МЕТАТЕЛЬНЫЙ СНАРЯД ДЛЯ ИМИТАЦИИ СТОЛКНОВЕНИЯ С ПТИЦЕЙ
PROJECTILE FOR SIMULATING BIRD STRIKE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к метательному снаряду для имитации столкновений с птицами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Явление, при котором птица сталкивается с самолетом или втягивается в двигатель во время взлета или посадки, а именно столкновение с птицей, приводит к серьезным воздействиям на самолет. Для оценки надежности/безопасности при столкновениях с птицами использовались испытания, при которых тушки умерщвленных птиц выталкиваются посредством давления газа на компоненты корпуса самолета или компоненты двигателя. Несмотря на то, что данные испытания по-прежнему имеют важное значение в качестве заключительной оценки надежности, они могут быть связаны с моральной проблемой, и, следовательно, они вряд ли будут использоваться в качестве регулярно выполняемых испытаний, используемых для разрабатываемых компонентов.
В качестве альтернативы предложено испытание, в котором используется имитирующий метательный снаряд, выполненный из гелеобразного или желеобразного материала. В качестве формы метательного снаряда используется столбец или тело вращения эллипса, аналогичное столбцу. В патентном документе 1 раскрыт предшествующий уровень техники.
Перечень ссылочных документов
Патентные документы
Патентный документ 1: Международная публикация № WO 2010/018107
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Испытания посредством имитирующих метательных снарядов являются чрезвычайно полезными для тестирования компонентов носовой части самолета, таких как передние края крыльев или вентилятор двигателя, с которыми птицы могут непосредственно сталкиваться. Однако в соответствии с исследованиями, выполненными авторами настоящего изобретения, в которых рассматриваются случаи, в которых птицы сталкиваются с компонентами, расположенными за данными компонентами, такими как выходной направляющий аппарат, расположенный за вентилятором двигателя, или компрессор низкого давления, обнаружено, что профили нагрузки непосредственно после столкновений «превышают» реальные условия, и, следовательно, подобные испытания являются испытаниями в слишком тяжелых условиях.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Настоящее изобретение было сделано с учетом вышеупомянутой проблемы и предназначено для создания метательного снаряда, обеспечивающего возможность имитации столкновения с птицей, которая является корректной даже для компонента, не имеющего прямого столкновения с птицей, такого как выходной направляющий аппарат или компрессор низкого давления.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения метательный снаряд для имитации столкновения с птицей, состоит из объемного тела с контуром столбчатой формы, имеющего передний конец и задний конец, отверстие, открытое на переднем конце, и полость, удлиненную от отверстия к заднему концу, которое выполнено из гелеобразного или желеобразного материала.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Разработан метательный снаряд, обеспечивающий возможность имитации столкновения с птицей, которая является корректной даже для компонента, не имеющего непосредственного столкновения с птицей, такого как выходной направляющий аппарат или компрессор низкого давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию кривых, показывающих профили нагрузки непосредственно после столкновений.
Фиг.2А представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с первым сравнительным примером.
Фиг.2В представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии со вторым сравнительным примером.
Фиг.3А представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3В представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с модифицированным примером данного варианта осуществления.
Фиг.3С представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с другим модифицированным примером данного варианта осуществления.
Фиг.4А представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4В представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с модифицированным примером данного варианта осуществления.
Фиг.4С представляет собой горизонтальное сечение метательного снаряда в соответствии с другим модифицированным примером данного варианта осуществления.
Фиг.5А представляет собой вертикальный вид, схематически показывающий состояние непосредственно перед выстреливанием метательного снаряда.
Фиг.5В представляет собой вертикальный вид, схематически показывающий состояние, в котором метательный снаряд был выстрелен.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенные в качестве примера варианты осуществления будут описаны в дальнейшем со ссылкой на приложенные чертежи. В частности, отмечается, что данные чертежи не всегда начерчены точно в масштабе, и, следовательно, соотношения размеров между элементами не ограничены теми, которые показаны на данных чертежах. Кроме того, несмотря на то, что направления, в которых выстреливают метательный снаряд, начерчены как направления вправо на фиг.2А-5В, это не ограничивает изобретение.
