Способ исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели летательного аппарата и устройство его реализующее Российский патент 2024 года по МПК G01M9/00 

Предлагаемое изобретение относится к аэродинамическим испытаниям на установках для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборных моделей летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ) в процессе экспериментального определения аэродинамических характеристик подобных моделей ЛА.

Предложен способ проведения пошагового аэродинамического эксперимента, позволяющего исследовать аэродинамическое взаимовлияние корпуса и внешних блоков сборных моделей ЛА с модульным принципом построения компоновки. В частности, для исследования аэродинамических характеристик сборных моделей ЛА, состоящих из корпуса, в виде цилиндрического тела вращения с головной частью полусферической, конической или оживальной формы и одного или нескольких внешних блоков, например, в виде также, цилиндрических тел вращения с головными частями полусферической, конической или оживальной формы, которые в компоновке с корпусом образуют сборную модель ЛА.

Эксперименты, в соответствии с предложенным способом, проводят в АДТ в условиях широкого допустимого диапазона геометрических параметров внешних блоков моделей ЛА и режимов испытаний, применяя устройство, важнейшим элементом которого является кронштейн для установки каждого внешнего блока модели ЛА в заданное положение. Указанный кронштейн представляет собой легко монтируемую к хвостовой державке крепежную конструкцию, не вносящую искажений в картину обтекания сборной модели ЛА поскольку его габаритные размеры не превышают габаритные размеры модели ЛА.

В процессе создания современных ЛА сложной компоновки и получения их аэродинамических характеристик является актуальным знание аэродинамического взаимовлияния между входящими в компоновку корпусом и внешними блоками, так как это во многом определяет картину обтекания ЛА и, как следствие, влияет на значение суммарных аэродинамических характеристик ЛА.

Сложный характер распределения давлений и картины предельных линий тока вдоль корпуса ЛА, в случае с присоединенными внешними блоками, требует исследования таких течений экспериментальным способом. На сегодняшний день одним из основных экспериментальных способов, позволяющим изучать аэродинамическое взаимовлияние корпуса и внешних блоков компоновки ЛА, является моделирование процесса обтекания моделей ЛА при испытаниях в АДТ.

Основой предлагаемого изобретения является способ проведения испытаний в АДТ и устройство его реализующее, позволяющие решать следующие задачи:

- исследование интерференционных явлений между корпусом и внешними блоками сборной модели ЛА при соответствующих углах атаки и скольжения на специальном устройстве;

- снижение трудоемкости и стоимости проведения экспериментов в АДТ и формирование моделей для экспериментального получения аэродинамических характеристик исследуемых сборных моделей ЛА;

- расширение вариантов компоновок испытываемых сборных моделей ЛА, с различным сочетанием конфигураций их отдельных внешних блоков и схем их расположения;

- получение, при проведении испытаний в АДТ, данных пригодных для повышения точности сравнительного анализа разрабатываемых и уже известных компоновок ЛА, а также для прогнозирования аэродинамических характеристик ЛА.

В связи с тем, что дальнейшее изложение материалов касается проведения экспериментов в АДТ, с моделями ЛА в целом, будем в последующих формулировках считать возможным опускать слово модели, понимая, что все рассматриваемые блоки и корпуса - это модели.

Известен ряд технических решений, связанных с исследованием в АДТ аэродинамического взаимовлияния внешних элементов-блоков с корпусами-планерами моделей ЛА (см., например, Радциг А.Н. Экспериментальная гидроаэромеханика, изд. МАИ, Москва, 2004 г.), в которых исследуется обтекание корпуса модели ЛА-планера в сочетании с исследованием потоков обтекания внешних блоков, конструктивно скрепленных с планером, в том числе, соединенных с элементами планера модели ЛА, мотогондол и различного навесного оборудования.

Однако эти способы, позволяя решать задачу по определению интегральных характеристик моделей ЛА, при воздействии обтекающим воздушным потоком на внешние блоки, не решают задачу по исследованию аэродинамического взаимовлияния внешних блоков и корпуса-планера.

