СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВИНТОКРЫЛЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ ИСКУССТВЕННОГО ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК B64F5/60 G01M99/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к стендам для испытания авиационной техники в условиях искусственного обледенения, и может быть использовано, например, при испытаниях полноразмерных моделей беспилотных винтокрылых летательных аппаратов (дронов, квадрокоптеров, мультикоптеров, БПЛА, БАС и т.д.) в условиях обледенения.

Уровень техники

Известен стенд для испытания вертолетов в условиях искусственного обледенения (стр. 6 в [1]), содержащее мачту, вертикальную ферму с форсунками, закрепленную на верху мачты и распыляющую воду в сторону от неё на испытываемый вертолет, расположенный в 30 м от мачты ниже по ветру и работающего в режиме висения или гонки двигателя на земле под сформированным искусственным облаком при температурах окружающего воздуха ниже 0°С.

Недостаток этого стенда заключается в том, что для его работы необходимо наличие ветра, который бы сдувал образующееся искусственное облако от мачты в сторону расположения вертолета. Это ограничивает работу стенда в безветренную погоду или с переменным ветром, а также накладывает ограничения на его размещение.

Известен также стенд для испытания вертолетов в условиях искусственного обледенения (стр. 288-289 в [2]), состоящий из двух матч, коллектора с форсунками, подвешенного между мачтами и распыляющего воду вниз на испытываемый вертолет, расположенного внизу под коллектором и работающего в режиме висения или гонки двигателя на земле при температурах окружающего воздуха ниже 0°С.

Недостатком этого стенда является неравномерная водность (масса воды в виде капель в единице объема) искусственного облака, засасывающего испытуемым винтокрылым летательным аппаратом. Уменьшение водности в облаке от центральной её части к краям возникает из-за испарения капель воды в окружающий сухой воздух. Также неравномерная водность возникает при сдувании искусственного облака воздушным потоком, создаваемым ветром или вентиляторами теплообменного аппарата, во время испытания малых винтокрылых летательных аппаратов на открытом воздухе или внутри климатической камеры, соответственно. Все эти причины неравномерной водности будут приводить к снижению точности и воспроизводимости испытаний в особенности для малых винтокрылых летательных аппаратов с малой засасывающей силой.

Заявленное изобретение устраняет вышеуказанные недостатки.

Раскрытие изобретения

Техническая задача заключается в создании эффективного и надежного стенда для испытаний винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения, обеспечивающего высокую точность результатов испытаний и воспроизводимости условий обледенения, расширение модельного ряда испытуемых винтокрылых летательных аппаратов и условий обледенения, позволяющего уменьшить неоднородность формируемого облака и облегчить управление испытуемым винтокрылым летательным аппаратом под образующимся облаком, в том числе для предотвращения соударения летательного аппарата с элементами стенда, а также обладающего высокой энергоэффективностью.

Технический результат заключается в повышении точности результатов испытаний и воспроизводимости условий обледенения, в расширении модельного ряда испытуемых винтокрылых летательных аппаратов и условий обледенения, уменьшении неоднородности формируемого облака и облегчении управления испытуемым винтокрылым летательным аппаратом под образующимся облаком, предотвращении соударения летательного аппарата с элементами стенда, а также в повышении энергоэффективности.

Технический результат достигается за счет того, что стенд для испытания винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения содержит, расположенные в объеме окружающего воздуха при температуре ниже 0°С, форсунки, распыляющие воду вниз на испытываемый под ними винтокрылый летательный аппарат с вращающимися винтами, измерители температуры и влажности воздуха, причем в стенд введена труба, размещенная вертикально над испытываемым винтокрылым летательным аппаратом и внутри которой установлены форсунки, а также устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат.

Кроме того, устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат, выполнено в виде швартового элемента.

Кроме того, устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат, выполнено в виде неподвижной рамы, на которой он жестко зафиксирован.

Кроме того, винтокрылый летательный аппарат зафиксирован к неподвижной раме через приспособление, измеряющее его тягу.

Кроме того, приспособление, измеряющее тягу винтокрылого летательного аппарата, выполнено в виде тензодатчика, закрепленного на нем и на неподвижной раме.

Кроме того, приспособление, измеряющее тягу винтокрылого летательного аппарата, выполнено в виде весов, установленных на неподвижной раме и измеряющих массу летательного аппарата с жестко прикреплённым неподвижным грузом.

Кроме того, объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С получен путем размещения элементов стенда на открытом воздухе в холодное время года.

Кроме того, объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С получен путем размещения элементов стенда в холодильной камере.

Кроме того, измерители температуры и влажности установлены снаружи трубы около ее нижнего отверстия.

Кроме того, на форсунках установлены нагревающие элементы и термодатчик.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично изображен стенд для испытания винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения при использовании швартовых устройств – вид сбоку;

На фиг. 2 показан фрагмент стенда при жесткой фиксации испытываемого винтокрылого аппарата к раме – вид сбоку.

