Способ исследования и оптимизации компоновки летательного аппарата и модель для его осуществления Российский патент 2021 года по МПК G01M9/08 

Изобретение относится к области авиастроения. Предложен способ проведения пошагового аэродинамического эксперимента, позволяющего создать сборную аэродинамическую модель с модульным принципом построения. Одна аэродинамическая модель предназначена для различных видов испытаний в разных аэродинамических установках.

При создании АДМ ЛА для проведения эксперимента в АДТ возникает ряд технических вопросов, основным из которых является продолжительность подготовительных работ, и как следствие увеличение времени исследования.

Как правило, в процессе подготовительных работ требуется использовать уникальные державки и кронштейны для крепления АДМ ЛА к элементам весов конкретной рабочей части АДТ. Разрешенная максимальная нагрузка на тензометрические весы в свою очередь приводит к ограничению массы используемой АДМ, в следствие чего, для различных видов испытаний изготавливают несколько уникальных, но однотипных по конструкции АДМ, каждая из которых выполняется для конкретных измерительных устройств, используемых в конкретной аэродинамической установке. При производстве аэродинамических моделей невозможно учесть разницу в искажении внешних форм, вызванную технологическими погрешностями изготовления или поводками обрабатываемого материала, в этом заключается основанная сложность при сравнении результатов аэродинамического эксперимента, проводимого на разных моделях.

Для снижения стоимости экспериментов и производственных погрешностей возникающих при проведении аэродинамических исследований в разных АДТ становится актуальным использование сборной АДМ ЛА, состоящей из отдельных модулей, позволяющей проводить целый спектр исследований, не внося существенные изменения в базовую конструкцию.

Предлагаемая сборная АДМ ЛА предназначена для изучения аэродинамической компоновки преобразуемого ЛА вертикального взлета и посадки с винто-кольцевыми движителями и действующими имитаторами силовых установок. АДМ ЛА предназначена для испытаний в различных АДТ с возможностью модернизации и доработки для повышения информативности испытаний.

Известна методика проведения аэродинамического эксперимента, согласно которой для расчета шарнирного момента необходимо производить испытания при определенном угле установки стабилизатора и постоянной скорости потока в диапазоне углов отклонения руля высоты δ_р.в (Горшенин Д.С., Мартынов А.К. Методы и задачи практической аэродинамики. - М.: Машиностроение, 1977. - 240 с.)

Приступая к проведению исследований в аэродинамических трубах, необходимо, чтобы исследуемая модель удовлетворяла критериям подобия. Это значит, что должно осуществляться строгое геометрическое подобие.

Недостатками такой методики является:

1) Необходимость производить перестановку δ_р.в, что требует дополнительной рабочей силы и времени.

2) Вероятность наличия ошибки при изменении угла отклонения δ_р.в.

3) Отсутствие модульности конструированного прототипа, что, в свою очередь, вызывает необходимость создания нескольких моделей при исследовании модели в АДТ различного типа.

4) В случае необходимости внесения правок в геометрию модели возникает потребность в создании нового прототипа.

5) Невозможность проводить совместные испытания с работающим имитатором силовой установки.

Известно изобретение «Способ изготовления аэродинамической модели» (патент RU №241735801, МПК G01M 9/08, B64F5/00, дата публ. 27.04.2011). Рассматриваемая модель имеет интегрированный фюзеляж с крылом, переднее горизонтальное и хвостовое оперения, а также детали с каналами слива пограничного слоя, детали с внутренними протоками каналов двигателей и носовой обтекатель. Детали интегрированного фюзеляжа, переднее горизонтальное оперение, а также хвостовое оперение для этой модели формуют из углепластика в специальной форме с разделением ее на верхнюю и нижнюю части, а детали с внутренними протоками, носовой обтекатель получают методом быстрого прототипирования.

Недостатком данной конструкции является:

1) Устройство крыльев и оперения без использования в них подвижных элементов механизации.

2) Конструкция позволяет провести установку модели в одной аэродинамической трубе и только для одного вида испытаний.

3) Конструкция модели позволяет провести испытания только для одной аэродинамической компоновки, без внесения оперативного изменения в обводообразующую поверхность.

4) Конструкция модели позволяет внести изменения в аэродинамическую компоновку только при значительной или полной переделке модели.

5) отсутствие внутримодельного оборудования, интегрированного в единое информационное поле со средствами измерения в аэродинамической установке.

