Устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов Российский патент 2024 года по МПК G01M9/06 

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов.

Создание эффективных силовых установок для летательных аппаратов позволяет улучшить их аэродинамические характеристики при увеличении их размеров и веса.

Для решения такой задачи требуется разработка и создание устройств для наземных высотных испытаний, моделирующих аэродинамические условия обтекания силовых установок летательных аппаратов.

Известно устройство для испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержащее источник воздушного потока, станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления испытуемого летательного аппарата с силовой установкой, механически связанную с опорными элементами станины с помощью упругих пластин и установленную с возможностью горизонтального перемещения относительно станины вдоль продольной оси силовой установки летательного аппарата, систему автоматического управления и силоизмерительный механизм с силоизмерительным датчиком продольного перемещения, механически связанным с одной стороны со станиной, с другой стороны - с динамометрической платформой (патент РФ №2614900, 2015 г.)

В известном устройстве для измерения прямой и реверсивной силы тяги силовой установки летательного аппарата установлены два силоизмерительных датчика и два контрольных датчика, с помощью которых измеряется развиваемое двигателем тяговое усилие без учета аэродинамических характеристик летательного аппарата и его силовой установки. При этом в известном устройстве не предусмотрены средства для имитации условий полета.

Поэтому использовать известное устройство для проведения наземных испытаний, моделирующих аэродинамические условия обтекания, не представляется возможным.

Известно устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержащее источник воздушного потока, станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления испытуемого летательного аппарата с силовой установкой, механически связанную с опорными элементами станины с помощью упругих пластин и установленную с возможностью горизонтального перемещения относительно станины вдоль продольной оси силовой установки летательного аппарата, систему автоматического управления и силоизмерительный механизм с тензодатчиком продольного перемещения, подключенным к системе автоматического управления (патент РФ №2651627, 2017 г.)

Основным недостатком силоизмерительной системы такого устройства является то, что гибкие пластины, на которых динамометрическая платформа установлена на неподвижную опорную раму имеют большую длину, что затрудняет возможности проведения испытаний крупноразмерных моделей летательных аппаратов в ограниченных по объему испытательных устройствах. Кроме того, конструкция переменной жесткости гибких пластин, выполненная с двумя гибкими участками, ограничена величиной нагрузки, действующей на них при испытании моделей летательных аппаратов больших размеров и веса.

Также недостатком известного устройства является отсутствие отдельной калибровочной системы, обеспечивающей возможности калибровки датчика продольного перемещения с повышенной точностью при тарированных нагружениях.

Наиболее близким по технической сути аналогом изобретения является устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержащее источник воздушного потока, станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления испытуемого летательного аппарата с силовой установкой, механически связанную с опорными элементами станины с помощью упругих пластин и установленную с возможностью горизонтального перемещения относительно станины вдоль продольной оси силовой установки летательного аппарата, систему автоматического управления с командным блоком и силоизмерительный механизм с калибровочной системой и тензодатчиком продольного перемещения, механически связанным с одной стороны со станиной, с другой стороны - с динамометрической платформой и подключенным к системе автоматического управления (патент США №6851303, 2003 г.).

Основным недостатком известного устройства для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов является отсутствие у него конструктивных элементов, компенсирующих действующие на динамометрическую платформу поперечные и вертикальные составляющие тяговых нагрузок, в результате воздействия которых плоские упругие пластины будут работать в условиях дополнительных скручивающих нагрузок, что повлечет за собой искажение результатов измерений в результате возникновения дополнительных усилий в опорных точках упругих пластин.