Как уже описано, когда столкновение с птицей происходит у компонента, обращенного вперед в самолете, такого как вентилятор двигателя, все тело птицы сталкивается с ним. Поскольку вентилятор вращается с высокой скоростью, тело птицы измельчается в куски малого размера. Данные куски малого размера вместе с воздушным потоком, создаваемым вентилятором, втягиваются в двигатель или в канал наружного контура и затем вызывают вторичные столкновения с такими компонентами, как выходной направляющий аппарат.
Когда весь процесс, подобный описанному выше, анализируют методами численного анализа посредством общеизвестного метода частиц, и рассчитанные профили нагрузки, действующей на выходной направляющий аппарат, преобразуют в график, линия s, начерченная на фиг.1, схематически показывает пример этого. На фиг.1 горизонтальная ось показывает истекшее время, и вертикальная ось показывает нагрузку L. Таким образом, увеличение нагрузки непосредственно после столкновения является сравнительно медленным, и максимальная нагрузка, подвергающаяся некоторым колебаниям, продолжает действовать в течение сравнительно продолжительного времени.
С другой стороны, при ударе имитирующего метательного снаряда нагрузка, действующая на объект удара, может быть рассчитана посредством следующего уравнения (1).
F ∝ ρ × A × v
2
- (1),
ρ
A
v
где  представляет собой плотность метательного снаряда,  представляет собой площадь поперечного сечения на поверхности, перпендикулярной к направлению движения метательного снаряда, и  представляет собой скорость. Время, в течение которого нагрузка будет приложена, может быть рассчитано посредством следующего уравнения (2).
t = L/v
- (2),
L
где  представляет собой длину метательного снаряда.
A
v
Когда метательный снаряд сталкивается, его передний конец сначала входит в контакт с объектом удара, и его масса затем «накладывается» на данный объект, и после этого передний конец и последующие части последовательно сминаются, и данные массы затем накладываются на объект. В том случае, когда метательный снаряд выполнен в виде столбца или имеет форму, аналогичную столбцу, площади  поперечных сечений являются постоянными от переднего конца до заднего конца. Кроме того, скорость  непосредственно после столкновения также является сравнительно большой. Следовательно, из уравнения (1) понятно то, что сравнительно большая нагрузка будет приложена к объекту удара с самого начального этапа непосредственно после столкновения. В частности, очевидно, что увеличение нагрузки непосредственно после столкновения становится более резким. Следовательно, обычное испытание, в котором используется метательный снаряд столбчатой формы или формы, аналогичной столбчатой форме, рассматривается как испытание выходного направляющего аппарата или компрессора низкого давления при столкновении/ударе, выполняемое в слишком тяжелых условиях.
Авторы настоящего изобретения выполнили исследования, подобные описанным ниже, в отношении формы метательного снаряда, который может в достаточной степени имитировать столкновение с компонентами, расположенными за вентилятором.
A
ρ
Из уравнения (1) можно с легкостью понять, что уменьшение площади  поперечного сечения на переднем конце метательного снаряда приводит к замедлению увеличения нагрузки непосредственно после столкновения. Далее был рассмотрен случай, когда метательный снаряд 1, подобный показанному на фиг.2А, сталкивается с объектом. Метательный снаряд 1 состоит из основного тела 3 столбчатой формы и из сужающейся части 5 конической формы, которая сужается к ее переднему концу. Предполагается, что угол при вершине сужающейся части 5 составляет 90 градусов и ее плотность  равна плотности желатина. Численные анализ, аналогичный описанному выше и выполненный на основе данного допущения, дает профиль нагрузки, описываемый линией b на фиг.1. Несмотря на то, что по сравнению со столбчатым метательным снарядом увеличение нагрузки непосредственно после столкновения является более умеренным и линия b до некоторой степени приближается к линии s, понятно, что степень увеличения нагрузки непосредственно после столкновения по-прежнему является слишком большой.
ρ
Далее был рассмотрен метательный снаряд 1’, подобный показанному на фиг.2В. Метательный снаряд 1’ состоит из основного тела, более короткого, чем основное тело метательного снаряда 1, и из более длинной сужающейся части 5’, при этом плотность  метательного снаряда 1’ равна плотности метательного снаряда 1. Аналогичный численный анализ дает профиль нагрузки, описываемый линией а на фиг.1. Увеличение нагрузки непосредственно после столкновения чрезмерно замедлилось, и оно не приближается к линии s.