Известно также техническое решение «Способ исследования и оптимизация компоновки летательного аппарата и модель для его осуществления» (патент RU 2761543, МПК G01M 9/08, опубликован 09.12.2021), в котором предложен способ проведения пошагового аэродинамического эксперимента, позволяющего создать сборную аэродинамическую модель ЛА, с модульным принципом построения, и с оптимальными аэродинамическими характеристиками.

При создании указанной модели сборного ЛА, в процессе проведения эксперимента в АДТ, требуется использовать уникальные державки и кронштейны для крепления блоков сборной модели ЛА к элементам тензометрических весов и рабочей части АДТ, а также крепления блоков между собой.

Вследствие этого, для различных видов испытаний приходится изготавливать несколько уникальных, но однотипных по конструкции моделей сборных ЛА, каждая из которых выполняется для конкретных измерительных устройств, заданных условий проведения эксперимента и с конкретными конструктивными параметрами блоков моделей сборных ЛА.

Предлагаемый способ, в приведенном техническом решении, а также модель ЛА предназначены для изучения интегральных аэродинамических характеристик модели преобразуемого ЛА, содержащего, по меньшей мере, один корпус и один внешний блок.

Однако данный способ и применение в нем модульного подхода к формированию сборной модели ЛА, тем не менее, не позволяют осуществлять исследование аэродинамического влияния внешних блоков на корпус ЛА и, наоборот, а также характеризуется большой трудоемкостью проведения испытаний.

Известно также техническое решение «Способ измерения аэродинамических характеристик модели летательного аппарата и устройство для его осуществления» (патент РФ №2084851, МКИ⁶ G01M 9/00, опубликовано 20.07.1997). В соответствии с этим способом модель ЛА устанавливают в рабочую часть АДТ, затем поток воздуха направляют в рабочую часть АДТ и измеряют аэродинамические характеристики модели ЛА. Измерение аэродинамических характеристик ЛА осуществляют как при отсутствии воздействия на поток влияния различных элементов компоновки, так и при его наличии.

Предлагаемое в данном техническом решении устройство, для аэродинамических испытаний, содержит модель ЛА, закрепленную на хвостовой державке. Хвостовая державка снабжена тензовесами для измерения аэродинамических характеристик, действующих на модель ЛА в воздушном потоке, сформированным в АДТ. Модель ЛА, установленная в данном устройстве, снабжена имитаторами различных внешних элементов, оказывающих аэродинамическое воздействие на корпус модели ЛА.

Этот способ аэродинамических испытаний позволяет решать задачу измерения аэродинамических характеристик моделей ЛА как без учета, так и с учетом различных внешних элементов компоновки ЛА. Однако реализация этого способа ориентирована на измерение интегральных характеристик ЛА, с учетом сил и моментов, действующих одновременно от всех элементов компоновки, а при изменении их конструктивных параметров требует полной перенастройки системы сборки компоновки и системы измерения, действующих на нее сил. Указанная перенастройка требует большой трудоемкости и существенных затрат времени. Причем измеряются, как и в рассмотренных выше технических решениях, характеристики без вычленения аэродинамической составляющей воздействия внешних элементов компоновки ЛА на ее корпус, что не позволяет проводить детальное исследование причин изменения этих аэродинамических характеристик.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение «Способ аэродинамических испытаний модели летательного аппарата и стенд для его осуществления» (патент RU 2421701, МПК G01M 9/00, опубликован 20.06.2011), обеспечивающее проведение аэродинамического эксперимента в АДТ при учете аэродинамического воздействия на корпус модели ЛА внешних элементов - блоков в виде мотогондол и работающих двигательных установок.