На фигурах цифрами обозначены следующие элементы:

1 – объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С;

2 – форсунки;

3 – испытываемый винтокрылый летательный аппарат;

4 – измерители температуры и влажности воздуха;

5 – труба;

6 – швартовый элемент;

7 – неподвижная рама.

Осуществление изобретения

Предлагаемый стенд (фиг. 1) содержит, размещаемые в объеме (1) окружающего воздуха при температуре ниже 0°С, форсунки (2), распыляющие воду вниз на испытываемый под ними винтокрылый летательный аппарат (3), измерители температуры и влажности воздуха (4), вертикально ориентированную трубу (5) и устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат.

Испытываемый винтокрылый аппарат (2) с вращающимися винтами удерживается под трубой (5) за счет швартовочного элемента (6), выполненного в виде троса, веревки и т.п., ограничивающего его полёт, или за счет его жесткой фиксации на неподвижной раме (7) (фиг. 2). Рама в свою очередь может быть зафиксирована на поверхности или иметь такой вес, чтобы летательный аппарат не смог её поднять. К раме летательный аппарат может быть зафиксирован через приспособление, измеряющего его тягу, например тензодатчик, закрепленный на нем и на неподвижной раме, или посредством крепления к нему неподвижного груза и установки на весы, измеряющих массу летательного аппарата, находящихся на неподвижной раме.

Объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С (1) может быть получен путем размещения элементов стенда на открытом воздухе в холодное время года или путем размещения элементов стенда в холодильной камере.

Форсунки (2) закреплены в трубе (5), например, в верхнем её отверстии с помощью профиля. В зависимости от типа форсунок (2) (однофазная или двухфазная), они выполнены с возможностью подключения либо к системе подачи воды под давлением, либо к системам подачи воды и сжатого воздуха. Для предотвращения замерзания воды, на форсунках (2) установлены нагревающие элементы и термодатчик, соединенные с терморегулирующей системой (не показан на фиг.1).

Измерители температуры и влажности (4) установлены снаружи трубы (5), например, около ее нижнего отверстия и закреплены, например, на каркасе (не показан на фиг.1). Измерителей температуры и влажности может быть как минимум два: один для измерения температур, второй – для влажности, или они могут быть объединены в один прибор, который периодически их опрашивает, выводит показания на табло и записывает их во внутреннюю память для последующего анализа.

Труба (5) устанавливается вертикально над винтокрылым аппаратом, на расстоянии от него, благодаря креплению её, например, к каркасу (не показан на фиг.1).

Стенд работает следующим образом. Форсунки (2) распыляют воду вниз. За счёт испарения и конвекции, температура капель воды падает ниже 0°С, т.е. они переходят в переохлажденное состояние. Под форсунками запускается испытываемый винтокрылый летательный аппарат (3). Он поднимается в воздух и переходит в режим висения под трубой (5). В варианте, когда летательный аппарат (3) жестко зафиксирован на неподвижной раме (7), запускаются его двигатель(и) и он(они) выводится на необходимую частоту вращения. Воздушный поток, создаваемый вращающимся винтом (вращающимися винтами) летательного аппарата (3), засасывает переохлажденные капли воды из трубы (5), часть из которых может удариться о поверхность летательного аппарата (3) и замерзнуть. Перед и вовремя испытаний фиксируется температура и влажность окружающего воздуха с помощью соответствующих измерителей (4). На основе измеренной температуры и влажности воздуха, расхода воды через форсунки, а также скорости воздушного потока в трубе (5), создаваемого работающим винтокрылым летательным аппаратом (3), определяют водность (масса воды в капельном виде на единицу объема воздуха) в водовоздушном потоке. От водности в водовоздушном потоке и температуры воздуха зависит скорость ледообразования.

Размещение трубы (5) вертикально над испытываемым винтокрылым летательным аппаратом (3) с заключением форсунок (2) позволяет уменьшить неоднородность формируемого облака за счёт уменьшения испарения с его периферии. Также, труба (5) предотвращает снос облака (сдувание в бок) под действием воздушного потока, создаваемый ветром или вентиляторами теплообменного аппарата, во время испытания малых винтокрылых летательных аппаратов на открытом воздухе или внутри климатической камеры, соответственно. Теплообменные аппараты с вентиляторами могут быть установлены внутри климатических камер в верхней её части, в которой также находятся форсунки (2). Помимо этого, труба защищает окружающее пространство от распыляемых капель форсунками (2), что позволяет разместить измерители температуры и влажности воздуха (4) вблизи летательного аппарата (3) и тем самым повысить точность измерения данных параметров, от которых зависит оценка условий обледенения во время испытаний. Вдобавок, наличие трубы (5) стабилизирует полет винтокрылого аппарата в режиме висения под ней за счёт эффекта Бернулли. Это облегчает его управление под образующимся облаком и тем самым повышает точность испытаний.