Известно изобретение «Универсальная аэродинамическая модель и способ ее изготовления» (патент RU №2083967 С1, МПК G01M 9/08, дата публ. 10.07.1997 г.). Данная аэродинамическая упругоподобная модель крыла или оперения летательного аппарата состоит из центрального сердечника в виде каркаса, состоящего из лонжеронов крыла, оперения и формообразующей верхней и нижней отформованных обшивок, закрепленной на нервюрах и сердечнике.

Недостатком данной конструкции является:

1) Технологически сложный процесс подгонки обшивки к лонжеронам и нервюрам крыла и оперения для точной приклейки по посадочным местам небольшой площади.

2) Конструкция модели позволяет провести испытания только для одной формы профиля несущих поверхностей.

3) отсутствие внутримодельного оборудования, интегрированного в единое информационное поле со средствами измерения в аэродинамической установке.

Наиболее близким по техническим решениям к данному изобретению является патент на изобретение «Крупноразмерная аэродинамическая модель» (патент RU №2607675 С1, МПК G01M 9/08, дата публ. 10.01.2017 г.). Устройство состоит из фюзеляжа, крыла, хвостового оперения и обшивки, соединенных между собой раздельными сердечниками. Крыло и оперение такой аэродинамической модели, имеют подвижную дистанционно управляемую механизацию. Внутри крыла данной аэродинамической модели располагают специальные грузы, имитирующие различный вес бензобаков с топливом.

Недостатком такой модели является:

1) Конструкция модели позволяет провести испытания только для одной аэродинамической компоновки, при этом обшивка модели изготовлена целиком и ее изменение приведет к высокой себестоимости модели.

2) Необходимость в изготовлении большого числа нервюр и шпангоутов, требующих точной подгонки к элементам каркаса и обшивки, увеличивающих стоимость модели.

3) Конструкция модели позволяет внести изменения в аэродинамическую компоновку только при значительной или полной переделке модели.

4) Возможно проведение испытаний на крейсерских режимах полета, без определения характеристик на больших углах атаки и без проведения испытаний на трехстепенном шарнирном подвесе.

Задачей и техническим результатом создания изобретения является разработка способа исследования и оптимизации компоновки АДМ ЛА.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание сборной аэродинамической модели, что позволит сократить затраты на изготовление однотипных АДМ ЛА предназначенных для разных типов исследований в разных АДТ.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе исследования и оптимизации компоновки ЛА, заключающемся в том, что собирают сборную АДМ ЛА, устанавливают ее в АДТ, проводят испытания, на основании полученных результатов изменяют компоновку, проводят последующие испытания, заменяя отдельные модули до получения требуемых аэродинамических характеристик, после чего изготавливают обшивку из композиционных материалов, формируют с ее использованием финальную модель, проводят финальные испытания и определяют оптимальную компоновку, сборную аэродинамическую модель собирают из отдельных унифицированных модулей, компоновку изменяют, в том числе дополнением отдельных модулей или изменением их взаимного расположения, обшивку из композиционных материалов изготавливают и устанавливают на сборную модель вместо соответствующих отдельных модулей по мере их оптимизации, формируя финальную модель из композиционных материалов поэлементно, на концевые части крыльев устанавливают переставные винто-кольцевые движители с работающими имитаторами силовой установки с возможностью замены на конструктивно подобные.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в сборной АДМ, содержащей по меньшей мере фюзеляж, вертикальное оперение, крылья, имитаторы силовых установок, элементы сборной модели выполнены в виде отдельных унифицированных модулей с возможностью быстрой сборки, разборки, перемещения, замены, на концевых частях крыльев выполнены переставные поворотные винто-кольцевые движители с работающими имитаторами силовой установки с возможностью замены на конструктивно-подобные,

Общая конструкция модели показана на следующих иллюстрациях.

Фиг. 1 Общий вид сборной АДМ ЛА для весовых испытаний в ленточном подвесе

Фиг. 2 Общий вид сборной АДМ ЛА для весовых испытаний на шестикомпонентных тензометрических весах

Фиг. 3 Общий вид сборной АДМ ЛА для испытаний на одностепенном или трехстепенном шарнирном подвесе

Фиг. 4 Общий вид изолированного фюзеляжа

Фиг. 5 Конструктивно-технологическое членение АДМ ЛА

Фиг. 6 Крепление переставной передней консоли крыла к фюзеляжу

Фиг. 7 Крепление переставной задней консоли крыла к фюзеляжу

Фиг. 8 Схема крепления сборной АДМ ЛА на различных измерительных устройствах с помощью сменных кронштейнов (в зависимости от задач эксперимента)