Технический результат в этом аналоге достигается тем, что модель ЛА составлена из планера и мотогондол, являющихся в данном случае внешними блоками. Причем планер закреплен на хвостовой державке, снабженной тензовесами. Мотогондолы не скреплены с планером, каждая из них закреплена на элементах конструкции АДТ с небольшим зазором относительно планера, при этом также моделируется воздействие на планер реверсных струй от силовой установки.

Недостатком данного решения является то, что крепление мотогондол к элементам конструкции АДТ вносит сильные искажения в картину обтекания в окрестности блоков компоновки и не позволяет, в процессе проведения экспериментов, изменять углы атаки и скольжения внешних блоков. Кроме того, при изменении условий проведения экспериментов и конструктивных параметров внешних элементов, приходится выполнять большой объем работ и тратить много времени на перенастройку компоновки модели ЛА.

Описанный способ принят за прототип изобретения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа, позволяющего в АДТ определять, как интегральные аэродинамические характеристики корпуса модели ЛА, так и их составляющие индуцированные влиянием внешних блоков при изменении конструктивных параметров внешних блоков и условий проведения эксперимента, а также устройства реализующего этот способ и обеспечивающего фиксацию внешних блоков вблизи корпуса модели ЛА. Причем элементы крепления внешних блоков не должны иметь контакта с корпусом, с элементами АДТ и не вносить сильных искажений в картину обтекания модели ЛА. Кроме того, указанные элементы крепления должны позволять производить оперативное изменение положения внешних блоков относительно корпуса, а также их быструю установку и демонтаж.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность экспериментального определения аэродинамического воздействия внешних блоков сборной модели ЛА, в широком диапазоне изменения их конструктивных параметров, на аэродинамические силы, действующие на корпус модели ЛА при их установке с различными углами атаки и скольжения, причем с малыми затратами времени.

Технический результат в соответствии с заявляемым способом аэродинамических испытаний, достигается следующим образом.

Как и в ближайшем аналоге, заявляемый способ аэродинамических испытаний сборной модели ЛА, составленной из корпуса и одного или нескольких внешних блоков, включает монтаж в рабочей части АДТ корпуса модели ЛА на хвостовой державке, оснащенной внутримодельными тензометрическими весами, с заданными углами атаки и скольжения относительно направления потока воздуха в АДТ, обдув корпуса потоком воздуха, созданным в АДТ, с заданной скоростью и измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус, установку внешних блоков с небольшим зазором относительно основного корпуса, обдув, сформированной компоновки модели ЛА, потоком воздуха, созданным в АДТ, с заданной скоростью и измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус модели ЛА в совокупности с возмущающим влиянием на поток воздуха со стороны внешних блоков.

Однако в отличие от известного аналога в заявляемом способе при испытаниях каждый внешний блок модели ЛА устанавливают бесконтактно с конструктивными элементами АДТ, скрепляя их с хвостовой державкой с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты, обеспечивающих быструю замену внешних блоков на конструктивно подобные, а также изменение их пространственного расположения относительно корпуса сборной модели ЛА.

При этом определяют разность значений аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус модели ЛА при отсутствии внешних блоков, оказывающих возмущающее влияние на поток воздуха обтекающий корпус, а затем при установленном положении внешних блоков возле корпуса, что составляет долю аэродинамических сил, действующих на корпус, вследствие аэродинамического влияния, со стороны внешних блоков.

С учетом полученных результатов, изменяют схему компоновки внешних блоков модели ЛА, конструктивные параметры внешних блоков, условия проведения эксперимента и проводят следующие испытания, анализируя количественные изменения аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА.

В процессе проведения испытаний аэродинамическое влияние внешних блоков, на обтекающий корпус модели ЛА поток воздуха, содержит в себе также аэродинамическое воздействие на внешние блоки со стороны корпуса модели ЛА.

Предложенные процедуры способа аэродинамических испытаний позволяют, обеспечить достижение заявленного технического результата.

В заявляемом способе новым является то, что установка внешних блоков в АДТ, вблизи корпуса модели ЛА, закреплением их к хвостовой державке с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты, в донном следе корпуса, позволяет исключить внесение указанными элементами аэродинамических искажений в картину обтекания модели ЛА.