Использование швартового элемента (6) позволяет предотвратить соударение летательного аппарата (3) с элементами стенда, приблизить испытания к естественным за счет естественного аэродинамического обтекания, а также получить сведения об управляемости летательного аппарата во время обледенения. Помимо этого, швартовый элемент позволяет осуществить свободный взлёт летательного аппарата, тем самым это расширяет круг испытуемых летательных аппаратов на те, у которых на программном уровне стоит прерывание полёта при неспособности оторваться от взлетной площадки.

Жесткое фиксирование исследуемого винтокрылого летательного аппарата (3) на раме (7) позволяет повысить точность его позиционирования под образующимся облаком, а также исключить влияние краевых эффектов при испытаниях в климатических камерах малого размера (приводящих к неконтролируемому сносу летательных аппаратов к стенкам и их столкновение с ними).

Фиксация винтокрылого летательного аппарата к неподвижной раме через приспособление, измеряющее его тягу, позволяет оценить деградацию этой характеристики во время испытания и, соответственно, определить полётное время летательного аппарата во время обледенения. Использование тензодатчика, в качестве такого приспособления, делает крепление компактным и соответственно меньше возмущает воздушный поток вокруг летательного аппарата, но требует дополнительного оборудования для преобразования сигнала в отличие от весов, установленных на неподвижной раме и измеряющих массу летательного аппарата с жестко прикреплённым неподвижным грузом. Размещение стенда на открытом воздухе в холодное время года позволяет повысить его энергоэффективность, так как не происходят затраты на охлаждение воздуха. Также это дает возможность исследовать обледенение на разных высотах, путем размещения стенда в гористой местности.

Размещение стенда в холодильной камере позволяет всесезонно испытывать винтокрылые летательные аппараты, а также повысить точность испытаний путем их повтора при тех же условиях.

Установка на форсунках нагревающих элементов и термодатчика с подключением терморегулирующей системе предотвращает их обмерзание и, соответственно, изменение водности во время эксперимента.

Таким образом, признаки предлагаемого изобретения расширяют функциональные возможности по наземным испытаниям винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения.

Выполнение вышеуказанным образом предлагаемого стенда обеспечивает высокую точность результатов испытаний и воспроизводимости условий обледенения, расширяет модельный ряд испытуемых винтокрылых летательных аппаратов и условия обледенения, позволяет уменьшить неоднородность формируемого облака и облегчить управление испытуемым винтокрылым летательным аппаратом под образующимся облаком, в том числе для предотвращения соударения летательного аппарата с элементами стенда, а также повысить энергоэффективность.

Литература

1. M.M. Oleskiw, A Review of 65 Years of Aircraft In-Flight Icing Research at NRC, Canadian aeronautics and space journal, vol. 47, No. 3, September 2001.

2. Тенишев Р.Х. и др., Противообледенительные системы летательных аппаратов. Основы проектирования и методы расчета, М., «Машиностроение», 1967.

Изобретение относится к испытательным стендам для авиационной техники. Стенд для испытания винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения содержит размещаемые в объеме (1) окружающего воздуха при температуре ниже 0°С форсунки (2), распыляющие воду вниз на испытываемый под ними винтокрылый летательный аппарат (3), измерители температуры и влажности воздуха (4). В стенд введена вертикально ориентированная труба (5), в которой закреплены форсунки (2). Испытываемый винтокрылый аппарат (3) с вращающимися винтами удерживается под трубой (5) за счет швартовочного элемента (6). Достигается повышение точности результатов испытаний. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стенд для испытания винтокрылых летательных аппаратов в условиях искусственного обледенения, характеризующийся тем, что содержит расположенные в объеме окружающего воздуха при температуре ниже 0°С форсунки, распыляющие воду вниз на испытываемый под ними винтокрылый летательный аппарат с вращающимися винтами, измерители температуры и влажности воздуха, причем в стенд введена труба, размещенная вертикально над испытываемым винтокрылым летательным аппаратом и внутри которой установлены форсунки, а также устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат.

2. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат, выполнено в виде швартового элемента.

3. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что устройство, удерживающее испытываемый винтокрылый летательный аппарат, выполнено в виде неподвижной рамы, на которой он жестко зафиксирован.

4. Стенд по п.3, характеризующийся тем, что винтокрылый летательный аппарат зафиксирован к неподвижной раме через приспособление, измеряющее его тягу.

5. Стенд по п.4, характеризующийся тем, что приспособление, измеряющее тягу винтокрылого летательного аппарата, выполнено в виде тензодатчика, закрепленного на нем и на неподвижной раме.

6. Стенд по п.4, характеризующийся тем, что приспособление, измеряющее тягу винтокрылого летательного аппарата, выполнено в виде весов, установленных на неподвижной раме и измеряющих массу летательного аппарата с жестко прикреплённым неподвижным грузом.

7. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С получен путем размещения элементов стенда на открытом воздухе в холодное время года.

8. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что объем окружающего воздуха при температуре ниже 0°С получен путем размещения элементов стенда в холодильной камере.

9. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что измерители температуры и влажности установлены снаружи трубы около ее нижнего отверстия.

10. Стенд по п.1, характеризующийся тем, что на форсунках установлены нагревающие элементы и термодатчик.