ДИНАМИЧЕСКИ ПОДОБНАЯ МОДЕЛЬ НЕСУЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64F5/00 B64C3/00 B64C5/00 

Изобретение может быть использовано в той области техники, где необходимо получить подобие натурному объекту по геометрическим, жесткостным и массово-инерционным характеристикам. Особенно актуально данное изобретение в области авиации при исследовании явлений аэроупругости на динамически подобных моделях (ДПМ) летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ).

Область применения - авиа- и машиностроение.

Известны конструктивно подобные модели (КПМ) несущих поверхностей летательных аппаратов (ЛА). Они являются моделями-копиями конструкций несущих поверхностей натурных ЛА и представляют собой разновидность ДПМ несущих поверхностей ЛА. В конструкциях несущих поверхностей таких моделей геометрические обводы моделируют тонкой обшивкой, а жесткостные характеристики - обшивкой, а также продольным и поперечным каркасом. КПМ несущих поверхностей изготавливают с использованием целлулоида, целлулоида и металла или только металла (сталь, дюраль). При упрощении форм сечений силового набора несущих поверхностей с сохранением их жесткости обеспечивают высокую точность динамических характеристик конструкции в целом, поскольку сохраняется основной принцип построения натурной конструкции. Недостатками этих моделей являются большое количество элементов, из которых состоит модель и, как следствие, их высокая трудоемкость, а также недостаточная живучесть и прочность в связи с высокими напряжениями в конструкции.

Известны принятые за прототип конструкции каркасных ДПМ несущих поверхностей. В таких моделях упругие свойства воспроизводят с помощью однослойных или двухслойных пластин с наклепанными ребрами жесткости, заменяющими лонжероны и нервюры натурной конструкции. Аэродинамические обводы моделируют с помощью маложесткого заполнителя (модуль упругости заполнителя приблизительно в 100 раз меньше, чем у материала силового набора), наклеенного на упругий каркас. Эти конструкции просты и удобны для моделирования несущих поверхностей практически любых авиационных и ракетных изделий.

Недостатками каркасных ДПМ несущих поверхностей являются нарушения требований подобия по массам (большое перетяжеление), особенно у моделей, предназначенных для испытаний на трансзвуковых скоростях, и недостаточная точность в воспроизведении жесткостных характеристик.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой точности геометрического подобия внешней аэродинамической поверхности модели несущей поверхности по отношению к натурному объекту от 0,1 до 0,05 мм, а также высокая точность воспроизведения массово-инерционных и жесткостных характеристик и технологичность изготовления.

Технический результат достигается тем, что в динамически подобной модели несущей поверхности ЛА, содержащей силовой набор, моделирующий жесткостные характеристики конструкции и состоящий из пластины, лонжеронов и нервюр, и формообразующую поверхность (ФОП), выполняющую роль внешней аэродинамической поверхности конструкции, пластина силового набора, изготовленная из высокомодульного полимерного композиционного материала и выполненная в виде отсеков переменной толщины, имеет ступенчатую и бесступенчатую поверхности, а лонжероны и нервюры, выполненные также со ступенчатыми и бесступенчатыми поверхностями, расположены по одну сторону пластины и соединены с ней по их бесступенчатым поверхностям, а формообразующая поверхность выполнена в виде двух частей - верхней и нижней и изготовлена из материала с модулем упругости в 10⁴ раз меньшим, чем у материала силового набора.

На фиг.1а и б изображен чертеж силового набора ДПМ несущей поверхности, состоящего из пластины, лонжерона и нервюр (1а), и формообразующей поверхности (1б).

На фиг.2 представлена фотография конструкции ДПМ несущей поверхности. Модель установлена на жестком стенде для проведения частотных испытаний.

На фиг.3 и 4 показаны некоторые формы собственных колебаний конструкции модели, полученные с использованием лазерного сканирующего виброметра при частотных испытаниях конструкции.

На графике (фиг.5) представлены результаты испытаний на флаттер конструкции ДПМ несущей поверхности в АДТ.

Конструкция ДПМ несущей поверхности состоит из силового набора и формообразующей поверхности. Силовой набор (фиг.1а) представляет собой пластину, состоящую из отсеков 1-6, лонжерона 7 и нервюр 8 (фиг.1а). Формообразующая поверхность, представляющая собой внешнюю аэродинамическую поверхность, состоит из соединенных с силовым набором 1 верхней 2' и нижней 3' частей (фиг.1б). Пластину располагают на срединной поверхности конструкции и выполняют из высокомодульного полимерного материала в виде отсеков переменной толщины 1-6 (фиг.1а). При этом она имеет ступенчатую и бесступенчатую поверхности. Лонжерон 7 (фиг.1а), имеющий также ступенчатую и бесступенчатую поверхности, располагают по одну сторону пластины, причем соединение пластины с лонжероном производят по их бесступенчатым поверхностям.