Также недостатком известного устройства является отсутствие отдельной системы, обеспечивающей возможность калибровки тензодатчика продольного перемещения для повышения точности его показаний при тарированных нагружениях динамометрической платформы.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является стабилизация моделируемых параметров работы силовой установки испытуемого летательного аппарата за счет компенсации действующих на динамометрическую платформу поперечных и вертикальных составляющих тяговых нагрузок и возможность калибровки тензодатчика продольного перемещения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения полной силы тяги и силы аэродинамического сопротивления силовой установки летательного аппарата путем стабилизации моделируемых параметров работы силовой установки летательного аппарата в имитируемых условиях его полета.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержит источник воздушного потока, станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления испытуемого летательного аппарата с силовой установкой, механически связанную с опорными элементами станины с помощью упругих пластин и установленную с возможностью горизонтального перемещения относительно станины вдоль продольной оси силовой установки летательного аппарата, систему автоматического управления с командным блоком и силоизмерительный механизм с калибровочной системой и тензодатчиком продольного перемещения, механически связанным с одной стороны со станиной, с другой стороны - с динамометрической платформой и подключенным к системе автоматического управления. Упругие пластины выполнены Ш-образной формы с центральным и боковыми стержнями и жестким горизонтальным основанием, причем боковые стержни каждой упругой пластины свободными концами жестко закреплены на опорных элементах станины, а средний стержень каждой упругой пластины жестко закреплен на динамометрической платформе, калибровочная система снабжена двумя подключенными к системе автоматического управления калибровочными тензодатчиками с силовоспринимающими рамками и двумя пневмоцилиндрами, установленными в передней и задней части станины, рабочие полости каждого пневмоцилиндра подключены через управляемые клапаны к источнику давления, а поршень со штоком - жестко связан с одним из калибровочных тензодатчиков, при этом один из калибровочных тензодатчиков через силовоспринимаюшую рамку механически связан с передней поперечной балкой динамометрической платформы, другой - с ее задней поперечной балкой, а механическая связь силовоспринимающих рамок с калибровочными тензодатчиками выполнена с возможностью ее отключения за счет ограниченного перемещения силовоспринимающих рамок относительно калибровочных тензодатчиков в направлении перемещения динамометрической платформы.

Тензодатчик продольного перемещения и калибровочные тензодатчики могут быть связаны каждый с системой автоматического управления через два нормирующих усилителя, подключенных встречно-параллельно.

Существенность отличительных признаков устройства для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение точности измерения полной силы тяги и силы аэродинамического сопротивления силовой установки летательного аппарата путем стабилизации моделируемых параметров работы силовой установки в имитируемых условиях полета.

Предложенное изобретение поясняется описанием конструкции устройства для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов и его работы со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1 представлен общий вид устройства для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов в изометрии;

на фиг. 2 показана упругая пластина Ш-образной формы в изометрии;

на фиг. 3 показано крепление упругой пластины в сечении А-А фиг. 2;

на фиг. 4 представлена общая схема силоизмерительной системы устройства;

на фиг. 5 представлена схема подключения тензодатчиков к нормирующим усилителям.

Устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержит источник воздушного потока 1, станину 2 с опорными элементами 3 и горизонтальную динамометрическую платформу 4 с передней поперечной балкой 5, задней поперечной балкой 6 и механизмом 7 крепления испытуемой силовой установки 8 с движителем 9 (фиг. 1).

Динамометрическая платформа 4 механически связана с опорными элементами 3 станины 2 с помощью упругих пластин 10 и установлена с возможностью горизонтального перемещения относительно станины 2 вдоль продольной оси 11 силовой установки 8.

Упругие пластины 10 выполнены Ш-образной формы (фиг. 2) с центральным стержнем 12, боковыми стержнями 13 и жестким горизонтальным основанием 14, причем боковые стержни 13 каждой упругой пластины 10 свободными концами жестко закреплены на опорных элементах 3 станины 2, а центральный стержень 12 каждой упругой пластины 10 жестко закреплен на динамометрической платформе 4 с помощью кронштейна 15 (фиг. 3).

На динамометрической платформе 4 размещен силоизмерительный механизм 16 (фиг. 4), содержащий тензодатчик 17 продольного перемещения, механически связанный с одной стороны с опорным элементом 3 станины 2, с другой стороны - с динамометрической платформой 4, и блок нормирующих усилителей 18, через который тензодатчик 17 продольного перемещения подключен к системе автоматического управления 19 с командным блоком 20. Блок нормирующих усилителей 18 выполнен в виде двух нормирующих усилителей 21 и 22, подключенных встречно-параллельно (фиг. 5) и преобразующих входящий вольтовый сигнал тензодатчика продольного перемещения 17 в выходной ток величиной 4-20 мА для обеспечения большей помехоустойчивости токового сигнала по сравнению с сигналом напряжения. При этом нормирующий усилитель 21 работает при положительном входном напряжении, при действии растягивающего усилия на тензодатчик 17 продольного перемещения, а усилитель 22 работает при отрицательном входном напряжении, при действии сжимающего усилия на тензодатчик 17 продольного перемещения.