Кроме того, разъемное присоединение внешних блоков к кронштейнам, а кронштейнов к хвостовой державке, с помощью составной обжимной муфты, позволяет сократить трудоемкость и время проведения подобных испытаний.

При этом предложенный способ крепления внешних блоков к хвостовой державке обеспечивает также полную синхронность изменения углов атаки и скольжения всех блоков исследуемой компоновки модели ЛА в процессе проведения испытаний.

Технический результат достигается заявляемым устройством, реализующим предложенный способ аэродинамических испытаний, следующим образом.

Заявляемое устройство для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА, размещенное в рабочей части АДТ, содержит корпус сборной модели ЛА, закрепленный на хвостовой державке, оснащенной с одной стороны внутримодельными тензовесами, а с другой стороны присоединенную к механизму контроля углов атаки и скольжения, и одного или нескольких внешних блоков, установленных с небольшим зазором от корпуса сборной модели ЛА.

В отличие от ближайшего аналога в заявляемом устройстве внешние блоки установлены бесконтактно от конструктивных элементов АДТ и скреплены с хвостовой державкой с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты, с возможностью разъемного присоединения к ним внешних блоков и их разъемного присоединения к хвостовой державке с помощью составной обжимной муфты.

Такое исполнение устройства для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА позволяет достичь заявленного технического результата.

Заявляемые способ исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА, а также устройство его реализующее иллюстрируются следующими материалами:

фиг. 1 - Общий вид устройства для испытаний моделей ЛА в АДТ,

фиг. 2 - Кронштейны с обжимной муфтой в сборе для устройства испытаний моделей ЛА в АДТ с четырьмя внешними блоками, в компоновке схемы «+»,

фиг. 3 - Устройство для испытаний моделей ЛА в АДТ, вид спереди, с четырьмя внешними блоками.

фиг. 4 - Общий вид в аксонометрии модели ЛА с фиксацией на хвостовой державке.

В заявляемом способе испытаний используют модель ЛА с модульным принципом построения компоновки, размещенной в АДТ 1 (см. фиг.1, фиг.4). Модель ЛА состоит из корпуса 2, в виде цилиндрического тела вращения с головной частью полусферической, конической или оживальной формы и одного или нескольких, внешних блоков 3, также, например, в виде цилиндрических тел вращения с головной частью полусферической, конической или оживальной формы, которые в компоновке с корпусом образуют сборную модель ЛА.

Заявляемый способ исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА выполняется следующим образом.

Корпус 2 сборной модели ЛА монтируют на хвостовой державке 4, размещенной в рабочей части АДТ 1 с заданными углами атаки и скольжения, осуществляют обдув корпуса 2 потоком воздуха, созданным в АДТ 1, с заданной скоростью и производят измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус 2 модели ЛА (см. фиг.1), при отсутствии внешних блоков, т.е. без оказания ими воздействия на набегающий поток воздуха.

Затем, с небольшим зазором от корпуса 2, используя специальные кронштейны 5 и составную обжимную муфту 6, устанавливают внешние блоки 3, которых может быть один или несколько (см. фиг.1, фиг.3). Производят обдув смонтированной компоновки потоком воздуха, созданным в АДТ 1, с заданной скоростью и производят измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус 2 модели ЛА (см. фиг.1) с установленными рядом с ним внешними блоками 3.

Сравнение измеренных сил и моментов, действующих на корпус 2 без оказания воздействия на набегающий поток воздуха внешними блоками 3, с действующими на корпус 2 силами и моментами в условиях оказания воздействия на набегающий поток воздуха внешними блоками 3, позволяет провести оценку влияния внешних блоков на аэродинамические характеристики корпуса 2.

