Система вывешивания динамически подобных моделей летательных аппаратов для аэродинамических труб малых скоростей
SUSPENSION SYSTEM FOR DYNAMICALLY SIMILAR AIRCRAFT MODELS FOR WIND TUNNELS OF LOW SPEEDS

Изобретение относится к области экспериментальной динамической аэроупругости, а именно к экспериментальному определению критической скорости и частоты флаттера динамически подобных моделей летательных аппаратов (ДПМ ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ) малых скоростей с закрытой рабочей частью, в условиях, близких к условиям свободного полета летательного аппарата.
Известна система вывешивания для испытаний ДПМ ЛА в аэродинамических трубах малых скоростей (Авторское свидетельство СССР №126026, кл. G01M 9/00, 1962), содержащая вертикальный трос и два троса, расположенных в горизонтальной плоскости. Все тросы закреплены в АДТ с помощью упругих элементов - витых пружин относительно большой массы, работающих на растяжение-сжатие и способных перемещаться вместе с тросами.
Недостатком этой системы вывешивания является возможность возникновения флаттера на системе вывешивания с участием тонов колебаний ДИМ ЛА как жесткого тела (флаттер на системе вывешивания), а также возможность возникновения колебаний тросов с упругими элементами с частотами, находящимися в диапазоне частот тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА и искажающих эти частоты и формы. Поэтому требуется дополнительное время для анализа данных, полученных при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ малых скоростей и их корректировки с помощью дополнительных работ.
Известна система вывешивания ДПМ ЛА, содержащая два троса, ориентированных в вертикальной и горизонтальной плоскостях и соединенных с ДПМ ЛА посредством прикрепленных к ДПМ ЛА роликов, расположенных вблизи центра тяжести ДПМ ЛА (тросы натянуты системами натяжения) и позволяющих совершать перемещения ДПМ ЛА в указанных выше плоскостях (см. патент 3,276,251 TEST UNIT FREE-FLIGHT SUSPENSION SYSTEM Wilmer H. Reed III, Hampton, Va., assignor to the United States of America as represented by the Administrator of National Aeronautics and Space Administration. Field Sept. 16, 1963, Ser. No. 309, 354, 20 Claims. (C1. 73-147)).
Эта система вывешивания обладает следующими недостатками, проявляющимися во время проведения эксперимента:
1. Возникает дополнительное трение от взаимодействия тросов и роликов, прикрепленных к ДПМ ЛА;
2. ДПМ ЛА во время проведения эксперимента может потерять устойчивость.
Поэтому требуется дополнительное время для анализа данных, полученных при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ в дозвуковом диапазоне скоростей и их корректировки с помощью дополнительных работ.
Известна система вывешивания для испытаний ДПМ ЛА в АДТ в дозвуковом диапазоне скоростей (Патент: СА1083384 (А) - 1980-08-12 DEVICE FOR SUSPENSION OF AIRCRAFT MODEL IN WIND TUNNEL). Эта система вывешивания характеризуется тем, что к двум тросам, ориентированным в вертикальном направлении в плоскости симметрии АДТ, крепится ДПМ ЛА в плоскости своей симметрии, причем первая точка крепления расположена впереди центра тяжести ДПМ ЛА, а вторая - позади центра тяжести ДПМ ЛА. Существует вариант этого устройства вывешивания, в котором присутствуют дополнительно два вертикальных троса, но уже не проходящих через плоскость симметрии АДТ. Во всех вариантах этого типа устройства вывешивания существуют два горизонтальных троса, полностью или частично ориентированных по направлению воздушного потока. Все тросы закреплены в АДТ с помощью упругих элементов, обеспечивающих шесть степеней свободы для ДПМ ЛА в рабочей части АДТ. Упругими элементами являются витые пружины относительно большой массы, работающие на растяжение-сжатие, способные перемещаться вместе с тросами. Это устройство вывешивания позволяет моделировать условия полета для самых разных ДПМ ЛА в дозвуковом диапазоне скоростей и полностью устраняет так называемый флаттер на устройстве вывешивания. Изобретение предназначено для экспериментального исследования флаттерных характеристик ЛА на ДПМ ЛА.
Недостатком этой системы вывешивания (всех четырех вариантов является возможность возникновения тонов колебаний тросов с упругими элементами (пружинами относительно большой массы, работающими на растяжение-сжатие, способными перемещаться вместе с тросами) с частотами, находящимися в диапазоне частот тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА и искажающих частоты и формы тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА. Поэтому требуется дополнительное время для анализа данных, полученных при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ в дозвуковом диапазоне скоростей и их корректировки с помощью дополнительных работ.
