УНИВЕРСАЛЬНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01M9/08 

Изобретение относятся к экспериментальной аэромеханике, точнее к проектированию и изготовлению моделей, предназначенных к испытаниям в аэродинамических трубах для исследования проблем аэродинамики, флаттера, дивергенции, реверса органов управления, бафтинга, аэроупругой устойчивости самолета с системой управления.

Известна упругоподобная модель, предназначенная для исследований явлений аэроупругости в аэродинамических трубах (см. Р.А. Бисплингхофф, Х. Эшли, Р. Л. Халфмэн. Аэроупругость. М. 1958, фиг. 12 с. 634-635). Такая модель содержит упругий каркас, моделирующий жесткостные характеристики несущей поверхности, закрепленные на нем доводочные грузы и жесткие отсеки с обшивкой, воспроизводящей аэродинамические обводы. Отсеки соединены с упругим каркасом с помощью жестких узлов крепления и имеют между собой щели, которые иногда заполняются низкомодульным материалом типа резины, поролона.

Главным недостатком данной модели является то, что форма ее поверхности становится ступенчатой при деформациях в потоке. Это явление обусловлено жестким креплением конечного числа жестких отсеков к упругому каркасу. Ступенчатая негладкая поверхность в какой-то мере допустима при исследованиях флаттера в дозвуковых (но не сверхзвуковых) аэродинамических трубах и недопустима при исследованиях реверса органов управления и аэродинамических нагрузок, когда требования к качеству поверхности модели практически те же, что и к качеству поверхности жестких аэродинамических моделей.

Известна имеющая упругий каркас упругоподобная модель (см. там же, фиг. 12-22), в которой аэродинамические обводы выполнены путем обработки либо бальзы, либо пенопласта, наклеенного на упругий каркас.

Недостатком этого типа моделей является сложность достижения приемлимых точностей воспроизведения наружных обводов и особенно жескостных характеристик модели вследствие большого разброса в жесткостях пенопласта (бальзы), клея, а также наружного слоя ткани, необходимой для устранения эрозии внешней поверхности модели в процессе ее испытаний в скоростных трубах. Обычно в таких моделях, предназначенных, в основном, для весовых исследований явлений статической аэроупругости затруднено дренирование (и тензометрирование) для определения распределенных нагрузок, что связано с отсутствием полостей внутри модели. Кроме того, затруднено исследование флаттера вследствие неизбежного перетяжеления модели.

Известна принятая за прототип конструктивно-подобная модель (см. там же, с. 620-625, фиг. 12-2), в которой геометрические обводы воспроизведены с помощью тонкой обшивки, а жесткостные характеристики смоделированы как за счет обшивки, так и продольного и поперечного набора каркаса. Недостатком такой сложной, трудоемкой в проектировании и изготовлении модели является относительно низкая прочность, что не позволяет использовать такой тип модели для комплексного исследования явлений аэроупругости, в частности, для определения нагрузок при больших углах атаки и больших скоростных напорах.

Известен способ изготовления упругоподобной модели, включающий изготовление упругого сердечника и его обклейку пенопластом или бальзой (см. там же). Этот способ широко распространен благодаря своей простоте, но он имеет несколько недостатков. Самый главный сложность обеспечения высокой точности воспроизведения жесткостных характеристик самолетов. Другой основной недостаток сложность выполнения вариации распределения масс модели, изготовления внутримодельных измерительных и управляющих систем.

Наиболее распространены способы изготовления жестких аэродинамических моделей из металла путем фрезирования (весовые и дренированные модели, изготовленные таким образом, отличаются высокой точностью воспроизведения форм, см. С.М. Горлин, И.Н. Слезингер "Аэромеханические измерения", М. 1964 г. с. 552. Однако они чрезвычайно трудоемки и дороги. Особенно это касается дренированных моделей, в которых для прокладки дренажных трубок фрезеруются канавки на поверхности модели. К тому же, качество поверхности таких моделей недостаточно высокое.

