CC BY
38
УДК 533.68
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ВБЛИЗИ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
л п
И.Н. Гусев1, И.О. Бобарика2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Выполнен обзор существующих методов экспериментальной аэродинамики летательных аппаратов, рассмотрены общие подходы к исследованиям в аэродинамических трубах, особенности исследований моделей вблизи экрана. Описан экспериментальный комплекс для проведения качественных экспериментов в аэродинамической трубе.
Ил. 3. Библиогр. 1 назв.
Ключевые слова: аэродинамика; аэродинамические исследования; аэродинамические испытания; экраноплан; экспериментальный комплекс; летательный аппарат; методы экспериментальной аэродинамики.
EXPERIMENTAL COMPLEX FOR STUDYING AIRCRAFT AERODYNAMICS NEAR THE BEARING SURFACE I.N. Gusev, I.O. Bobarika
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article reviews the existing methods of experimental aerodynamics of aircrafts. It considers common approaches to studies in wind tunnels and features of the examination of models close to the screen. An experimental complex for conducting qualitative experiments in a wind tunnel is described. 3 figures. 1 source.
Key words: aerodynamics; aerodynamic studies; aerodynamic testing; ekranoplan; experimental complex; aircraft; methods of experimental aerodynamics.
При экспериментальном исследовании аэродинамики летательных аппаратов зачастую возникает проблема выбора метода исследования, оборудования и общей методики постановки эксперимента. На сегодня можно выделить следующие методы экспериментальной аэродинамики летательных аппаратов:
- исследование в аэродинамических трубах;
- исследование в гидродинамических трубах;
- исследование в гидроканалах;
- катапультирование маломасштабных моделей на специальных треках;
- испытание кордовых и радиоуправляемых моделей;
- буксировка моделей;
- испытание крупных пилотируемых моделей (прототипирование).
Ввиду наличия широкого диапазона режимов движения экранопланов (плавание, глиссирование, околоэкранный полёт, полёт вне экрана), для них во многих случаях проводятся и многорежимные буксировочные испытания на открытой акватории.
Выбор метода аэродинамического исследования зависит от его цели, однако наиболее простым, дешевым и надежным средством экспериментальных исследований является аэродинамическая труба (АДТ).
Модель выставляется в искусственно создаваемый воздушный поток таким образом, чтобы можно было измерить действующие на нее силы и моменты сил или исследовать особенности течения около модели.
При экспериментальных исследованиях основные трудности связаны с созданием в трубе условий, аналогичных условиям полёта аппарата вблизи земли. Исследования базируются на известном принципе обратимости. Поэтому для создания требуемых условий имитация земли должна осуществляться одним из следующих способов:
1) с помощью подвижного экрана;
2) установкой двух одинаковых моделей в зеркальном отражении;
3) с помощью неподвижного экрана (с минимизацией вносимых экраном в поток возмущений и толщины погранслоя).
При обтекании стенка АДТ и экран образуют пограничный слой, который нарушает подобие. Для исключения этого влияния обычно перед экраном через щель отсасывается воздух, а скорость движения экрана подбирается такой, чтобы толщина пограничного слоя была минимальной. В ряде случаев для удаления пограничного слоя применяется «слив» пограничного слоя со стенок трубы и перед экраном. Однако в
1 Гусев Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, тел: 89148771803, e-mail: [email protected]
Gusev Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel: 89148771803, e-mail: [email protected]
2Бобарика Игорь Олегович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, тел: 89148845678, e-mail: [email protected]
Bobarika Igor, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel: 89148845678, e-mail: [email protected]
нашем случае для минимизации возмущений экран был выполнен тонколистовым материалом с острой передней кромкой. Для минимизации влияния стенок АДТ на характер обтекания модели наибольший поперечный размер (размах крыла) выполнен таким, чтобы обеспечивалось условие
(1рчГ\ы)/2<\ы ,
где 1-РЧ - ширина рабочей части АДТ; 1м - наибольший поперечный размер (размах крыла) модели.