Даже если были бы найдены варианты, промежуточные между примером по фиг.2А и примером по фиг.2В, или были бы проверены любой диаметр и любая общая длина их, никакой из данных результатов не мог бы обеспечить линию, приближающуюся к линии s.
Причины получения данных результатов можно рассмотреть следующим образом. Несмотря на то, что сужающаяся форма может уменьшить площадь поперечного сечения на самом переднем конце, профиль нагрузки ограничен кривой второго порядка. Таким образом, увеличение нагрузки непосредственно после столкновения чрезмерно замедляется.
В частности, исследования, выполненные авторами настоящего изобретения, показали, что изменения контура метательного снаряда в диапазоне сужающихся форм не могут обеспечить достаточного приближения к линии s в отношении как увеличения нагрузки непосредственно после столкновения, так и продолжительности действия нагрузки.
В свою очередь, если контур метательного снаряда «отклоняется» от столбчатой формы, это приводит к затруднениям при обеспечении опоры со стороны поддона во время выстреливания, как описано далее. Предпочтительны контуры, аналогичные столбчатому, или любая надлежащая форма, соответственно разработанная для удобства выстреливания.
На основе исследований, подобных описанным выше, разработан метательный снаряд 10 по представленному варианту осуществления, который, как показано на фиг.3А, представляет собой объемное тело 13 с контуром столбчатой формы, имеющее передний конец и задний конец, отверстие, открытое на переднем конце, и полость 15, удлиненную от отверстия к заднему концу. Объемное тело 13 выполнено из гелеобразного или желеобразного материала.
Контур может быть выполнен, например, столбчатым. Как уже описано, столбчатая форма является предпочтительной с точки зрения обеспечения опоры посредством поддона. Само собой разумеется, контур может иметь любую другую форму, например, призматическую, соответственно разработанную для удобства выстреливания. Задний конец объемного тела 13 может быть выполнен в виде поверхности, перпендикулярной его осевому направлению или может быть полусферическим или любой другой формы, приспособленной для выстреливания.
Полость 15 выполнена, например, с сужающейся формой, сужающейся к заднему концу. Сечения объемного тела 13 от переднего конца до заднего конца полости 15 представляют собой кольцеобразные конфигурации вследствие того, что сплошные участки остаются только вокруг круглого контура. Данная форма может обеспечить уменьшение площади поперечного сечения вокруг самого переднего конца, но сохранение в значительной степени общего объема.
Кроме того, сужающаяся форма, подобная описанной выше, может представлять собой конус. Или же она может представлять собой пирамиду. Сужающаяся форма может быть определена в соответствии с общей формой объемного тела 13.
Все объемное тело 13 выполнено из гелеобразного или желеобразного материала. Примером такого материала является желатин. Поскольку желатин имеет плотность, близкую к плотности мышц птиц, и также аналогичен им по вязкоупругости, он является подходящим в качестве материала для метательного снаряда. Объемное тело 13 может в целом иметь одинаковую плотность или в альтернативном варианте может иметь градиент плотности.
Если отверстие оставить открытым, зона вблизи отверстия может легко разрушаться при выстреливании или ударе метательного снаряда 10. Таким образом, как показано на фиг.3В, отверстие может быть закрыто опорным элементом 17. Кроме того, как показано на фиг.3С, опорный элемент 17’ может простираться по существу на всей длине полости 15. Опорные элементы 17, 17’ предотвращают деформацию зоны вблизи отверстия. Для опорного элемента 17 или 17’ предпочтительно применяется материал, имеющий более низкую плотность по сравнению с материалом для объемного тела 13 и надлежащую жесткость. В качестве примера подобного материала можно привести смолу, такую как пенополиуретан.
Могут быть возможными различные модификации формы полости 15. Полость 15’ может проходить, например, на по существу всей длине объемного тела 13, как показано на фиг.4А, или, напротив, может быть ограничено ограниченным интервалом в зоне его переднего конца. Чем длиннее полость, тем более замедленным/умеренным становится увеличение нагрузки непосредственно после столкновения. Длина полости может быть определена в зависимости от предпочтительного профиля нагрузки.
