шарниры, размещенные на хвостовой части узла крепления державки, смещены по вертикали относительно продольной оси узла крепления державки на расстояние, соответствующее ее максимальному повороту в вертикальной плоскости, части стоек, размещаемые в потоке аэродинамической трубы, выполнены обтекаемой формы, а части стоек, находящиеся вне потока и размещенные на одинаковых каретках, соединены перемычками.
В варианте исполнения устройства части стоек, находящиеся вне потока, размещены в плоскостях, параллельных вертикальной, выполнены с возможностью изменения длины относительно шарниров, установленных на ползунах, и снабжены механизмами с приводами, обеспечивающими такое изменение длины.
В дополнительном варианте этот результат достигается тем, что державка соединена с узлом ее крепления с возможностью поворота державки и модели вокруг продольной оси и снабжена механизмом такого поворота.
Сущность предложения заключается в обеспечении повышенной боковой жесткости за счет введения дополнительных стоек и образования управляемой жесткой структуры ферменного типа. При этом конструкция - легкая и простая, а обеспечение расширения функциональных возможностей устройства путем введения механизма задания угла крена модели не связано с дополнительным загроможденим потока в рабочей части аэродинамической трубы.
На фиг. 1-3 показан общий вид устройства для изменения положения модели в рабочей части аэродинамической трубы в различных конфигурациях: вне потока - фиг. 1; в потоке аэродинамической трубы при угле атаки α=0 - фиг. 2; в потоке аэродинамической трубы при максимальном угле атаки α=max - фиг. 3. На фиг. 4 представлен вид устройства сзади. На фиг. 5 показано типовое поперечное сечение стоек устройства, находящихся в потоке аэродинамической трубы; на фиг. 6 - продольный разрез варианта узла крепления модели.
Устройство размещается в рабочей части 1 аэродинамической трубы между соплом 2 и диффузором 3 и содержит узел крепления 4 державки 5, на которой устанавливается испытываемая модель 6. Узел крепления 4 с помощью трех основных 7 и трех дополнительных 8 стоек (элементы, указанные на фиг. 1 цифрами в скобках, находятся за основными) и основных 9 и дополнительных 10 шарниров, установленных симметрично в вертикальной плоскости на узле крепления державки в двух точках, разнесенных по его длине, соединен с основными 11 и дополнительными 12 шарнирами, установленными на основных 13 и дополнительных 14 ползунах, размещенных на основной 15 и дополнительной 16 направляющих, закрепленных в рабочей части 1 аэродинамической трубы параллельно оси сопла 2 вне границ рабочего потока симметрично вертикальной плоскости рабочей части. Соответствующие пары основных 13 и дополнительных 14 ползунов соединены между собой с помощью кареток 17, взаимодействующих с автономными приводами 18 их продольного перемещения по направляющим 15 и 16. Основной и дополнительный шарниры 9 и 10, размещенные на хвостовой части узла крепления 4 державки, смещены по вертикали относительно продольной оси узла крепления и державки на расстояние, соответствующее ее максимальному повороту в вертикальной плоскости. Части стоек 7 и 8, размещаемые в потоке аэродинамической трубы, выполнены обтекаемой формы 19 (фиг. 5), а их части, находящиеся вне потока и размещенные на одинаковых каретках, соединены жесткими перемычками 20.
В варианте исполнения устройства части стоек 7 и 8, находящиеся вне потока, размещены в плоскостях, параллельных вертикальной (фиг. 4), и выполнены с возможностью перемещения относительно соответствующих шарниров 11 и 12 (с целью изменения эффективной длины стоек), установленных на ползунах 13 и 14, при этом устройство снабжено механизмами и приводами 21 такого изменения длины стоек.
В другом варианте исполнения устройства державка 5 для установки испытываемой модели размещена в узле крепления 4 с помощью подшипников 22 (фиг. 6), обеспечивающих возможность ее поворота вокруг продольной оси и снабжена управляемым приводом 23 осевого поворота державки для задания требуемого угла крена ϕ испытываемой модели 6.
Работа устройства осуществляется с помощью программно-управляемых приводов 18, 21 и 23 следующим образом.
Перед началом испытаний в аэродинамической трубе устройство с установленной на нем испытываемой моделью 6 находится в рабочей части аэродинамической трубы в положении α=0 - фиг. 1, при этом во время запуска и выхода аэродинамической трубы на расчетный режим модель изолирована от воздействия рабочего потока из сопла 2 и пусковых перегрузок.
Далее производят перемещение модели в поток. Для этого (по основному варианту предлагаемого технического решения) производят с помощью автономных приводов 18 синхронное программно-управляемое перемещение двух передних кареток 17 по направляющим 15 и 16 навстречу друг другу, а задней - вперед по направлению к соплу. При этом соответствующие стойки 7 и 8 воздействуют на узел крепления 4 державки, обеспечивая его подъем и перевод устройства и испытываемой модели в положение α=0 - фиг. 2.
Задание державке 5 и модели 6 требуемых углов атаки α (при фиксированном положении оси вращения модели, обусловленном местом расположения оптических окон в стенках рабочей части для регистрации картин обтекания модели) и положений вдоль осей x и y осуществляют соответствующим программно-управляемым смещением кареток 17 по направляющим 15 (16) с помощью автономных приводов 18. Показанное на фиг. 3 положение соответствует максимальному значению угла атаки α=max. В рассматриваемой конструкции предусмотрена возможность задания значения минимального угла атаки α, немного отличающегося от нулевого (~ - 5°); при необходимости полный диапазон отрицательных углов атаки α=min модели 6 может быть обеспечен ее поворотом на угол ϕ=180° в положении α=max. При этом для основного варианта предложенного технического решения (при неизменяемой длине стоек) положение ползунов 13(14) отмечено одной звездочкой *, а при использовании дополнительного варианта (с укорочением длины стоек 7 (8)) - двумя звездочками **. Очевидно, что при укорочении стоек 7 (8) реализуется более жесткая структура устройства, которую можно использовать и в начальном положении устройства (фиг. 1), при этом ввод модели в поток может осуществляться быстрее при совместной работе управляемых приводов 18 и 21.
Задание державке 5 и модели 6 требуемых углов крена ϕ осуществляется с помощью привода 23 в любом из положений модели по x, y и углу атаки α.
Перед сходом с режима аэродинамической трубы устройство соответствующим программно-управляемым смещением кареток 17 возвращают в положение фиг. 2 (при положении модели α=0), а затем переводят в исходное положение, фиг. 1, вне потока аэродинамической трубы.
Таким образом, разработанная конструкция устройства обеспечивает расширенные функциональные возможности при существенном повышении его жесткости и, как следствие, точность позиционирования испытываемой модели.