Следует отметить важное обстоятельство: для адекватности полученных в результате продувок данных необходимо выдержать равенства чисел Рей-нольдса и Фруда исследуемой модели и реального аппарата.
На практике чаще всего используется критерий подобия по числам Рейнольдса и Фруда, но соблюсти их одновременно при исследованиях в простых аэродинамических трубах, не позволяющих регулировать давление, невозможно. Поэтому моделирование осуществляют по числу Фруда, а для устранения несоответствия чисел Рейнольдса модели и реального аппарата вводится аналитическая поправка.
Для проведения качественных экспериментов может использоваться экспериментальный комплекс, включающий в себя следующие компоненты:
- АДТ АТ-2 открытого типа с закрытой рабочей частью и регулируемым по высоте экраном;
- устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента;
- модель экраноплана;
- аппаратно-программный узел, включающий измерительную, регистрирующую и тарировочную аппаратуру с источниками питания.
Общий вид аэродинамической трубы АТ-2 пред-
ставлен на рис. 1.
АДТ АТ-2 выполнена с прямоугольным сечением рабочей части и снабжена спрямляющей решёткой, расположенной во входной части. Механизм подъёма - опускания экрана выполнен с электроприводом с дистанционным управлением, это позволяет изменять высоту экрана, не открывая рабочую часть АДТ, что существенно уменьшает время эксперимента. Для минимизации возмущений механизм управления экраном выполнен вынесенным за пределы тракта трубы, а экран выполнен листом Д-16Т толщиной 6 мм с острой передней кромкой. Скорость потока в рабочей части АДТ АТ-2 составляет 17 м/с.
Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента (рис. 2) включает многокомпонентные тензовесы, состоящие из чувствительных элементов 1 и 2 с расположенными на них тензодатчиками 3, закреплённых неподвижно на неподвижных опорах 4 и 5, соответственно, поддерживающего устройства, включающего переднюю горизонтально расположенную балку 6 с пазом для продольного перемещения, соединённую с задней горизонтально расположенной балкой 7 болтами 15, заднюю стойку 8, нижней частью соединённую с моделью болтом 16, а верхней частью соединённую с задней частью задней балки болтами 17, среднюю стойку 9, имеющую в верхней части паз для перемещения в вертикальной плоскости и нижней частью соединённую болтом 18 с моделью, а верхней - с передней частью задней балки болтом 19, переднюю стойку 10, имеющую в верхней части паз для перемещения в вертикальной плоскости и паз в средней части и нижней частью соединённую болтом 20 с моделью, а верхней - с передней частью передней балки
Рис. 1. АДТ АТ-2:1 - крепления люка рабочей части; 2 - люк рабочей части; 3 - подвижный экран; 4 - рама; 5 - блок защиты сети; 6 - комплект подключения; 7 - спрямляющая решётка; 8 - вентилятор
болтами 21, и переднюю штангу 11, соединённую нижней частью болтом 22 с моделью, а верхней - с передней стойкой болтом 23, соединённого шарнирными звеньями 12, расположенными на осях 13 с чувствительными элементами 1, и ненатянутого элемента 14 типа канат, соединяющего модель с жёстко закреплённым на передней опоре 5 чувствительным элементом 2. Опоры 4 и 5, балки 6 и 7, стойки 8, 9 и 10 и штанга 11 выполнены плоскими для минимизации вносимых возмущений, что позволяет считать испытуемую модель аэродинамически изолированной.
