Устройство для определения тяговых характеристик имитаторов воздушно-реактивных двигателей (врд), способ определения тяговых характеристик имитаторов врд и способ контроля достоверности определения тяговых характеристик имитаторов врд
Владельцы патента RU 2381471:
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) (RU)
Изобретения относятся к экспериментальной аэродинамике и могут быть использованы для аэродинамических испытаний моделей летательный аппаратов. Устройство содержит имитатор двигателя с воздухозаборником, проточным каналом и эжектором, установленный на державке весов сверхзвуковой аэродинамической трубы, содержащей систему подвода рабочего тела в эжектор. Державка снабжена поддерживающим пилоном с экраном, на котором установлен имитатор ВРД. Способ определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД включает установку устройства с имитатором в аэродинамической трубе, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых характеристик с помощью аэродинамических весов. Характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране имитатора ВРД и подводом струй рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без имитатора, затем вычисляют разности полученных характеристик, которые представляют собой эффективные тяговые характеристики имитатора ВРД. Способ контроля достоверности определения эффективных тяговых характеристик имитатора ВРД включает установку устройства с имитатором в аэродинамической трубе, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых и моментных характеристик с помощью аэродинамических весов. Характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране имитатора ВРД и подводом рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без подвода рабочего тела, то есть без тяги, затем вычисляют разности характеристик, полученная величина является аналогом внутренней тяги и момента тяги, по которым определяют плечо действия силы тяги, которое должно быть равно расстоянию от оси державки до точки, лежащей в пределах габаритной высоты проточного канала имитатора ВРД. Технический результат заключается в создании устройства для определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к устройствам для исследования имитаторов воздушно-реактивных двигателей (ВРД).
Имитаторы применяются с целью повышения точности и достоверности аэродинамических испытаний моделей летательных аппаратов путем достижения полного динамического подобия, приближения к натурным условиям полета. Речь идет преимущественно о моделях аппаратов, интегрированных с силовой установкой.
Известна установка для исследования моделей летательных аппаратов, которая содержит державку с обтекателем и тензовесами для крепления модели и сильфон с трубопроводами системы подачи в модель сжатого воздуха. Установка дополнительно снабжена установленным между стойкой и тензовесами эксцентриковым узлом, тензовесы выполнены с центральным каналом, в котором с зазором от его стенок размещен трубопровод, расположенный между сильфоном и моделью, при этом сильфон с тензовесами размещены вне модели, а обтекатель снабжен стопором, установленным с возможностью взаимодействия с державкой /1/.
Эта установка позволяет определить только результирующую силу, действующую на модель летательного аппарата, и не дает возможность разложить ее на аэродинамическую и движущую силы, т.е. определить коэффициент тяги имитатора ВРД. Это является недостатком данной установки.
Известен тарировочный стенд для имитаторов воздушно-реактивных двигателей, который выбран за прототип /2/. Тарировочный стенд содержит вакуумную камеру с отражателем и стенками, трубки Вентури, сильфон, весы и приемники давления. Функционально он наиболее близок к предлагаемому изобретению.
Недостатком этого устройства является сложность конструктивного решения, необходимость видоизменять конструкцию мотогондолы для закрепления ее на фланце передней стенки вакуумной камеры, невозможность определения эффективной тяги имитатора.
Задачей изобретения является создание устройства для определения эффективных (то есть с учетом внешнего сопротивления) тяговых характеристик имитаторов ВРД и определения достоверности замеров тяговых характеристик имитаторов ВРД в условиях, соответствующих испытаниям моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах преимущественно сверхзвуковых скоростей.
Поставленная задача реализуется в устройстве для определения эффективных тяговых характеристик имитаторов воздушно-реактивных двигателей (ВРД), которое содержит имитатор двигателя, выполненный в виде мотогондолы с воздухозаборником, проточным каналом и эжектором. Имитатор установлен на державке на весах сверхзвуковой аэродинамической трубы, содержащей систему подвода рабочего тела в эжектор, а также гребенки приемников давления. Державка снабжена поддерживающим пилоном с экраном, на котором установлен имитатор воздушно-реактивного двигателя. Экран выполнен в виде тонкой пластины, причем конфигурация экрана соответствует проекции имитатора ВРД в плане и имеет заостренную переднюю кромку.
Способ определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД включает установку устройства с имитатором в аэродинамической трубе на державке, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых характеристик с помощью аэродинамических весов. Характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране поддерживающего пилона державки имитатора ВРД и подводом струй рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без имитатора, затем вычисляют разности полученных характеристик, которые представляют собой эффективные тяговые характеристики имитатора ВРД.
Способ контроля достоверности определения эффективных тяговых характеристик имитатора ВРД включает установку устройства с имитатором в аэродинамической трубе на державке, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых и моментных характеристик с помощью аэродинамических весов. Характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране поддерживающего пилона державки имитатора ВРД и подводом рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без подвода рабочего тела, то есть без тяги, затем вычисляют разности характеристик, полученная величина является аналогом внутренней тяги и момента тяги, по которым определяют плечо действия силы тяги, которое должно быть равно расстоянию от оси державки до точки, лежащей в пределах габаритной высоты проточного канала имитатора ВРД.