Силоизмерительный механизм 16 снабжен калибровочной системой с двумя подключенными к системе автоматического управления 19 калибровочными тензодатчиками 23 и 24, с двумя силовоспринимающими рамками 25 и 26 и двумя пневмоцилиндрами 27 и 28, расположенными в передней и задней части станины 2.

Рабочие полости 29 каждого из пневмоцилиндров 27 и 28 подключены через управляемые клапаны 30 к источнику давления 31 и к атмосфере, а поршень со штоком 32 каждого из пневмоцилиндров 27 и 28 жестко связан с одним из калибровочных тензодатчиков 23 и 24, при этом калибровочный тензодатчик 23 через силовоспринимающую рамку 25 механически связан с передней поперечной балкой 5 динамометрической платформы 4, а другой калибровочный тензодатчик 24 через силовоспринимающую рамку 26 механически связан с задней поперечной балкой 6.

Механическая связь силовоспринимающих рамок 25 и 26 соответственно с калибровочными тензодатчиками 23 и 24 выполнена с возможностью ее отключения за счет ограниченного перемещения силовоспринимающих рамок 25 и 26 относительно калибровочных тензодатчиков 23 и 24 в направлении перемещения динамометрической платформы 4. В описываемом устройстве эта механическая связь выполнена в виде стержней 33 с ограничительными гайками 34, каждый из которых жестко закреплен на одном из калибровочных тензодатчиков 23 или 24 и установлен в отверстии одного из поперечных ребер 35 каждой из силовоспринимающих рамок 25 и 26.

Калибровочные тензодатчики 23 и 24 связаны каждый с системой автоматического управления 19 через блоки нормирующих усилителей 36 и 37, выполненные аналогично блоку нормирующих усилителей 18. Управляющие элементы управляемых клапанов 30 подключены к командному блоку 20, связанному с системой автоматического управления 19.

Устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов работает следующим образом.

Перед проведением аэродинамических испытаний все рабочие полости 29 пневмоцилиндров 27 и 28 калибровочной системы с помощью управляемых клапанов 30 сообщаются с атмосферой. После чего осуществляется раздельная калибровка тензодатчика продольного перемещения 17 на растягивающее и сжимающее усилия.

При калибровке тензодатчика 17 продольного перемещения на растягивающее усилие сжатый воздух из источника давления 31 подается в рабочую полость 29 пневмоцилиндра 28, перемещая его поршень 32 со штоком 32, с калибровочным тензодатчиком 24 и со стержнем 33 в направлении динамометрической платформы 4. Стержень 33 с ограничительной гайкой 34 перемещается в отверстии поперечного ребра 35 силовоспринимающей рамки 26, прерывая механическую связь калибровочного тензодатчика 24 с динамометрической платформой 4 через силовоспринимающую рамку 26.

После этого отключают пневмоцилиндр 28 от источника давления 31 и подают сжатый воздух в штоковую рабочую полость 29 пневмоцилиндра 27, перемещая поршень со штоком 32 этого пневмоцилиндра 27 в направлении от динамометрической платформы 4. Одновременно с поршнем со штоком 32 будут перемещаться калибровочный тензодатчик 23, стержень 33 с ограничительной гайкой 34, силовоспринимающая рамка 25 и динамометрическая платформа 4, которая передней поперечной балкой 5 жестко связана с силовоспринимающей рамкой 25, причем величина перемещения динамометрической платформы 4 относительно станины 2 будет определяться величиной давления сжатого воздуха подаваемого в рабочую полость 29 пневмоцилиндра 27, необходимой для преодоления упругих свойств Ш-образных упругих пластин 10.

Пошагово увеличивая давление в штоковой рабочей полости 29 пневмоцилиндра 27 с помощью управляемого клапана 30 с использованием калибровочной характеристики калибровочного тензодатчика 23 определяется величина продольного усилия, перемещающего динамометрическую платформу 4 на каждом шаге калибровки. По этим данным строится калибровочная характеристика тензодатчика 17 продольного перемещения на растягивающее усилие в координатах: токовый сигнал в мА и нагрузка в единицах силы.