Устройство работает следующим образом. При настройке болтовые соединения 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24 ослабляются для установки модели в необходимое положение, после чего затягиваются, причём в случае, когда модель представлена одним элементом (телом), то закрепление выполняется болтами 19 и 20 к средней и передней стойкам соответственно. В случаях, когда модель представлена несколькими независимыми элементами (телами), крепление одного элемента производится болтами 16 и 18 к задней и средней стойкам соответственно, а другого - болтами 20 и 22 к передней стойке и передней штанге соответственно. Тогда перемещением элементов 6, 7, 9, 10 и 11 обеспечивается необходимое взаимное расположение элементов модели. Перемещением болта 24 в пазу передней штанги 11 достигается горизонтальное положение элемента 14 для обеспечения постоянства значений продольной составляющей вектора аэродинамического сопротивления поддерживающего устройства. При испытании модели происходит поступательное движение поддерживающего устройства с
закреплённой моделью, при этом нагрузки от вертикальных перемещений через шарнирные звенья 12 и оси 13 передаются на чувствительные элементы 1, где определяются тензодатчиками 3; горизонтальные перемещения приводят к натягиванию каната 14, при этом возникающая на чувствительном элементе 2 нагрузка (продольная составляющая вектора аэродинамического сопротивления) определяется тензодат-чиком 3. В целом наличие двухшарнирной системы тензоподвеса в сочетании с вынесенной носовой штангой позволяет имитировать процесс буксировки
модели.
Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента оригинальной конструкции позволяет обеспечить отсутствие интерференции между измерительными каналами, повысить экономическую эффективность из-за отсутствия необходимости в определении продольной составляющей вектора аэродинамического сопротивления поддерживающего устройства в «пустой» аэродинамической трубе при отсутствии модели на тех же, что и с моделью, режимах испытаний, и, как следствие, повысить точность измерений.
Использование поддерживающего устройства оригинальной конструкции позволяет определять аэродинамические характеристики различных моделей, в том числе и состоящих из нескольких элементов, не имеющих между собой непосредственной физической связи, с учётом их интерференции при различных параметрах их взаимного расположения.
Описанное устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента
является собственной разработкой авторов (Гусев И.Н., Бобарика И.О.), и запатентовано в качестве полезной модели [1].
Аппаратно-программный узел выполнен на базе ноутбука с подключением посредством ивВ 2.0 интерфейса в качестве регистратора данных 16-ти канального аналого-цифрового преобразователя АЦП-ЦАП Б^таивВ 16/16 и лицензионного программного обеспечения 2БТ!аЬ.
Для регистрации подъёмной силы используются 4 измерительных тензодатчика, соединённых последовательно с одним компенсационным и подключенных к одному каналу АЦП-ЦАП 81дта118В 16/16 с синфазным типом выхода по полумостовой четырёхпровод-ной схеме.
Для регистрации силы сопротивления используется один измерительный тензодатчик, соединённый последовательно с одним компенсационным и подключённый ко второму каналу АЦП-ЦАП 81дта118В 16/16 с синфазным типом выхода по полумостовой четырёхпроводной схеме. Отсутствие интерференции показаний между группами тензодатчиков, подключённых к разным измерительным каналам, обеспече-
но запатентованной конструкцией устройства для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента. Выполнение соединения поддерживающего устройства модели с жёстко закреплённым на передней опоре чувствительным элементом посредством ненатянутого тонкого невесомого нерастяжимого каната не ограничивает вертикальные перемещения модели и поддерживающего устройства и позволяет им перемещаться в продольном направлении в процессе испытаний до натягивания тонкого невесомого нерастяжимого каната для измерения продольной составляющей вектора аэродинамического сопротивления тензодатчиком, закреплённым на чувствительном элементе передней опоры, что в совокупности с шарнирными звеньями имитирует процесс буксировки модели и позволяет исключить интерференцию измерительных каналов и обеспечить высокую точность измерений.
Таким образом, реализована двухканальная полностью независимая схема (рис. 3), позволяющая определять подъемную силу и силу сопротивления модели, исключающая интерференцию как между исследуемой моделью и поддерживающим устройством,
Рис. 3. Схема подключения тензодатчиков
так и между группами тензодатчиков, подключённых к разным измерительным каналам. Кроме того, данная схема тензоподвеса модели позволяет, путём небольших изменений схемы подключения тензодатчиков, реализовать четырёхканальную полунезависимую схему, позволяющую определять подъёмную силу, силу сопротивления, момент тангажа и момент крена исследуемой модели. При добавлении же второго датчика, регистрирующего силу сопротивления (также на передней выносной штанге), может быть реализована пятиканальная полунезависимая схема, позволяющая определять подъёмную силу, силу сопротивления, момент тангажа, момент крена и момент рыскания исследуемой модели. Таким образом, без существенных изменений могут быть реализованы пяти-компонентные аэродинамические весы.