Предложенные устройство и способы позволяют в процессе эксперимента в аэродинамической трубе определить тяговые характеристики имитатора ВРД и достоверность их измерений.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники, и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
Устройство разработано применительно к использованию с аэродинамическими весами внешнего типа и подключению к системе подвода рабочего тела (воздуха) высокого давления. Система подачи рабочего тела имеет силовую развязку с весами.
На фиг.1 изображено устройство для определения тяговых характеристик имитаторов воздушно-реактивных двигателей при нулевом угле атаки, на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1, на фиг.3 - заостренная носовая часть экрана (увеличено), на фиг.4 - график применения результатов определения тяговых характеристик имитаторов ВРД к конкретной модели сверхзвукового самолета.
В имитаторе должны воспроизводиться: коэффициент расхода и степень сжатия воздухозаборника, тип реактивного сопла и коэффициент тяги, а также подобие внешних обводов мотогондолы имитатора - такие же, как в натурном объекте. Все это должно обеспечивать возможность испытания моделей в аэродинамических трубах на режимах уравновешивания силы сопротивления силой тяги на различных углах атаки. По известной эффективной тяге может определяться сопротивление модели летательного аппарата совместно с силовой установкой, что предъявляет повышенные требования к точности определения эффективной тяги /3/.
Устройство для определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД включает: имитатор двигателя ВРД 1 с воздухозаборником 2 и проточным каналом 3, выполненный в виде мотогондолы с эжектором 4. Имитатор ВРД установлен на державке 5 посредством поддерживающего пилона 6 с экраном 7. Экран представляет собой тонкую пластину с заостренной передней кромкой. Конфигурация экрана точно соответствует проекции имитатора ВРД в плане. Державка 5 установлена на стойке 8 аэродинамических весов сверхзвуковой аэродинамической трубы 9, которая содержит систему подвода 10 рабочего тела в эжектор 4. Путем поворота стойки 8 аэродинамических весов может изменяться угол атаки устройства при проведении экспериментов. Рабочее тело (воздух) проходит через стойку весов 8, державку 5 и поддерживающий пилон 6 с экраном 7. На срезе канала 3 установлены гребенки приемников давления 11.
Способ определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД состоит из двух основных этапов (двух испытаний) и заключается в следующем.
1. Имитатор двигателя ВРД 1 вместе с экраном 7 закрепляют на поддерживающем пилоне 6, который, в свою очередь, посредством державки 5 фиксируется в стойке аэродинамических весов 8 аэродинамической трубы 9 на заданном угле атаки. Таким образом устройство размещается в рабочей части аэродинамической трубы. Подсоединяют систему подвода рабочего тела 10 для подачи воздуха высокого давления в эжектор 4 имитатора ВРД. Запускают аэродинамическую трубу на требуемом режиме. Открывают и регулируют до требуемого уровня подачу воздуха высокого давления в эжектор 4. Измеряют аэродинамическими весами силовые характеристики: продольную и нормальную силы и момент тангажа. Вычисляют аэродинамические коэффициенты (в связанной системе координат).
2. На втором этапе измерения проводят без имитатора ВРД. Перекрывают подвод рабочего тела в поддерживающий пилон, устанавливают экран с заглушенным отверстием. Запускают аэродинамическую трубу на требуемом режиме. Измеряют те же аэродинамические характеристики, как в первом испытании, и вычисляются аэродинамические коэффициенты.
Далее вычисляется разность аэродинамических коэффициентов этих двух испытаний,
Индекс вверху означает номер испытания.
Основным параметром, определяемым в процессе испытаний, является коэффициент эффективной тяги имитатора сPx:
где Рx - продольная сила по результатам испытаний (сила тяги);
Sмг - площадь миделя мотогондолы;
q∞ - скоростной напор;
p∞ - давление в потоке;
k - показатель адиабаты;
M∞ - число Маха.
Интерференционное влияние поддерживающего пилона на имитатор ВРД отсекается экраном, который воспринимает давление, вызванное этим влиянием. Поскольку второе испытание проводится с экраном, но без имитатора ВРД, то силы интерференции при вычитании исключаются. Интерференционное же влияние имитатора на поддерживающий пилон исключается за счет того, что поддерживающий пилон выполнен достаточно узким (см. сечение А-А на фиг.2) и на него не распространяются волновые возмущения от имитатора ВРД. В результатах операции вычитания по компоненту Х присутствует погрешность от действия силы трения на поверхности экрана, сопрягающейся с имитатором ВРД, которая возникает во втором испытании. Эта погрешность легко устраняется расчетом силы трения на экране.
Нормальные силы, возникающие на имитаторе, определяемые с помощью описанной процедуры испытаний, представляют интерес для исследования влияния поверхностей внешнего сжатия воздухозаборника имитатора ВРД и, возможно - несимметричного истечения из канала, на результирующую силу.
Способ контроля достоверности определения тяговых характеристик имитаторов ВРД является вспомогательной операцией и служит для дополнительной проверки достоверности выполненных измерений по определению эффективных тяговых характеристик имитатора ВРД. В дополнение к описанным выше двум основным этапам испытаний выполняется (методическое) испытание, которое заключается в следующем.