Для калибровки тензодатчика 17 продольного перемещения на сжимающее усилие сжатый воздух из источника давления 31 подается в рабочую полость 29 пневмоцилиндра 27, перемещая его поршень со штоком 32, с калибровочным тензодатчиком 23 и со стержнем 33 в направлении динамометрической платформы 4. Стержень 33 с ограничительной гайкой 34 перемещается в отверстии поперечного ребра 35 силовоспринимающей рамки 25, прерывая механическую связь калибровочного тензодатчика 23 с динамометрической платформой 4 через силовоспринимающую рамку 25.

После этого отключают пневмоцилиндр 27 от источника давления 31 и подают сжатый воздух в штоковую рабочую полость 29 пневмоцилиндра 28, перемещая поршень со штоком 32 этого пневмоцилиндра 28 в направлении от динамометрической платформы 4. Одновременно с поршнем со штоком 32 будут перемещаться калибровочный тензодатчик 24, стержень 33 с ограничительной гайкой 34, силовоспринимающая рамка 26 и динамометрическая платформа 4, которая передней поперечной балкой 5 жестко связана с силовоспринимающей рамкой 26. Величина перемещения динамометрической платформы 4 относительно станины 2 будет определяться величиной давления сжатого воздуха подаваемого в штоковую рабочую полость 29 пневмоцилиндра 28, необходимой для преодоления упругих свойств Ш-образных упругих пластин 10.

Пошагово увеличивая давление в штоковой рабочей полости 29 пневмоцилиндра 28 с помощью управляемого клапана 30 с использованием калибровочной характеристики калибровочного тензодатчика 24 определяется величина продольного усилия, перемещающего динамометрическую платформу 4 на каждом шаге калибровки. По этим данным строится калибровочная характеристика тензодатчика 17 продольного перемещения на сжимающее усилие в координатах: токовый сигнал в мА и нагрузка в единицах силы.

После проведения калибровки тензодатчика 17 продольного перемещения рабочие полости 29 пневмоцилиндров 27 и 28 с помощью управляемых клапанов 30 отключаются от источника давления 31 и сообщаются с атмосферой.

При проведении испытаний с помощью источника воздушного потока 1 создаются условия высотного полета путем обдува испытуемой неработающей силовой установки 8 воздушным потоком. При этом усилие от аэродинамического сопротивления корпуса испытуемой силовой установки 8 набегающему воздушному потоку, передается на упругие пластины 10 Ш-образной формы, деформирует их в направлении продольной оси 11 и приводит к перемещению динамометрической платформы 4 относительно станины 2 по направлению потока. Возникающие при этом поперечные и вертикальные составляющие усилия воспринимаются и компенсируются жестким горизонтальным основанием 14 упругой пластины 10, ограничивающим перемещения динамометрической платформы 4 в указанных направлениях. В результате чего, поперечные и вертикальные составляющие усилия не влияют на точность измерения продольной составляющей силы сопротивления, действующей на испытуемую силовую установку 8.

При перемещении динамометрической платформы 4 по направлению потока на тензодатчик 17 продольного перемещения будет действовать сжимающая сила, при этом, электрический сигнал с выхода этого тензодатчика 17, передающийся на нормирующие усилители 21 и 22 по линии связи 38 будет отрицательным, а по линии связи 39 положительным. Такая полярность электрических сигналов соответствует стандартной работе только нормирующего усилителя 22, на выходе которого формируется токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Для нормирующего усилителя 21 полярность входного сигнала противоположна стандартной фиксированной полярности входного сигнала, поэтому нормирующий усилитель 21 переходит в режим работы, при котором на его выходе формируется быстро затухающий токовый сигнал, что приводит к остановке работы усилителя 21 на данном режиме измерения.

Сигнал с нормирующего усилителя 22 поступает в систему автоматического управления 19, где полученные данные обрабатываются с использованием калибровочной характеристики тензодатчика продольного перемещения 17 на сжимающее усилие и определяется сила аэродинамического сопротивление корпуса испытуемой силовой установки 8 от набегающего воздушного потока.