Для задания необходимого синусоидального сигнала частотой 1000 Гц среднеквадратичным значением уровня 1,5 В и нулевым смещением используется программный генератор сигнала (по одному для каждого канала измерений).
С помощью программы «Многоканальный осцил-
лограф» производится проверка функционирования измерительной схемы и оценка формы сигнала одновременно для всех измерительных каналов.
Регистрация измерений в режиме реального времени производится с помощью входящего в пакет лицензионного программного обеспечения 2БТ!аЬ программ «Тензодатчик» (по одной на каждый измерительный канал), предварительно откалиброванных каждая в соответствии со своими измеряемыми нагрузками.
Также предварительно перед проведением эксперимента определяется фактический «дрейф нуля» тензодатчиков, что позволяет при проведении эксперимента производить оперативные корректировки значений с использованием функции сбрасывания к предустановкам.
Описанный экспериментальный комплекс позволяет осуществлять качественные экспериментальные исследования аэродинамики летательных аппаратов как вблизи экрана, так и вне его действия. Комплекс расположен на кафедре «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» НИ ИрГТУ.
Библиографический список
1. Бобарика И.О, Гусев И.Н. Устройство для измерения со- №2009128091; приоритет 20.07.2009. МПК7 601М 9/06;
ставляющих векторов аэродинамической силы и аэродина- ООЮ 3/12. Патентообладатель ФГУП Иркутский государ-мического момента: пат. 89231 Рос. Федерация. ственный технический университет.
УДК 544.15; 544.174.3; 544.18; 548.4
ДИНАМИКА ИЗОЛИРОВАННОГО ИОНА SEH-(D-) В КРИСТАЛЛЕ KCL Е.А. Штейнер1, А.Д. Афанасьев2, А.С. Мысовский3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Физико-технический институт, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Исследуются электрооптические свойства кристалла KCl:SeH-(D-). С помощью теории возмущений на основании экспериментальных данных определяются электрооптические параметры, такие как гармоническая частота, параметр механической ангармоничности. Исследуется электрооптическая ангармоничность кристалла путем определения отношений производных функции дипольного момента системы. Строится квантово-химическая модель кристалла с примесью, с помощью которой определяется геометрия дефекта SeH- в кристалле, полная энергия основного состояния и функция дипольного момента системы. Определяются статический дипольный момент системы, первая и вторая производные функции дипольного момента системы. Ил. 2. Табл. 6. Библиогр. 16 назв.
Ключевые слова: электрооптическая ангармоничность; статический дипольный момент; изолированный двухатомный ион; ионный кристалл KCl:SeH-(D-); примесный дефект; теория возмущений; квантово-химическая модель; полная энергия основного состояния; функция дипольного момента; гармоническая частота; параметр ангармоничности; колебательный переход.
1Штейнер Егор Андреевич, аспирант, инженер отдела квантовой и вычислительной физики, тел.: 89642888738, e-mail: [email protected]
Shteiner, Postgraduate, Engineer of the Department of Quantum and Computational Physics, tel.: 89642888738, e-mail: egor.schteiner @ mail.ru
2Афанасьев Александр Диомидович, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой квантовой физики и нанотехнологий, тел.: 89021762512,e-mail:[email protected]
Afanasyev Alexander, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Quantum Physics and Nanotechnologies, tel.: 89021762512, e-mail: [email protected]
3Мысовский Андрей Сергеевич, кандидат физико-математических наук, начальник отдела квантовой и вычислительной физики, тел.: 89648165602, e-mail: [email protected]
Mysovsky Andrei, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Department of Quantum and Computational Physics, tel.: 89648165602, e-mail: [email protected]