Задачей изобретения является расширение возможностей аэродинамического и аэроупругого моделирования за счет изготовления и использования универсальной модели или ее основных сменяемых элементов (каркаса обшивки, пресс-формы) для проведения высокочастотных, оперативных и экономичных экспериментальных исследований комплекса проблем: аэродинамики, аэроупругости (флаттера, дивергенции, реверса органов управления, бафтинга, нагрузок), динамики самолета в дозвуковых и сверхзвуковых аэродинамических трубах на "жестких", а также упругоподобных дренированных и тензометрированных моделях, на свободно плавающих или колеблющихся моделях, в том числе динамически-подобных флаттерных моделях.

Техническим результатом изобретения является использование принципа разделения функций элементов модели, применения съемной, сменяемой гладкой обшивки модели многофункционального назначения, вариации масс модели для определения влияния перетяжеления, доводки жесткостных характеристик внутримодельного каркаса на основе измерений жесткостных характеристик обшивки.

Указанный технический результат достигается благодаря следующему.

В модели, содержащей упругий каркас, состоящий, например, из лонжеронов несущей поверхности (крыла, фюзеляжа или оперения), схематизируемых балкой, а также сменной разъемной обшивки, варьируемых грузов, внутримодельных трасс и элементов системы управления модели, подкрепленная нервюрами или шпангоутами обшивка модели выполнена из двух секций. Каждая из них жестко соединена между собой и с каркасом. Основная секция безщелевой обшивки охватывает каркас, например лонжерон крыла, сверху, спереди и сзади, а также с боков каркаса и крепится к нему с помощью нервюр. Дополнительная секция обшивки выполнена также безщелевой. Она примыкает снизу каркаса без уступов и с минимально возможным зазором к основной секции обшивки. Линии разъема обшивок крыла или горизонтального оперения располагаются вдоль размаха несущей поверхности в передней и задней частях профиля, соответственно на 30-35 и 65-70% местной хорды, так что размер хорды дополнительной секции лежит в пределах 30-40% хорды. Нервюры, жестко связанные с обшивкой, также выполнены разрезными и разъемными. Они соединяются между собой замками. К нервюрам и каркасу крепятся все основные доводочные грузы, органы управления (элероны, интерцепторы, рули), проводка управления, привода, измерительные трассы модели.

Аналогична этому конструкция разъемной обшивки киля. Обшивка фюзеляжа также гладкая и разъемная, состоящая из двух секций с линиями разъема, расположенными в нижней части фюзеляжа вдоль лонжерона каркаса, к которому обшивка крепится с помощью разъемных шпангаутов, аналогично креплению нервюр крыла.

Обшивка, к примеру крыла, выполнена с применением композиционных материалов. При этом выдерживание заданной формы (профиля) поверхности обеспечивается двумя возможными средствами: либо изготовлением многослойной обшивки формованием в прессформе, либо приклеиванием тонкого слоя композитной ткани к корке, например, из пенопласта. Корка, в свою очередь, приклеена к нервюрам и обработана по шаблонам тем же нервюрам, профиль которых (в обоих случаях) занижен на толщину обшивки.

Каркас модели также выполнен с применением композиционных материалов. Для достижения заданной точности воспроизведения его жесткостных характеристик применена наклейка на отдельных участках определенным образом ориентированных дополнительных слоев композиционного материала. Количество этих слоев определяют по результатам измерений жесткостных характеристик обшивки в сборе с каркасом и каркаса в отдельности, причем на начальном этапе жесткость лонжерона каркаса выполняют заниженной на 25-35% по сравнению с требуемой по подобию.

На фиг.1 изображена схема аэродинамической модели, состоящей из обшивки и каркаса, воспроизводящих геометрические обводы и жесткостные характеристики самолета; на фиг. 2 типовое сечение модели крыла с ее каркасом (лонжероном), с подкрепленной обшивкой, соединенной с нервюрами, с узлами крепления нервюр к каркасу, с замками, соединяющими основную и дополнительную части нервюр; на фиг. 3 последовательные операции изготовления каркаса, обшивки, монтажа элементов конструкции модели, контроля жесткостных характеристик универсальной модели.

Аэродинамическая модель, фиг. 1, состоит из упругого каркаса 1 (например, из системы перекрестных балок лонжеронов крыла, оперения, фюзеляжа), а также обшивок 2, связанных с балками посредством нервюр 3 или шпангоутов 4. Обшивка состоит из двух неравных секций, например, из основной 5 и дополнительной 6 секций крыла или фюзеляжа.