После запуска и прогрева силовой установки 8 осуществляется измерение тягового усилия, развиваемого силовой установкой 8 на разных режимах ее работы без учета силы аэродинамического сопротивления корпуса от набегающего воздушного потока. Тягового усилие, развиваемое силовой установкой 8 с движителем 9, преодолевая сопротивление упругих пластин 10 Ш-образной формы, перемещает динамометрическую платформу 4 с закрепленной на ней испытуемой силовой установкой 8 в направлении против потока, при этом, на тензодатчик продольного перемещения 17 будет действовать растягивающая сила, электрический сигнал с выхода этого тензодатчика 17, передающийся на нормирующие усилители 21 и 22 по линии связи 38 будет положительным, а по линии связи 39 отрицательным. Такая полярность электрических сигналов соответствует стандартной работе только нормирующего усилителя 21, на выходе которого формируется токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Для усилителя 22 полярность входного сигнала противоположна стандартной фиксированной полярности входного сигнала, поэтому нормирующий усилитель 22 переходит в режим работы, при котором на его выходе формируется быстро затухающий токовый сигнал, что приводит к остановке работы усилителя 22 на данном режиме измерения.

Сигнал с нормирующего усилителя 21 поступает в систему автоматического управления 19, где полученные данные обрабатываются с использованием калибровочной характеристики тензодатчика 17 продольного перемещения на растягивающее усилие и определяется величина тягового усилия, развиваемого силовой установкой 10 в режиме полета летательного аппарата без учета силы аэродинамического сопротивления корпуса силовой установки 8 от набегающего воздушного потока. Для определения величины полной тяги, развиваемой силовой установкой 8 измеренную величину тягового усилия складывают с силой аэродинамического сопротивление корпуса испытуемой силовой установки 8 от набегающего воздушного потока.

Таким образом предложенное устройство обеспечивает повышение точности измерения полной силы тяги и силы аэродинамического сопротивления силовой установки летательного аппарата путем стабилизации моделируемых параметров работы силовой установки летательного аппарата в имитируемых условиях полета.

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов. Устройство содержит станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления, систему автоматического управления и силоизмерительный механизм с калибровочной системой и тензодатчиком продольного перемещения. Упругие пластины выполнены Ш-образной формы с центральным и боковыми стержнями и жестким горизонтальным основанием. Калибровочная система снабжена двумя подключенными к системе автоматического управления калибровочными тензодатчиками с силовоспринимающими рамками и двумя пневмоцилиндрами. Рабочие полости каждого пневмоцилиндра подключены через управляемые клапаны к источнику давления. Устройство обеспечивает повышение точности измерения полной силы тяги с учетом силы аэродинамического сопротивления силовой установки путем стабилизации моделируемых параметров работы силовой установки летательного аппарата в имитируемых условиях его полета. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для аэродинамических испытаний силовых установок летательных аппаратов, содержащее источник воздушного потока, станину с опорными элементами, горизонтальную динамометрическую платформу с передней и задней поперечными балками и механизмом крепления испытуемого летательного аппарата с силовой установкой, механически связанную с опорными элементами станины с помощью упругих пластин и установленную с возможностью горизонтального перемещения относительно станины вдоль продольной оси силовой установки летательного аппарата, систему автоматического управления с командным блоком и силоизмерительный механизм с калибровочной системой и тензодатчиком продольного перемещения, механически связанным с одной стороны со станиной, с другой стороны - с динамометрической платформой и подключенным к системе автоматического управления, отличающееся тем, что упругие пластины выполнены Ш-образной формы с центральным и боковыми стержнями и жестким горизонтальным основанием, причем боковые стержни каждой упругой пластины свободными концами жестко закреплены на опорных элементах станины, а центральный стержень каждой упругой пластины жестко закреплен на динамометрической платформе, калибровочная система снабжена двумя подключенными к системе автоматического управления калибровочными тензодатчиками с силовоспринимающими рамками и двумя пневмоцилиндрами, установленными в передней и задней части станины, рабочие полости каждого пневмоцилиндра подключены через управляемые клапаны к источнику давления, а поршень со штоком жестко связан с одним из калибровочных тензодатчиков, при этом один из калибровочных тензодатчиков через силовоспринимающую рамку механически связан с передней поперечной балкой динамометрической платформы, другой - с ее задней поперечной балкой, а механическая связь силовоспринимающих рамок с калибровочными тензодатчиками выполнена с возможностью ее отключения за счет ограниченного перемещения силовоспринимающих рамок относительно калибровочных тензодатчиков в направлении перемещения динамометрической платформы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тензодатчик продольного перемещения и калибровочные тензодатчики связаны, каждый, с системой автоматического управления через два нормирующих усилителя, подключенных встречно-параллельно.