Фиг. 9 Схема расположения дренированной и цельной обшивки фюзеляжа

Фиг. 10 Схема конструкции консоли крыла

Фиг. 11 Крепление винто-кольцевого движителя к торцу консоли с подключением проводки управления электродвигателем

Фиг. 12 Устройство отделяемого вертикального оперения с сервоприводом управления

Фиг. 13 Сменные переходные дренированные зоны между вертикальным оперением и фюзеляжем

Фиг. 14 Изолированный фюзеляж

Способ исследования и оптимизации компоновки сборной АДМ ЛА, заключается в том, что исследования в аэродинамической трубе проводятся пошагово, с корректировкой модулей, образующих внешний обвод летательного аппарата. Сборная АДМ ЛА предназначена для нескольких видов испытаний в разных АДТ и на разных измерительных устройствах (например, ленточный подвес - фиг. 1, шестикомпонентные тензометрические весы - фиг. 2, одностепенной и трехстепенной шарнирный подвес - фиг. 3).

После проведения испытаний, на основании полученных результатов, изменяют компоновку, проводят последующие испытания, заменяя отдельные быстро изготавливаемые модули, до получения требуемых аэродинамических характеристик. При этом меняется лишь часть обводообразующих элементов с сохранением остальных деталей. Модули позволяют менять компоновку путем их дополнения, замены или изменением их взаимного расположения. При необходимости может меняться агрегат, например, киль или крыло целиком.

Конструкция модели позволяет провести экспериментальные исследования изолированного фюзеляжа в аэродинамической трубе для последующей оценки взаимного влияния агрегатов и определения собственного сопротивления фюзеляжа (фиг. 4). После определения оптимальной компоновки модули используют для изготовления негативной технологической оснастки из композиционных материалов. В негативной оснастке изготавливают тонкостенные обшивки из композиционного материала с воздушными каналами и формируют финальную модель из композиционных материалов поэлементно, проводят финальные испытания, получая распределение давления на внешней поверхности аэродинамической модели.

После финальных результатов экспериментальных исследований и внесения требуемых корректировок, изготавливается конструктивно-подобный агрегат, например, крыло с винто-кольцевым движителем. Детали конструктивно-подобного элемента выполняются с тензометрическими датчиками.

В процессе эксперимента, для отработки разных режимов полета, могут изменяться углы установки винто-кольцевых движителей (например, при моделировании переходного режима из горизонтального полета в режим вертикальной посадки) и аэродинамических органов управления. Сборная АДМ ЛА оборудована дистанционно управляемыми сервоприводами и автоматической системой управления, связанной с системой измерения параметров аэродинамического трубного эксперимента, по радиоканалу.

Измерение оборотов имитаторов двигателей выполняются посредством внешних или встроенных в контроллер электродвигателей датчиков. Считывание информации с датчиков оборотов производится с помощью единой автоматической системы управления.

Сборная АДМ ЛА состоит из: фюзеляжа 1, съемного переднего крыла 2, съемного заднего крыла 3, винто-кольцевых движителей 4, вертикального оперения 5 (фиг. 5).

Основным силовым элементом, расположенным внутри фюзеляжа 1, является силовая платформа 6. В зависимости от назначения модели силовая платформа 6 может быть изготовлена из полимерного композиционного материала или металлического сплава. Установка съемного переднего крыла 2 на силовую платформу 6 осуществлена через сменный клин углового положения 7 и пластины 8 съемного переднего крыла 2. Целостность внешнего обвода обеспечивают съемная проставка переднего крыла 9 и съемная крышка переднего крыла 10 (фиг. 6). Фиксация элементов конструкции производится механическим крепежом.

Съемное заднее крыло 3 прикреплено на установочный кронштейн 11 и зафиксирована скобой 12 через проставочный клин 13 для настройки нужного угла установки съемного заднего крыла 3. Целостность внешнего обвода обеспечивают съемная проставка заднего крыла 14 и съемная крышка заднего крыла 15 (фиг. 7). Переднее и заднее крылья разнесены по высоте относительно строительной горизонтали фюзеляжа, и имеют механизацию вдоль задней кромки.