С учетом полученных результатов, изменяют схему компоновки внешних блоков 3 модели ЛА, конструктивные параметры внешних блоков 3, условия проведения эксперимента и проводят следующие испытания, анализируя количественные изменения аэродинамического взаимовлияния корпуса 2 и внешних блоков 3 сборной модели ЛА.

Причем аэродинамическое влияние внешних блоков 3 на корпус 2 модели ЛА, содержит в себе составляющую аэродинамического воздействия корпуса 2 на внешние блоки 3.

Эксперименты проводят в условиях допустимого диапазона геометрических параметров корпуса 2 и внешних блоков 3 модели ЛА (см. фиг.1) при различных условиях проведения экспериментов.

Зазор между внешними блоками 3 и корпусом 2 (см. фиг.1) может составлять примерно 2÷5 мм. Пространственные перемещения корпуса 2, под действием аэродинамических нагрузок, при меньших значениях зазора, в ходе обдува моделей потоком воздуха в АДТ 1, может привести к контакту внешних блоков и корпуса. Увеличение зазора, выше указанного диапазона, может привести к большим погрешностям изменения сил и моментов, индуцированных аэродинамическим воздействием внешних блоков 3 на корпус 2 модели ЛА для случая жесткого крепления внешних блоков 3 и корпуса 2.

В процессе обдува модели ЛА потоком воздуха, в условиях присутствия внешних блоков 3, изменяя количество внешних блоков, их размеры и пространственное расположение относительно корпуса 3 возможно формирование новых компоновок модели ЛА.

Формирование модели ЛА из корпуса и внешних блоков, конструктивно не скрепленных друг с другом, фиксация корпуса на хвостовой державке, снабженной тензовесами, а крепление внешних блоков, с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты, к хвостовой державке позволяет разделить решение задачи измерения интегральных сил и моментов, действующих на корпус ЛА, от решения задачи определения доли аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус от внешних блоков.

Для применения заявляемого способа аэродинамических испытаний предлагается использовать заявляемое устройство для реализации указанных аэродинамических испытаний.

Заявляемое устройство для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели ЛА, размещенной в рабочей части АДТ 1, содержит корпус 2 сборной модели ЛА, установленный с помощью хвостовой державки 4, и один или несколько внешних блоков 3, закрепленных с помощью кронштейнов 5 и составной обжимной муфты 6 (см. фиг.2) на хвостовой державке 4.

Хвостовая державка 4 с одной стороны оснащена внутримодельными тензовесами, зафиксированными в корпусе 3 (не показано), а с другой стороны присоединена к механизму контроля углов атаки и скольжения (не показано), а в средней части соединяется с составной обжимной муфтой 6 (см. фиг.1), содержащей посадочные гнезда 7 (см. фиг.2), для закрепления к ней кронштейнов 5, и обеспечивает установку корпуса 3 с заданными углами атаки и скольжения.

Кронштейны 5 имеют резьбовое сочленение 8 с внешними блоками и резьбовое соединение 9 с составной обжимной муфтой 6 (см. фиг.2).

Причем, наличие в заявляемом устройстве специальных кронштейнов 5 (см. фиг.2) с приспособлениями 8 и 9 (см. фиг.2), сочленения кронштейнов 5 с внешними блоками 3 и с составной обжимной муфтой 6, позволяет реализовать быстросъемный, процесс по замене внешних блоков 3 на конструктивно подобные и обеспечить определение сил и моментов, действующих на корпус 2 в широком диапазоне геометрических параметров внешних блоков 3, а также схем их расположения и количества.

Кроме того, в заявляемом устройстве крепление внешних блоков 3 с помощью специальных кронштейнов 5 и составной обжимной муфты 6, жестко закрепленных к хвостовой державке 4, обеспечивает проведение испытаний модели ЛА скоординировано по углам атаки и скольжения одновременно для всех блоков компоновки.

Такое устройство для аэродинамических испытаний полностью позволяет достичь заявленного технического результата.

Заявляемое устройство для аэродинамических испытаний наиболее целесообразно использовать для реализации заявляемого способа аэродинамических испытаний.

