СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КОМПОНОВОК ЭКРАНОПЛАНОВ
RESEARCH AND PERFECTION OF AIRFOIL BOAT AERODYNAMIC CONFIGURATIONS

Изобретение относится к проведению исследований в аэродинамической трубе аэродинамических характеристик экранопланов с поддувом под крыло и может быть использовано для совершенствования аэрогидродинамических компоновок экранопланов.
Экспериментальные исследования по совершенствованию аэрогидродинамических компоновок экранопланов проводятся в различных исследовательских организациях в России и в ряде зарубежных стран. Однако, в России комплексные исследования по отработке и совершенствованию аэрогидродинамических компоновок многорежимных транспортных средств - экранопланов могут быть выполнены только в Федеральных государственных унитарных предприятиях «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» и «Крыловский государственный научный центр», которые имеют гидроканал и опытовые басейны с возможностью буксировки моделей с большими скоростями.
Известны способы исследования и совершенствования аэрогидродинамических компоновок экранопланов и экспериментальные установки для их осуществления, описанные в работах: Трещевский В.Н., Волков Л.Д, Короткий А.И., "Аэродинамический эксперимент в судостроении", Л.: "Судостроение", 1976 г.; Волков Л.Д., Пономарев А.В., Трещевский В.Н., «Проблемы аэродинамики экранопланов», Международная конференция по судостроению, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Санкт-Петербург, 1994 г.; Белавин Н.И., "Экранопланы" (второе, переработанное и дополненное издание), Л.: "Судостроение", 1977 г.
Исследования и совершенствование аэрогидродинамических компоновок экранопланов, как правило, выполняются поэтапно и с использованием нескольких моделей:
- на газодинамическом стенде с моделированием границы раздела сред жестким экраном - выполняется моделирование движения в отрыве от поверхности, но при нулевой скорости полета (поддув на стопе);
- на газодинамическом стенде при размещении модели над чашей с водой с варьированием заглубления - выполняется моделирование поддува на стопе;
- в опытовом бассейне с варьированием заглубления - моделирование взлетно-посадочных режимов с поддувом под крыло;
- в аэродинамической трубе с моделированием границы раздела сред жестким экраном - моделирование движения в отрыве от поверхности с поддувом под крыло и при обдуве крыла.
Принятая практика организации исследований приводит к необходимости учета способа моделирования границы раздела сред, масштабного эффекта при сопоставлении результатов испытаний нескольких разномасштабных моделей на различных экспериментальных установках, а также учета многочисленных поправок, вводимых при обработке результатов испытаний.
Предложенный способ исследования и совершенствования аэрогидродинамических компоновок экранопланов позволяет с использованием одной модели экраноплана, оснащенной встроенным движительным комплексом, на одной экспериментальной установке выполнить моделирование различных режимов движения с воспроизведением условий полета без контакта с границей раздела сред, а также режимов движения в контакте с границей раздела сред, но без воспроизведения ее деформации под действием аэродинамических сил.
В результате применения предложенного способа сокращается время проведения исследований, снижается стоимость изготовления моделей, исключается масштабный эффект и необходимость учета многочисленных поправок при сопоставлении результатов испытаний нескольких разномасштабных моделей на различных экспериментальных установках.
Упомянутый результат достигается при использовании предложенного способа исследования и совершенствования аэрогидродинамических компоновок экранопланов за счет моделирования различных режимов движения экраноплана в аэродинамической трубе при использовании модели экраноплана, оснащенной встроенным движительным комплексом и деформируемыми элементами конструкции, находящимися ниже ватерлинии. Использование деформируемых элементов в конструкции модели экраноплана позволяет варьировать величину осадки модели при моделировании границы раздела сред жестким экраном.
Сущность предложенного способа описана ниже.
При изготовлении модели экраноплана ее оснащают встроенным движительным комплексом и двумя вариантами водоизмещающих элементов: жесткими и деформируемыми.
На встроенный движительный комплекс налагают требования по геометрическим и тяговым характеристикам, по углам отклонения вектора тяги - газовых струй от движителей (двигателей) для обеспечения моделирования всех заложенных в проект экраноплана режимов работы, включая взлетно-посадочные режимы, крейсерский режим движения и полет вне экрана.
Тарируют тягу движительного комплекса, закрепленного на измерительном оборудовании, в аэродинамической трубе при варьировании задаваемой мощности, скорости и углов натекания (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) набегающего воздушного потока, угла поворота вектора тяги.
Варьируют осадку экраноплана - величину погружения в воду водоизмещающих элементов и органов механизации крыла (ограждения зоны воздушной подушки), при моделировании границы раздела сред жестким экраном за счет оснащения модели экраноплана деформируемыми (сминаемыми) элементами конструкции, изготовленными из материала, имеющего большую степень сжатия, например, поролона.
Деформируемые элементы, моделирующие водоизмещающие элементы и механизацию крыла экраноплана, должны отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать непроницаемость для воздуха по габариту;
- иметь достаточную жесткость для исключения искажения формы за счет воздействия скоростного напора;
- иметь конструкцию, одинаково сминаемую при заданном числе циклов, достаточном для проведения всего объема испытаний;
- по возможности обеспечивать минимальную вертикальную силу при сжатии.