Основная секция бесщелевой обшивки из композиционного материала, охватывающая каркас сверху, с боков, спереди и сзади, фиг. 2, а также нижняя - дополнительная секция бесщелевой обшивки, примыкающая к основной с минимально возможным зазором, имеют подкрепление в виде пенопластовой, к примеру, корки 9, соединенной с нервюрами 3. Нижняя дополнительная секция обшивки 6 (и ее части нервюр 10) соединяются с верхними 5 (и 11) с помощью замков 12, связывающих воедино части разрезных нервюр. Основные части нервюр 11 соединены с каркасом каждая с помощью своих узлов крепления 13. Доводочные (сменные) массы модели 14 закрепляются, в основном, на нервюрах. На них же монтируются элероны, интерцепторы, проводка управления модели. Дренажные отверстия в обшивке образованы дискретными пятачками 15 или непрерывными лентами с калиброванными дренажными отверстиями, к которым изнутри модели подведены дренажные трассы 16. Снаружи дренажные отверстия закрыты тонким слоем прозрачной композитной ткани 17, которые открываются (развертываются) лишь перед испытанием модели в трубе.

Необходимость использования композиционных материалов в обшивке обусловлена особенностями формообразования поверхности и ее дренирования, сочетающими высокую точность и простоту.

Целесообразность использования композиционных материалов в конструкции каркаса обусловлена теми же особенностями, но к ним добавляется и другое. По условиям массового подобия может потребоваться полый сердечник (лонжерон) каркаса модели. Применение при этом композиционного материала оправдано технологически. Кроме того, оно позволяет обойтись в некоторых случаях без обшивки на центральном участке профиля, занимаемом лонжероном, верхний и нижний контур которого воспроизводит профиль. Тогда съемными выполняются лишь передняя 18 и задняя 19 секции обшивки (фиг. 3).

Применение композиционных материалов позволяет обеспечить главные достоинства универсальной модели: большую оперативность изготовления комплекса моделей разного назначения, дешевизну, более высокую точность по сравнению с традиционным подходом к изготовлению каждой из моделей: весовых, дренированных, упругоподобных, флаттерных порознь. Это достигается благодаря предлагаемому комплексу операций изготовления универсальной модели.

Сначала изготавливают лонжерон 1 несущей поверхности, например крыла. Жесткость лонжерона на этом этапе должна быть на 25-35% меньше требуемой по подобию.

Параллельно изготавливают нервюры 3 с окнами в их центральной части, определяемыми формой сечения лонжерона и его ориентацией относительно профиля нервюры. Каждую из нервюр выполняют составной из двух частей: основной 11 и дополнительной 10, соединенных с помощью замков 12, фиксирующих взаимное положение частей. Основная часть 11 нервюры, охватывающая сечение лонжерона 1 сверху, спереди и сзади лонжерона, имеет узлы крепления 13 к лонжерону, жестко связанные с ответными элементами узлов (с зубчатой насечкой), которые закрепляют на передней и задней стенках лонжерона (как на базовых поверхностях) в сборе с необходимым образом ориентированной основной частью нервюры 11.

Снимают нервюры и проводят измерения жесткостей изгиба и кручения лонжерона (вместе с ответными узлами крепления 13 нервюр на его передней и задней стенках в ряде сечений по месту расположения нервюр). Устанавливают на лонжероне 1 нервюры 3 в сборе. Сначала основные их части 11, закрепляемые в узлах с насечкой 13, а затем присоединяют к ним на замках 12 дополнительные нижние части нервюр 10.

По всему контуру профиля приклеивают к нервюрам, играющим роль шаблонов, корку, например, из пенопласта 9, подкрепляющую обшивку 17. Корку эту обрабатывают по шаблонам нервюрам, профиль которых заранее занижен на толщину приклеиваемой к ней обшивки. В случае, если обшивка выполнена многослойной 7, путем формования в пресс-форме, как показано условно в левой части сечения B-B, рис. 2, ее приклеивают к нервюрам непосредственно верхней и нижней половинок, стыкуемых по передней и задней кромкам, при этом можно обойтись без корки 9, показанной в правой части сечения B-B.