В качестве прототипа принята система вывешивания ДПМ ЛА (Авторское свидетельство СССР №614669. Опубликовано 23.03.81). В состав системы вывешивания входят четыре троса. К двум тросам в вертикальной плоскости крепятся витые пружины относительно большой массы (упругие элементы), работающие на растяжение - сжатие, способные перемещаться вместе с тросами, соединенные с опорами, прикрепленными к потолку АДТ посредством лебедок. А другие концы вертикальных тросов прикреплены к динамически подобной модели летательного аппарата. Расстояние каждого из тросов до центра тяжести ДПМ ЛА не меньше радиуса инерции ДПМ ЛА относительно оси, проходящей через тяжести ДПМ ЛА и перпендикулярной вертикальной плоскости, проходящей по оси симметрии ДПМ ЛА. Два троса, расположенные в горизонтальной плоскости и параллельные оси симметрии АДТ, предварительно натянуты пружинами относительно большой массы, (упругими элементами), работающими на растяжение-сжатие, способными перемещаться вместе с тросами, упругие элементы прикреплены к неподвижным основаниям АДТ. Эти тросы закреплены жестко к концам двухплечной качалки, шарнирно закрепленной в носовой части фюзеляжа ДПМ ЛА, и проходят через втулки на концах кронштейнов, закрепленных жестко в хвостовой части фюзеляжа ДПМ ЛА.
Недостатком указанной выше системы вывешивания является возможность возникновения тонов колебаний тросов с упругими элементами с частотами, находящимися в диапазоне частот тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА и искажающих частоты и формы тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА. Поэтому требуется дополнительное время для анализа данных, полученных при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ малых скоростей и их корректировки с помощью дополнительных работ.
Проблема заключается в том, что все имеющиеся системы вывешивания ДПМ ЛА при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ малых скоростей искажают результаты указанных выше испытаний. А для устранения этих искажений требуется дополнительное время для анализа данных, полученных при испытаниях ДПМ ЛА в АДТ малых скоростей и их корректировки с помощью дополнительных работ.
Техническим результатом является обеспечение возможности получения неискаженных результатов испытаний на флаттер ДПМ ЛА за счет пренебрежительно малого влияния (не более 1%) предлагаемой системы вывешивания на частоты и формы упругих колебаний свободной ДПМ ЛА.
Технический результат достигается тем, что в системе вывешивания динамически подобных моделей летательных аппаратов для аэродинамических труб малых скоростей, содержащей два вертикальных, удерживающих динамически подобную модель летательного аппарата в вертикальном направлении троса, один конец каждого из которых соединен с динамически подобной моделью летательного аппарата, а второй - с лебедкой, и устройство горизонтального вывешивания, причем и вертикальные троса и троса из устройства горизонтального вывешивания соединены с опорными поверхностями аэродинамической трубы посредством упругих элементов, опорными поверхностями являются внутренние стенки рабочей части аэродинамической трубы малых скоростей, устройство горизонтального вывешивания состоит из четырех тросов, не параллельных оси симметрии аэродинамической трубы и установленных так, что угол между каждым тросом и осью симметрии аэродинамической трубы находится в интервале от тридцати до шестидесяти градусов, причем концы горизонтально ориентированных тросов, прикрепленные к этой динамически подобной модели летательного аппарата, расположены относительно центра тяжести указанной выше модели на расстоянии не меньше радиуса инерции этой модели по отношению к вертикальной оси, проходящей через центр тяжести динамически подобной модели летательного аппарата.
3
Тросы выполнены из волокна, имеющего предел текучести не меньше, чем 3000 МПа и удельный вес не больше, чем 1,44 т/м.
Упругие элементы выполнены в виде торсионов, работающих на кручение и неподвижно закрепленных;
На фигуре 1 изображен вид сбоку, на фигуре 2 изображен вид сверху предлагаемой системы вывешивания, на фигуре 3 - изображена типовая схема устройства вывешивания (УВ) ДПМ ЛА предлагаемой системы вывешивания.
3
Тросы предлагаемой системы вывешивания выполнены из волокна кевлар, или из волокна, имеющего предел текучести не меньше, чем 3000 МПА и удельный вес не больше, чем 1,44 т/м.
Причем одним концом они закреплены на ДПМ ЛА, а вторым - на УВ с помощью лебедок, прикрепленных к опорам, которые крепятся к опорным поверхностям, которыми являются внутренние стенки верхней горизонтальной панели рабочей части АДТ и боковые стенки рабочей части АДТ (см. фигуру 1 (УВ1 и УВ2) и фигуру 2 (УВ3, УВ4, УВ5, УВ6).
Два вертикальных троса (см. фигуру 1, элементы 1 и 2) закреплены на ДПМ ЛА на расстоянии от центра тяжести (ЦТ) ДПМ ЛА, не меньшем радиуса инерции ДПМ ЛА относительно оси, проходящей через тяжести ДПМ ЛА и перпендикулярной вертикальной плоскости, проходящей по оси симметрии ДПМ ЛА (один трос - впереди ЦТ ДПМ ЛА, а другой - позади ЦТ ДПМ ЛА).
Четыре горизонтальных троса (устройство горизонтального вывешивания), не параллельных оси симметрии АДТ, ориентированы к оси симметрии ДПМ ЛА под углами, находящимися в диапазоне от 30 до 60 градусов, закреплены на ДПМ ЛА (см. фигуру 2, элементы 3, 4, 5, 6) через одну двуплечую качалку в носовой части фюзеляжа ДПМ ЛА (см. фигуру 2, элемент 7), две одноплечные качалки в хвостовой части фюзеляжа ДПМ ЛА, при этом концы тросов, к которым крепится ДПМ ЛА, расположены на расстоянии от центра тяжести ДПМ ЛА не меньше радиуса инерции ДПМ ЛА по отношению к вертикальной оси, проходящей через центр тяжести ДПМ ЛА.