3. Имитатор ВРД закрепляют на экране поддерживающего пилона. Запускают аэродинамическую трубу на требуемом режиме. Воздух высокого давления на эжектор не подают, то есть осуществляют пассивный проток воздуха, захватываемого только воздухозаборником имитатора ВРД, через проточный канал имитатора. Измеряют аэродинамические характеристики: продольную силу и момент тангажа и вычисляют аэродинамические коэффициенты.
Далее вычисляют разности аэродинамических коэффициентов продольных сил и момента тангажа:
Разность продольных сил создается за счет импульса струй, истекающих из эжектора, а также повышения давления на стенках расширяющегося участка воздухозаборника и сопла в проточном канале. Моментная ось аэродинамических весов лежит, как правило, на оси державки. Поэтому разность моментов, полученная в этих испытаниях, равна произведению разности сил на плечо ее действия - L. Эти испытания позволяют вычислить плечо силы тяги (L), которое, в случае достоверных измерений, должно быть равно расстоянию от оси державки до точки, лежащей в пределах габаритной высоты проточного канала имитатора ВРД. В этом заключается проверка достоверности измерений.
Приемник давления 11 на выходе проточного канала 3 (на срезе сопла) служит вспомогательным целям: определению степени нерасчетности истечения струи, равномерности поля газодинамических параметров. Эти данные важны при исследовании интерференционного влияния струи.
Примеры
Был проведен эксперимент с применением устройства для определения эффективных тяговых характеристик имитаторов ВРД для конкретной модели сверхзвукового самолета с двумя силовыми установками (мотогондолами) в диапазоне угла атаки α=-2+9°.
Испытывались имитаторы с двумя разными профилями проточного канала в этом же диапазоне изменения угла атаки (см. фиг.4):
А - с сужающимся - расширяющимся реактивным соплом, имеющим увеличенную площадь критического сечения на 10% по сравнению с точным моделированием, что необходимо из условия сохранения расхода - дозвуковой режим течения в проточном канале;
Б - с расширяющимся проточным каналом - сверхзвуковой режим течения в канале.
На фиг.4 приводится потребный (необходимый) коэффициент тяги, равный коэффициенту сопротивления (кривая Сx) для модели конкретного сверхзвукового самолета, полученный при числе Маха 2,25, отнесенный к площади миделя двух мотогондол. Там же показаны коэффициенты суммарной тяги двух имитаторов ВРД для двух профилировок проточного канала, полученные при одинаковом давлении воздуха в эжекторе, равном 6,0 МПа. Видно, что потребный и располагаемый коэффициенты тяги пересекаются на угле атаки ≈6,5°, т.е. имитаторы ВРД обеспечивают динамическое моделирование крейсерских условий полета.
Видно также, что сверхзвуковая профилировка проточного канала мотогондолы обеспечивает более высокий коэффициент тяги при равных условиях.
Источники информации
1. Патент SU 1828694, G01M 9/00, 1991 г.
2. Патент RU 2009457, G01M 9/02, G01L 25/00, 1994 г. - прототип.
3. Freeman D.C. Low Subsonic Flight and Force Investigation of a Supersonic Transport Model with a Variable - Sweep Wing // NASA TN D-4726, 1968, Nov.
1. Устройство для определения тяговых характеристик имитаторов воздушно-реактивных двигателей (ВРД), включающее имитатор ВРД, выполненный в виде мотогондолы с воздухозаборником, проточным каналом и эжектором, размещенный на державке на весах сверхзвуковой аэродинамической трубы, содержащей систему подвода рабочего тела в эжектор, а также гребенки приемников давления, отличающееся тем, что державка снабжена поддерживающим пилоном с экраном, выполненным в виде тонкой пластины, на которой установлен имитатор ВРД, причем конфигурация экрана соответствует проекции имитатора ВРД в плане и имеет переднюю острую кромку.
2. Способ определения тяговых характеристик имитаторов ВРД, включающий установку устройства с имитатором ВРД в аэродинамической трубе на державке, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых характеристик с помощью аэродинамических весов, отличающийся тем, что характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране поддерживающего пилона державки имитатора ВРД и подводом рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без имитатора ВРД, затем вычисляют разности полученных характеристик, которые представляют собой эффективные тяговые характеристики имитатора ВРД.
3. Способ контроля достоверности определения тяговых характеристик имитаторов ВРД, включающий установку устройства с имитатором ВРД в аэродинамической трубе на державке, обдув сверхзвуковым потоком и измерение тяговых и моментных характеристик с помощью аэродинамических весов, отличающийся тем, что характеристики устройства измеряют дважды: с установкой на экране поддерживающего пилона державки имитатора ВРД и подводом рабочего тела к эжектору, то есть с тягой, и без подвода рабочего тела, то есть без тяги, затем вычисляют разности полученных характеристик, результирующая величина является аналогом внутренней тяги и момента тяги, по которым определяют плечо действия силы тяги, которое, в случае достоверных измерений, должно быть равно расстоянию от оси державки до точки, лежащей в пределах габаритной высоты проточного канала имитатора ВРД.