Дренирование обшивок выполняют с помощью дискретно расположенных тонких пятачков 15 или непрерывных лент с калиброванными дренажными отверстиями, приклеиваемых между слоями композиционной ткани обшивки или внутри корки вплотную к наружному тонкому прозрачному слою обшивки 17, так что оси дренажных отверстий всегда направлены строго нормально к наружной поверхности. Для подсоединения к штуцерам дренажных пятачков или лент 15 внутримодельных дренажных трасс 16 формируют подводящие каналы в композитной обшивке с помощью игольчатых колпачков 20, одеваемых на штуцера и снимаемых после отверждения слоев композита, насаживаемых на эти колпачки, на которые предварительно наносят антиадгезионное покрытие. При наличии корки пятачки с готовыми штуцерами располагают в корке. Возможен другой вариант без колпачков 20 и даже без штуцеров. Тогда пятачки и ленты 15 могут быть тонкими по всей своей площади, и наложение слоев не будет осложнено, но тогда после отверждения сверлят насквозь (снаружи) дренажные отверстия, а затем изнутри рассверливают их под внутримодельные трубки дренажных трасс.

Прорезают щель 8 между основной и дополнительной секциями обшивки.

Измеряют жесткостные характеристики модели в сборе.

Снимают секции обшивки 5, 6 и доводят жесткость лонжерона каркаса до необходимой по подобию (с учетом предыдущих измерений жесткости исходного лонжерона и обшивки), например, путем наклейки дополнительных слоев композита 21.

Устанавливают доводочные грузы 14, проводку системы управления, подсоединяют дренажные трассы 16, монтируют основную 5, а затем и дополнительную 6 секции обшивки.

Проводят контрольные измерения жесткостей.

Полируют наружную поверхность модели и в дренированных моделях открывают и развертывают закрытие наружным прозрачным слоем дренажные отверстия пятачков 15.

Изобретение позволяет реализовать изготовление и испытания в скоростных аэродинамических трубах для исследования комплекса проблем аэродинамики, аэроупругости, динамики полета единого ряда аэродинамических упруго- динамически подобных моделей, имеющих общую основу: либо единую пресс-форму (для изготовления сменяемых обшивок моделей разного назначения), либо (и) единый внутримодельный каркас, на котором крепится сменная обшивка. При необходимости варьирования масштаба скоростных напоров каркас модели также может быть выполнен сменяемым, в том числе жестким для жестких аэродинамических моделей. Обшивка моделей гладкая без уступов. Она может быть дренирована, тензометрирована (как и каркас модели), оснащена датчиками, трассы к которым располагаются в пространстве между сменной обшивкой и каркасом. Практически любая модель для исследования любой проблемы аэромеханики в аэродинамической трубе может быть спроектирована и изготовлена на предлагаемой единой основе, в этом смысле она называется универсальной.

Высокое качество поверхности модели и точность выдерживания обводов обеспечиваются либо соответствующим качеством единой пресс-формы, либо качеством поверхности модели, обработанной по шаблонам нервюрам. Высокая точность моделирования жесткостных характеристик гарантируется благодаря поэтапному изготовлению лонжерона модели, съемности обшивки, контролю жесткостных характеристик лонжерона и обшивок. Универсальность модели состоит также в возможности оперативного изменения распределения масс внутри модели - благодаря съемности обшивки в целом или ее нижней, дополнительной части, если говорить о крыле. Тот же принцип универсальности относится к конструкции фюзеляжа, киля и горизонтального оперения моделей. При необходимости все они могут быть оснащены рулевыми поверхностями, причем для исследований флаттера, аэроупругой устойчивости или систем снижения нагрузок также и внутримодельной системой управления этими поверхностями.

Для исследования какой-то одной задачи, например, флаттера или реверса элеронов универсальная модель вряд ли более проста и дешева, чем традиционная. Но при решении комплекса проблем универсальность дает выигрыш и в оперативности выполнения работ, и в их стоимости. Очевиден выигрыш и в точности по крайней мере выдерживания заданных жесткостных характеристик несущей поверхности. Принципиально важно расширение возможности варьирования масс как с точки зрения разной загрузки топливом и полезным грузом особенно с точки зрения выявления влияния неизбежного, обычно перетяжеления модели, на флаттерные характеристики.