При этом концы передней качалки соединены с концами задних качалок с помощью промежуточных тросов, соединяющих концы качалок по правому и левому борту ДПМ ЛА (промежуточные троса являются принадлежностью ДПМ ЛА, а не системы вывешивания). Промежуточный трос по правому борту ДПМ ЛА (элемент 8) изображен на фигуре 2. Одноплечная качалка в хвостовой части фюзеляжа ДПМ ЛА по правому борту ДПМ ЛА (элемент 9) изображена на фигуре 2. Промежуточный трос по левому борту ДПМ ЛА (элемент 10) изображен на фигуре 2. Одноплечная качалка в хвостовой части фюзеляжа ДПМ ЛА по левому борту ДПМ ЛА (элемент 11) изображена на фигуре 2. Конструкция УВ3, УВ4, УВ5 и УВ6 (см. фигуру 2) такая же как конструкция УВ1 и УВ2 (см. фигуру 1).
Каждый из УВ содержит дистанционно управляемые электрические лебедки (см. фигуру 3, элемент 12), торсион (см. фигуру 3, элемент 13), ролики (см. фигуру 3, элемент 14), актуатор (см. фигуру 3, элемент 15), первый рычаг (см. фигуру 3, элемент 16) и второй рычаг (см. фигуру 3, элемент 17). Дистанционно управляемая электрическая лебедка обеспечивает поднимание и опускание ДПМ ЛА до заданного уровня по отношению к оси АДТ, обеспечивает натяжение тросов, а также обеспечивает установку угла атаки ДПМ ЛА.
Устройство вывешивания, изображенное на фигуре 3, закрепленное на стенке рабочей части АДТ, с упругим элементом в виде торсиона, обеспечивает заданную жесткость или податливость между концом троса на лебедке и концом троса, закрепленным на ДПМ ЛА. На фигуре 1 изображены два устройства вывешивания (УВ1 и УВ2). На фигуре 2 изображены четыре устройства вывешивания (УВ3, УВ4, УВ5 и УВ6).
Торсион (см. фигуру 3, элемент 13), соединяется с концевой частью троса через ролики (см. фигуру 3, элемент 14), которые направляют троса в элементах устройства вывешивания. Торсион выполнен из высокопрочной легированной стали. Длина и диаметр торсиона выбирается из условий достаточной прочности и необходимой жесткости на кручение. Актуатор (см. фигуру 3, элемент 15) - это специальное устройство, предназначенное для управлением углом поворота основания торсиона. Первый рычаг (см. фигуру 3, элемент 16) создает крутящий момент для торсиона. На второй рычаг (см. фигуру 3, элемент 17) актуатор оказывает силовое воздействие. Второй рычаг устанавливает угол поворота основания торсиона.
Система вывешивания ДПМ ЛА работает следующим образом:
В АДТ малых скоростей с закрытой рабочей частью крепим систему вывешивания. К системе вывешивания прикрепляется ДПМ ЛА. Проводятся испытания ДПМ ЛА в АДТ малых скоростей с закрытой рабочей частью. Во время испытаний ДПМ ЛА фиксируются полученные скорости и частоты флаттера ДПМ ЛА.
Благодаря признакам, указанным в первом пункте формулы изобретения, в предлагаемой системе вывешивания устраняется возможность возникновения флаттера на системе вывешивания с участием тонов колебаний ДПМ ЛА как жесткого тела (флаттер на системе вывешивания), а также вследствие уменьшения длин тросов решается указанная выше проблема: частоты тонов колебаний элементов системы вывешивания (тросов с упругими элементами) станут выше диапазона частот тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА и не будут искажать параметры тонов ДПМ ЛА. Необходимо отметить, что если угол между каждым тросом устройства горизонтального вывешивания и осью симметрии аэродинамической трубы будет меньше тридцати градусов или больше шестидесяти градусов, то это повлечет за собой увеличение длины тросов, что приведет к ухудшению технического результата. За счет новой схемы системы вывешивания длины тросов предлагаемой системы вывешивания меньше, чем длины тросов системы вывешивания прототипа.
3
Выполнение тросов из волокна, имеющего предел текучести не меньше, чем 3000 МПА и удельный вес не больше, чем 1,44 т/м; дает дополнительное повышение частот тонов колебаний элементов системы вывешивания (тросов с упругими элементами) и положительным образом влияет на решение поставленной проблемы.
Выполнение упругих элементов в виде торсионов, работающих на кручение и неподвижно закрепленных, дает дополнительное повышение частот тонов колебаний элементов системы вывешивания (тросов с упругими элементами) и положительным образом влияет на решение поставленной проблемы. Расчеты частот элементов предлагаемой системы вывешивания (тросов с упругими элементами (торсионами)) показали, что указанные выше частоты намного превышают диапазон частот тонов упругих колебаний свободной ДПМ ЛА.