В центральной части силовой платформы 6 выполнена установочная зона для крепления различных съемных переходных кронштейнов 16. Съемные переходные кронштейны 16 предназначены для фиксации аэродинамической модели на штангах различных экспериментальных установок, и позволяют менять положение модели вдоль продольной оси фюзеляжа, обеспечивая возможность проведения трубных исследований, соответствующих разным положениям теоретического центра тяжести летательного аппарата (фиг. 8). Поверхность фюзеляжа 1 может быть образована обводообразующими деталями 17, изготовленными, например, из модельного пластика. Обводообразующие детали 17 могут быть использованы в качестве мастер-модели для изготовления негативной технологической оснастки из полимерного композиционного материала, например, стеклоткани. Негативная технологическая оснастка используется для изготовления обводообразующей обшивки 18 с трассами дренированных воздушных каналов 19 после окончательного выбора формы внешнего обвода модели исследуемого летательного аппарата (фиг. 9). Такое решение позволяет минимизировать разницу внешней формы. Установка обводообразующей обшивки 18 произведена на шпангоуты 20, прикрепленные к силовой платформе 6. Так же на силовую платформу 6 прикреплены пластины-радиаторы выполненные из алюминиевых сплавов для крепления экспериментального оборудования с повышенной теплоотдачей. При необходимости фюзеляж 1 оборудуется съемными крышками для доступа к внутри модельному оборудованию.

Съемное переднее крыло 2 и съемное заднее крыло 3 состоят из металлического сердечника 21 и обводообразующей детали 22 на внутренней поверхности которой могут быть проложены трассы дренированных воздушных каналов 23. В торце крыльев располагаются съемные крышки 24, являющиеся одновременно цанговым зажимом для фиксации установочного кронштейна круглого сечения 29 воздушно-кольцевого движителя 4. Съемное переднее крыло 2 оборудуется посадочными местами для крепления установочных державок и фальшдержавок для проведения экспериментальных исследований в ленточном подвесе. Фальшдержавки позволяют определить уровень погрешности в аэродинамическом эксперименте от влияния основных державок. Механизация 25, расположена вдоль задних кромок переднего и заднего крыльев и закреплена цанговыми зажимами 26. При использовании дистанционного управления из торца руля выходит тяга 27, соединяющая, например, жесткой тягой с сервоприводом управления 28, расположенным в корневой части консоли крыла. Такое расположение сервопривода позволяет менять установочный угол крыла без перенастройки угловых отклонений управляющего привода (фиг. 10).

Винто-кольцевые движители 4 оборудованы полыми установочными кронштейнами 29 круглого сечения, которые обеспечивают возможность поворота винто-кольцевых движителей 4 на заданный угол в процессе аэродинамического эксперимента. Угловое положение определяется по металлическому лимбу 30. Фиксация положения винто-кольцевых движителей 4 осуществляют съемной крышкой 24 (фиг. 11).

Вертикальное оперение 5 выполнено съемным. Руль направления 31 закреплен цанговыми зажимами руля направления 32, которые обеспечивают фиксацию необходимого углового положения руля в процессе аэродинамического эксперимента. В носовой части вертикального оперения 5 расположен отсек для установки электрического сервопривода управления 33, обеспечивающего возможность дистанционного отклонения руля направления 31 (фиг. 12). Вокруг основания съемного вертикального оперения 5 сделан технологический вырез, обеспечивающий возможность установки сменных обводообразующих деталей 34. Сменные обводообразующие детали 34 являются типовыми и обеспечивают возможность корректировки формы переходной зоны между агрегатами модели, например, между фюзеляжем и килем, между фюзеляжем и крылом и т.д. Сменные обводообразующие детали 34 переходных зон выполнены, например, из фотополимера, методом лазерной стерео-литографии. Для экспериментального замера распределения давления на внешней поверхности в обводообразующих деталях 34 предусмотрены отверстия, расположенные по нормали к внешней поверхности переходной зоны. На необходимом расстоянии от торца сменных обводообразующих деталей 34 отверстия увеличены в диаметре для упрощения установки соединительных трубок 35, выполненных из металлического сплава. Соединительные трубки 35 присоединены гибкими шлангами к преобразователю воздушного давления 36, расположенного внутри фюзеляжа 1 (фиг. 13).

Поэтапное испытание аэродинамической компоновки предусматривает замену агрегата, например, съемного переднего крыла 2, на конструктивно-подобное. Для этого на силовую платформу 6 устанавливают элементы крепления 37, а крепление силовых элементов крыла, например, лонжеронов 38, осуществляют подобно реальной заделке, например, болтами (фиг. 14). Испытания конструктивно-подобного агрегата позволяют оценить упругие деформации в условиях, близких к натуральному полету. Детали конструктивно-подобного агрегата выполнены с тензометрическими датчиками, связанными сигнальными проводами с экспериментальным оборудованием, устанавливаемым внутри фюзеляжа модели 1.