Используя математическую модель, рассчитывают толщины пластины, лонжерона и нервюр, на основании которых затем составляют чертеж силового набора. Пластину, лонжерон и нервюры изготавливают из углепластика (УП) в соответствии с необходимыми размерами, а затем соединяют друг с другом. Следующим этапом определяют массово-инерционные характеристики модели и производят доводку массы конструкции и главных моментов инерции с помощью доводочных грузов до необходимых величин.

Исходя из размера аэродинамической поверхности конструкции, изготавливают пресс-форму, в которой из вспененной полимерной массы формуют ФОП. Вспененный и отвержденный полимерный материал ФОП обладает модулем упругости в 10⁴ раз меньшим, чем у материала силового набора. Верхнюю и нижнюю части ФОП получают при разрезании отвержденной вспенненой полимерной массы в соответствии с высотой внешней аэродинамической поверхности. Обе части ФОП в дальнейшем соединяют с силовым набором в той же пресс-форме, в которой изготавливалась ФОП. Полученная при этом ФОП отличается гладкостью поверхности и полностью соответствует внутренней поверхности пресс-формы, чем обеспечивается высокая точность геометрического подобия такой модели. Изготовленная ФОП практически не требует заключительной обработки и полученная таким образом конструкция представляет собой законченную ДПМ ВО.

Далее проводят частотные испытания модели. В результате частотных испытаний был получен спектр собственных тонов колебаний в предполагаемом диапазоне частот. Выявлено более 10 упругих тонов. На фиг.3-4 показаны частоты и формы колебаний первых трех собственных тонов. Полученные формы колебаний модели хорошо согласуются с формами колебаний натурных конструкций, имеющих аналогичные геометрические формы.

В ЦАГИ изготовлена конструкция ДПМ несущей поверхности (вертикального оперения ВО) сверхзвукового перспективного самолета для испытаний на флаттер в АДТ.

ДПМ ВО прошла серию испытаний (30 пусков) на флаттер в аэродинамической трубе. Получены разные формы флаттера с различными частотами и амплитудами колебаний. ДПМ ВО обладает высокой точностью, что подтверждается отсутствием выпадающих точек и плавностью кривых на фиг.5. На фиг.5 представлены зависимости критической скорости флаттера модели от частоты ее вращения, при этом частоты модели на изгиб для каждой кривой имеют свое значение:

- n_изг=2,2 Гц,

- n_изг=3,91 Гц,

- n_изг=7,5 Гц,

- n_изг=9,8 Гц,

- n_изг=16 Гц.

При осмотре модели после испытаний отсутствовали какие-либо повреждения и остаточные деформации, что говорит о ее хорошей живучести и прочности.

Разработанная конструкция ДПМ ВО обладает высокой точностью воспроизведения массово-инерционных и жесткостных характеристик, геометрического подобия натурному объекту для исследования аэроупругих характеристик в АДТ.

Изобретение может быть использовано в той области техники, где необходимо получить подобие натурному объекту по геометрическим, жесткостным и массово-инерционным характеристикам. Особенно актуально данное изобретение в области авиации при исследовании явлений аэроупругости на динамически подобных моделях летательных аппаратов в аэродинамических трубах. Модель несущей поверхности летательного аппарата содержит силовой набор, моделирующий жесткостные характеристики конструкции и состоящий из пластины, лонжеронов и нервюр, а также формообразующую поверхность, выполняющую роль внешней аэродинамической поверхности конструкции. Пластина силового набора изготовлена из высокомодульного полимерного композиционного материала и выполнена в виде отсеков переменной толщины и имеет ступенчатую и бесступенчатую поверхности. Лонжероны и нервюры, выполненные также со ступенчатыми и бесступенчатыми поверхностями, расположены по одну сторону пластины и соединены с ней по их бесступенчатым поверхностям. Формообразующая поверхность выполнена в виде двух частей - верхней и нижней и изготовлена из материала с модулем упругости, в 10⁴ раз меньшим, чем у материала силового набора. Достигается обеспечение высокой точности геометрического подобия, а также высокая точность воспроизведения массово-инерционных, жесткостных характеристик модели. 5 ил.

Динамически подобная модель несущей поверхности летательного аппарата, содержащая силовой набор, моделирующий жесткостные характеристики конструкции и состоящий из пластины, лонжеронов и нервюр, а также формообразующую поверхность, выполняющую роль внешней аэродинамической поверхности конструкции, отличающаяся тем, что пластина силового набора, изготовленная из высокомодульного полимерного композиционного материала и выполненная в виде отсеков переменной толщины, имеет ступенчатую и бесступенчатую поверхности, а лонжероны и нервюры, выполненные также со ступенчатыми и бесступенчатыми поверхностями, расположены по одну сторону пластины и соединены с ней по их бесступенчатым поверхностям, а формообразующая поверхность выполнена в виде двух частей - верхней и нижней и изготовлена из материала с модулем упругости в 10⁴ раз меньшим, чем у материала силового набора.