Использование: испытания в аэродинамических трубах для исследования аэроупругой устойчивости самолета с системой управления. Сущность изобретения: аэродинамическая модель содержит упругий каркас 1 и обшивку 2 из композиционного материала, связанную с балками каркаса посредством нервюр. Обшивка состоит из основной 5 и дополнительной секций. Основная секция обшивки, например крыла, и нижняя - дополнительная секция обшивки, примыкающая к основной с образованием щелей 8, имеют подкрепление в виде корки из полимерного материала (например, пенопласта). Дополнительная секция 6 обшивки (и части 10 разрезных нервюр) соединена с основной 5 (и частями нервюр 11) с помощью замков 12. Части нервюр 11 соединены с каркасом с помощью узлов крепления 13. Дренаж обшивки образован дисками 15 или лентами с калиброванными дренажными отверстиями, к которым изнутри модели подведены дренажные трассы 16. Снаружи дренажные отверстия закрыты тонким слоем прозрачного композиционного материала. В процессе изготовления модели проводят измерения жесткостных характеристик упругого каркаса, например лонжерона 1 крыла. Устанавливают на лонжероне сначала части 11 нервюр, затем присоединяют к ним на замках 12 части 10 нервюр. Для формирования обшивки 2 по всему контуру профиля приклеивают к нервюрам корку из пенопласта и покрывают ее прозрачным слоем композиционного материала. Измеряют жесткостные характеристики модели в сборе, снимают секции обшивки и доводят жесткость каркаса 1 до необходимой по подобию. Монтируют основную 5 и дополнительную секции обшивки. Дренажные отверстия в обшивке вскрывают перед испытанием модели в трубе. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Универсальная аэродинамическая модель преимущественно крыла, содержащая упругий каркас, соединенный со сменной обшивкой, нервюры с закрепленными на них сменными доводочными грузами и органами управления модели, и измерительную систему, отличающаяся тем, что обшивка выполнена в виде основной и дополнительной секций, жестко связанных между собой и с каркасом с помощью нервюр, выполненных составными, при этом основная секция обшивки охватывает часть каркаса, а дополнительная примыкает в ней с образованием щелей, расположенных вдоль размаха несущей поверхности модели, причем обшивка выполнена из многослойного композиционного материала или корки из полимерного материала, покрытой слоем композиционного материала, а между слоями композиционного материала или внутри корки расположены ленты или диски с калиброванными дренажными отверстиями для подсоединения к ним дренажных трасс. 2. Способ изготовления универсальной аэродинамической модели преимущественно крыла, включающий изготовление упругого каркаса, нервюр и сменной обшивки, установку сменных доводочных грузов, органов управления модели и измерительной системы, отличающийся тем, что упругий каркас изготавливают с жесткостью, на 25 35% меньшей величины жесткости, необходимой по подобию, каждую нервюру выполняют составной из двух частей - основной, охватывающей часть каркаса и соединенной с ним при помощи монтажных узлов, и дополнительной, соединенной с основной частью замками, причем профиль нервюр занижен на толщину обшивки, измеряют жесткостные характеристики каркаса с монтажными узлами без нервюр, осуществляют сборку каркаса и нервюр, соединяют с нервюрами обшивку из многослойного композиционного материала, изготовленную заранее в пресс-форме, или корку обшивки из полимерного материала, которую обрабатывают по профилю нервюр и покрывают слоем композиционного материала, при этом для дренирования обшивки между слоями композиционного материала или внутри корки из полимерного материала вплотную к внешнему прозрачному слою приклеивают ленты или диски с калиброванными дренажными отверстиями и штуцерами для подсоединения дренажных трасс, измеряют жескостные характеристики модели в сборе, снимают секции обшивки и доводят жесткость каркаса до величины, заданной по подобию, устанавливаают сменные доводочные грузы, органы управления модели и измерительную систему, монтируют секции обшивки и проводят контрольные измерения жесткостных характеристик модели, после чего вскрывают обшивку в местах расположения калиброванных дренажных отверстий.