Разработанная конструкция модели полностью отвечает разработанному способу по проведению аэродинамического эксперимента с возможностью пошаговой оптимизации компоновки летательного аппарата по результатам промежуточных испытаний. Конструкция модели позволяет оперативно вносить изменения. Устанавливаемое внутримодельное экспериментальное оборудование позволяет в режиме реального времени получать данные с различных датчиков, управлять отклоняемыми аэродинамическими поверхностями, изменять угловые положение винто-кольцевых движителей, менять обороты имитаторов силовой платформы и осуществлять связь с измерительным оборудованием аэродинамической трубы.

Перечень позиций и обозначений к изобретению «Способ исследования и оптимизации компоновки летательного аппарата и модель для его осуществления»:

1 - фюзеляж;

2 - съемное переднее крыло;

3 - съемное заднее крыло;

4 - винто-кольцевые движители;

5 - съемное вертикальное оперение;

6 - силовая платформа;

7 - сменный клин углового положения;

8 - пластина передней съемного переднего крыла;

9 - съемная проставка переднего крыла;

10 - съемная крышка переднего крыла;

11 - установочный кронштейн;

12 - скоба;

13 - проставочный клин;

14 - съемная проставка заднего крыла;

15 - съемная крышка заднего крыла;

16 - съемные переходные кронштейны;

17 - обводообразующая деталь;

18 - обводообразующая обшивка;

19 - дренированные воздушные каналы;

20 - шпангоуты;

21 - металлический сердечник;

22 - обводообразующая деталь;

23 - трассы дренированных воздушных каналов;

24 - съемная крышка;

25 - механизация;

26 - цанговые зажимы;

27 - тяга;

28 - сервопривод управления;

29 - установочный кронштейн круглого сечения;

30 - металлический лимб;

31 - руль направления;

32 - цанговые зажимы руля направления;

33 - электрический сервопривод управления;

34 - сменные обводообразующие детали;

35 - соединительные трубки;

36 - преобразователь воздушного давления;

37 - элементы крепления;

38 - лонжероны.

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к конструкциям аэродинамических моделей (АДМ) летальных аппаратов (ЛА), предназначенных для испытаний в аэродинамических трубах (АДТ). Способ исследования и оптимизации компоновки ЛА, заключается в том, что исследования в АДТ проводятся пошагово, с корректировкой модулей, образующих внешний обвод ЛА. Сборная АД М позволяет проводить испытания в разных АДТ и на разных измерительных устройствах. Сборная АДМ выполнена модульной, что позволяет произвести исследования без каких-либо элементов аэродинамической компоновки, например, без вертикального оперения, а также оперативно изменять обводообразующие детали при негативных результатах экспериментальных исследований в АДТ. Предлагаемая сборная АДМ ЛА предназначена для изучения аэродинамической компоновки преобразуемого ЛА вертикального взлета и посадки с винто-кольцевыми движителями и действующими имитаторами силовых установок.

1. Способ исследования и оптимизации компоновки летательного аппарата, заключающийся в том, что собирают сборную аэродинамическую модель летательного аппарата с крыльями, устанавливают ее в аэродинамической трубе, проводят испытания, на основании полученных результатов изменяют компоновку, проводят последующие испытания, заменяя отдельные модули до получения требуемых аэродинамических характеристик, после чего изготавливают обшивку из композиционных материалов, формируют с ее использованием финальную модель, проводят финальные испытания и определяют оптимальную компоновку, причем сборную аэродинамическую модель собирают из отдельных унифицированных модулей, компоновку изменяют, в том числе дополнением отдельных модулей или изменением их взаимного расположения, обшивку из композиционных материалов изготавливают и устанавливают на сборную модель вместо соответствующих отдельных модулей по мере их оптимизации, формируя финальную модель из композиционных материалов поэлементно, отличающийся тем, что на концевые части крыльев аэродинамической модели устанавливают переставные винто-кольцевые движители с работающими имитаторами силовой установки с возможностью замены на конструктивно подобные.

2. Сборная аэродинамическая модель, содержащая по меньшей мере фюзеляж, вертикальное оперение, крылья, имитаторы силовых установок, причем элементы сборной модели выполнены в виде отдельных модулей с возможностью быстрой сборки, разборки, перемещения, замены, отличающаяся тем, что на концевых частях крыльев выполнены переставные винто-кольцевые движители с работающими имитаторами силовой установки с возможностью замены на конструктивно-подобные.