В альтернативном варианте подобно полости 15s, показанной на фиг.4В, диаметр полости может быть постоянным на всей длине, или полость может быть выполнена с формой, аналогичной показанной. Для глухого конца полости может быть применена полусферическая форма 15b или любая другая форма. Данные формы могут обеспечивать различные профили нагрузки, которые имеют нелинейное или многоступенчатое увеличение нагрузки непосредственно после столкновения.
В дополнительном альтернативном варианте для полости может быть применена любая более сложная форма, подобная форме полости 15с, показанной на фиг.4С. Кроме того, плотность не ограничена однородной плотностью, и может быть создан любой градиент плотности. Соответствующие комбинации форм и градиентов плотности обеспечивают возможность создания различных профилей нагрузки.
Численный анализ, базирующийся на примере, показанном на фиг.3А, который аналогичен описанным выше, обеспечивает получение профиля нагрузки, описываемого линией с на фиг.1. На линии с участок, соответствующий увеличению нагрузки непосредственно после столкновения, и плоский участок, на котором нагрузка сохраняется по существу постоянной, являются сравнительно хорошими с точки зрения качества приближения к линии s. Данные участки на кривой профиля нагрузки представляют собой наиболее важные участки с точки зрения качества имитации столкновения. Поскольку качество аппроксимации является довольно хорошим на данных участках, метательный снаряд по представленному варианту осуществления может быть признан обеспечивающим возможность имитации ударов птиц по компоненту, не имеющему непосредственного столкновения с птицей, такому как выходной направляющий аппарат или компрессор низкого давления.
Выстреливание метательного снаряда 10 по представленному варианту осуществления обеспечивают посредством газовой пушки 100, подобной показанной на фиг.5А и 5В.
Газовая пушка 100, как правило, состоит из основного элемента 102 в виде столбца, открытого на его переднем конце, и поддона 104, загруженного в его внутреннюю часть. Поддон 104 имеет вогнутость, например, столбчатой формы, в которую загружают метательный снаряд 10. Пространство внутри основного элемента 102 и с задней стороны поддона 104 заполняют сжатым газом. Кроме того, газовая пушка 100 состоит из фиксирующего средства, предназначенного для временного удерживания поддона 104 в исходном положении, показанном на фиг.5А, и, кроме того, из стопорного средства, предназначенного для предотвращения выхода поддона 104 из переднего конца.
Газовую пушку 100, заряженную метательным снарядом 10, и образец 110 для испытаний полностью вводят в вакуумную камеру и размещают под вакуумом, составляющим несколько десятков Па. В альтернативном варианте испытание может проводиться в условиях, более близких к атмосферному давлению. Поскольку сопротивление воздуха может быть заметно уменьшено в состоянии сниженного давления, выстреливание с высокой скоростью, близкой к дозвуковым скоростям, может быть легко обеспечено, и деформацию метательного снаряда, обусловленную сопротивлением воздуха, можно проигнорировать.
При данном состоянии фиксирующее средство «отпускают», и после этого поддон 104 ускоряется под действием давления сжатого газа. Поскольку стопорное средство останавливает поддон 104 у переднего конца газовой пушки 100, метательный снаряд 10 сам по себе выстреливается из нее.
Выстреленный метательный снаряд 10 сталкивается с образцом 110 для испытаний, как показано на фиг.5В.
Поскольку метательный снаряд 10 имеет столбчатый контур, приспособленный для обеспечения опоры посредством вогнутой части поддона 104, он пригоден для выстреливания посредством газовой пушки. Кроме того, поскольку метательный снаряд 10 имеет полость 15 в его внутренней части, профиль сечения регулируется так, чтобы обеспечить возможность хорошей имитации столкновений с птицами, соответствующей компоненту, не имеющему прямого столкновения с птицей, такому как выходной направляющий аппарат или компрессор низкого давления.
Несмотря на то, что изобретение было описано выше путем ссылки на некоторые варианты осуществления изобретения, изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше. Модификации и изменения вариантов осуществления, описанных выше, будут очевидны специалистам в данной области техники в свете вышеприведенных идей.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложен метательный снаряд, обеспечивающий возможность такой имитации столкновения с птицей, которая соответствует даже компоненту, не имеющему непосредственного столкновения с птицей, такому как выходной направляющий аппарат или компрессор низкого давления.