Для проведения испытаний модели с деформируемыми элементами дорабатывают типовую методику проведения экспериментальных исследований на шестикомпонентных аэродинамических весах с жестким закреплением модели, исключающим ее перемещение при воздействии воздушного потока. При этом методику проведения испытаний изменяют в части последовательности съема данных при заданных параметрах движения выполняют варьирование угла атаки при фиксированных высотах центра тяжести (точки поворота модели), а при типовом эксперименте по определению аэродинамических характеристик экраноплана выполняют варьирование высоты задней кромки крыла при фиксированных углах тангажа модели.
Обработку экспериментальных данных для учета искажений вертикальной силы и момента тангажа, вызванных усилиями при деформации деформируемых элементов модели, осуществляют в следующей последовательности: определяют усилия, действующие на модель при обжатии деформируемых элементов модели при отсутствии набегающего потока и неработающем движительном комплексе; выполняют измерения для заданных углов тики и высот центра тяжести над жестким экраном при работающем движительном комплексе.
Последующие измерения выполняют для тех же углов атаки и высот центра тяжести над жестким экраном при варьировании режимов работы движительного комплекса по тяге, углу поворота вектора тяги.
Поправки на влияние электропроводки к двигателям встроенного движительного комплекса на аэродинамические характеристики модели учитывают так же, как и при типовом эксперименте.
Проводят испытания модели с работающим движительным комплексом с моделированием амфибийного режима движения (в том числе и при нулевой скорости движения) или в режиме создания динамической воздушной подушки при различном заглублении водоизмещающих элементов. Испытания выполняют при варьировании угла дифферента и осадки от нормальной до нулевой, варьировании параметров движительного комплекса (тяга, угол наклона вектора тяги) при нулевой скорости набегающего воздушного потока для выявления наиболее выгодного положения движительного комплекса (воздушных винтов или сопловых аппаратов поддувных двигателей). Начальные значения перечисленных параметров и диапазоны их изменения задают исходя из конструктивных особенностей проекта и с использованием рекомендуемых ограничений.
По результатам испытаний выявляют геометрические параметры движительного комплекса и режимы его работы, а также положение органов механизации крыла, обеспечивающих наилучшее аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к аэродинамической силе сопротивления).
При необходимости корректируют положение движительного комплекса.
Критериями для совершенствования компоновки экраноплана служат:
- диапазон изменения положения центра давления в динамической воздушной подушке под крылом;
- отношение подъемной силы и аэродинамического сопротивления к тяге движительного комплекса при коэффициенте тяги, равном бесконечности.
При всех параметрах (угол дифферента, осадка, угол поворота поддувных струй, угол перекладки механизации крыла) подъемная сила должна быть положительной.
При фиксированных угле дифферента и осадке определяют максимальную подъемную силу при варьировании угла поворота поддувных струй.
Проводят испытания модели с работающим движительным комплексом при варьировании угла дифферента и осадки от нормальной до нулевой за счет изменения формы деформируемых элементов конструкции модели при их контакте с жестким экраном, варьировании параметров движительного комплекса при ненулевой скорости набегающего воздушного потока для определения характеристик в режимах движения при контакте с границей раздела сред.
По результатам испытаний выявляют параметры движительного комплекса и режимы его работы, положение органов механизации крыла, обеспечивающие наилучшее аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к аэродинамической силе сопротивления), оценивают возможность балансировки компоновки. Прорабатывается методика перекладки органов управления, механизации крыла и изменения угла вектора тяги движительного комплекса для обеспечения безопасного движения.
Деформируемые элементы модели экраноплана заменяют аналогичными по назначению жесткими элементами.
Проводят испытания модели с работающим движительным комплексом при варьировании угла тангажа и высоты над жестким экраном, варьировании параметров движительного комплекса (тяга, угол поворота вектора тяги) при ненулевой скорости набегающего воздушного потока для определения характеристик в режимах движения без контакта с границей раздела сред.
Испытания проводят при варьировании высоты задней кромки крыла над жестким экраном при фиксированных углах тангажа. Обработку результатов выполняют по обычной методике.
По результатам испытаний выявляют параметры движительного комплекса и режимы его работы, положение органов механизации крыла, обеспечивающих наилучшее аэродинамическое качество, оценивают возможность балансировки. Прорабатывается методика перекладки органов управления, механизации крыла и изменения угла вектора тяги движительного комплекса для обеспечения безопасного движения.
Проводят испытания модели с работающим движительным комплексом при варьировании угла тангажа и высоты над жестким экраном для определения характеристик в крейсерском режиме движения и в полете вне зоны экранного эффекта.
Обработку результатов выполняют по обычной методике. Полученные результаты позволяют определить аэродинамическое качество, положение аэродинамических фокусов и область устойчивого движения экраноплана, а также необходимые данные для расчетов устойчивости и управляемости экраноплана.
Результаты испытаний могут быть представлены либо в виде суммарных аэродинамических характеристик, либо в виде суммы сил и моментов, реализуемых на движительном комплексе и реализуемых собственно на модели экраноплана.
Анализ полученных результатов и характеристик экраноплана может быть использован для выявления направлений совершенствования компоновочной схемы экраноплана и размещения движительного комплекса.