Проведя серию экспериментов с различными скоростями обдува модели ЛА, можно выявить закономерности влияния внешних блоков на аэродинамические характеристики модели ЛА во всем диапазоне скоростей обдува, а изменяя конструктивные параметры внешних блоков можно оценить параметры модели ЛА, обладающей заданными аэродинамическими характеристиками.

Применение предложенного способа возможно и при иных конструктивных вариантах исполнения корпуса и внешних блоков модели ЛА.

Изобретение может быть реализовано в научно-исследовательских организациях и предприятиях авиационной и ракетно-космической промышленности.

Предлагаемое изобретение относится к аэродинамическим испытаниям на установках для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборных моделей летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ) в процессе экспериментального определения аэродинамических характеристик подобных моделей ЛА. При проведении испытаний используют модели ЛА, составленные из корпуса, например в виде цилиндрического тела вращения с головной частью полусферической, конической или оживальной формы, и одного или нескольких внешних блоков, также, например, в виде цилиндрических тел вращения с головной частью полусферической, конической или оживальной формы, которые монтируют рядом с корпусом, бесконтактно с конструктивными элементами аэродинамической трубы, и с небольшим зазором от самого корпуса. Технический результат заключается в возможности определять дополнительные аэродинамические силы и моменты, действующие на корпус сборной модели ЛА, в присутствии внешних для него блоков компоновки, для различных конструктивных параметров корпуса и внешних блоков модели ЛА, схем их взаимного расположения и условий проведения испытаний. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели летательного аппарата, включающий монтаж в рабочей части аэродинамической трубы корпуса модели летательного аппарата на хвостовой державке, имеющей заданную ориентацию относительно направления потока воздуха в аэродинамической трубе и оснащенной внутримодельными тензометрическими весами, обдув корпуса потоком воздуха, созданным в аэродинамической трубе, с заданной скоростью и измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус, установку внешних блоков с небольшим зазором относительно основного корпуса, обдув сформированной компоновки модели летательного аппарата потоком воздуха, созданным в аэродинамической трубе, с заданной скоростью и измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус модели летательного аппарата, при влиянии на поток воздуха со стороны внешних блоков, отличающийся тем, что при испытаниях каждый внешний блок модели летательного аппарата устанавливают бесконтактно с конструктивными элементами аэродинамической трубы и с небольшим зазором относительно корпуса, скрепляя их с хвостовой державкой с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты, обеспечивающих замену внешних блоков на конструктивно подобные, а также изменение их пространственного расположения относительно корпуса сборной модели ЛА, при этом в серии испытаний при различных конструктивных параметрах внешних блоков и различных условиях проведения опыта определяют разность значений аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус модели летательного аппарата, сначала при отсутствии внешних блоков, оказывающих возмущающее влияние на поток воздуха, обтекающий корпус, а затем при установленном положении внешних блоков возле корпуса, что составляет долю аэродинамических сил, действующих на корпус, вследствие аэродинамического влияния, со стороны внешних блоков, воспринимающих также аэродинамическое влияние со стороны корпуса, анализируя количественные изменения аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели летательного аппарата.

2. Устройство для исследования аэродинамического взаимовлияния корпуса и внешних блоков сборной модели летательного аппарата, размещенное в рабочей части аэродинамической трубы, содержащее корпус сборной модели летательного аппарата, закрепленный на хвостовой державке, оснащенной с одной стороны внутримодельными тензовесами, с другой стороны присоединенной к механизму контроля углами атаки и скольжения, и одного или нескольких внешних блоков, установленных с небольшим зазором от корпуса, отличающееся тем, что внешние блоки установлены бесконтактно от конструктивных элементов аэродинамической трубы и скреплены с хвостовой державкой с помощью кронштейнов и составной обжимной муфты с возможностью разъемного присоединения к ним внешних блоков и их присоединения к хвостовой державке.