Способ определения аэродинамических характеристик моделей и устройство для его осуществления

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике и может быть использовано при весовых испытанияхмоделей.Целью изобретения является повышение точности определения аэродинамических характеристик,На фиг. 1 приведено устройство для осуществления способа, общий вид; на фиг. 2 -показан рабочий переключатель; на фиг, 3 - 10схема управления точкой подвеса каната ктелу; на фиг, 4- конструкция расположениявертлюга относительно центра масс тела; нафиг. 5 - конструкция узла крепления вертлюга к канату; на фиг. 6, 7 - заделка концов "5стабилизирующих гибких связей на их барабане намотки и размотки; на фиг. Н - схемадействия сил.Устройство для определения аэродинамических характеристик тел содержит канат 201, вертлюг 2, предназначенный для снятиякрутящего момента от канала 1 к боковойплоскости и снабженный узлом 3 крепленияканату 1 с верхней стороны, а с нижнейстороны - подвесной системой, состоящей 25из двух ветвей (нитей) 4, 5, опорный вал 6,расположенный и подвижно закрепленный;например, в подшипниках 7, Н в поперечнойплоскости тела 9, измеритель (силомерноекольцо) 10 натяжения каната 1, измеритель ЗО(датчик) 11 угла атаки каната 1, измеритель(датчик) 12 угла атаки тела 9.Устройство содеожит также стабилизатор колебаний тела 9 и средство балансировки тела 9, причем стабилизатор 35колебаний тела 9 имеет стабилизирующиегибкие связи (нити) 13, 14 и средство изменения направления стабилизирующих гибких связей 13, 14, а средство балансировкитела 9 имеет электромагнитный,тормоз 15, 40привод 16, вал 17, муфту 18, передаточныймеханизм 19, рабочий переключатель 20,выполненный в виде упора 21 и концевыхвыключателей 22, 23, барабаны 24, 25 намотки и размотки ветвей 4, 5 подвесной 45системы, направляющие ролики 26, 27 ветвей 4, 5 подвесной системы, управляющиепереключатели 28, 29, источник 30 питания,диоды 31, 32,Средство изменения направления стабилизирующих гибких связей 13, 14 содержит направляющие ролики 33, 34, 35, 36стабилизирующих гибких связей 13, 14, барабан 37 намотки и раэмотки стабилизирующих гибких связей 13, 14, закрепленный 55на опорном валу 6, и передаточные ролики ЗН, 39. Причем направляющие ролики 33, 34, .35. 36 стабилизирующих гибких связей 13, 14 и передаточные ролии ЗН, 39 расположены в продольной плоскости тела 9 и размещены попарно один над другим, а концы 40, 41 стабилизирующих гибких связей 13, 14 закреплены на нижней части вертлюга 2.Нижняя часть вертлюга 2 расположена на расстоянии 0,2 - 0,3 характерного размера тела 9 от центра масс тела 9, а ось 42 (см. фиг. 4), совпадающая с осью 43 вращения вертлюга 2, проходит через центр масс тела 9.Стабилизирующие гибкие связи 13, 14 контактируют с одной из парой направляющих роликов 33, 34 стабилизирующих гибких связей 13, 14 и через барабан 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14 - с передаточными роликами 38, 39 и другой парой направляющих роликов 35, 36 стабилизирующих гибких связей 13, 14. Расстояние между участками стабилизирующих гибких связей 13, 14, контактирующих с каждой парой соответствующих направляющих роликов 33, 34, равно 0,6 - 3.5 характерного размера тела, а гибких связей 13, 14 с нижним передаточным роликом 39 равно 0-2,3 характерного размера тель 9,При этом ветви 4, 5 подвесной системы через соответствующие направляющие ролики 26, 27. расположеннь 1 е в поперечной плоскости симметрично продольной плоскости тела 9, закреплены на соответствующих барабанах 24, 25 намотки и раэмотки ветвей 4, 5 подвесной системы, Причем барабаны 24, 25 намотки и размотки ветвей 4, 5 подвесной системы, Причем барабаны 24, 25 намотки и размотки ветвей 4, 5 подвесной системы закреплены на опорном валу 6 и размещены симметрично относительно барабана 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14.Расстояние междуучастками ветвей 4,5 подвесной системы, контактирующих с направляющими роликами 26, 27 и барабанами 24, 25 намотки и размотки ветвей подвесной системы, равно 0,6-3,5 характерного размера тела,Углы между ветвями 4. 5 подвесной системы и стабилизирующими гибкими связями 13, 14 выполнены с возможностью их изменения в пределах от 145 до 10 О, а разность расстояния (см, фиг. 2) между осями направляющего ролика 36 стабилизирующей гибкой связи 14 и передаточного ролика 39, параллельных продольной оси тела 9, равно наружному диаметру барабана 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14,Вал 17 привода 16 через муфту 18 и передаточный механизм 19 связан с опорным валом 6, на одном из концов которого размещен электромагнитный тормоз 15, 1462970Упор рабочего переключателя 20 закреплен на стабилизирующей гибкой связи, например 14, и расположен между барабаном 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14 и нижним передаточным роликом 39.При этом один из концевых выключателей 22 закреплен в теле 9 и у барабана 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14. а другой - у нижнего передаточного ролика 39, а подвижные элементы 44, 45 концевых выключателей 22, 23 расположены навстречу один другому и выполнены с возможностью контактирования с упором 21. Концевые выключатели 22, 23 закреплены на кронштейнах, которые закреплены в теле 9 с возможностью их перемещения и изменения расстояния между концевыми выключателями 22, 23.Плюсовой вывод 46 источника 30 питания связан с одними выводами 47, 48, управляющих переключателей 28, 29, другие выводы 49, 50 которых связаны через соответствующие нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты концевых включателей 22, 23 с анодами диодов 31, 32, катоды которых соединены через обмотку 51 электромагнитного тормоза 15 с минусовым выводом 52 источника 30 питания. анод одного иэ диодов 31 соединен через обмотку 53 привода, 16 с минусовым выводом 52 источника 30 питания.Узел 3 крепления вертлюга 2 к канату 1 выполнен в виде вилки 54, стержня 55 и элемента 56 крепления вилки 54 к измерителю 10 натяжения каната 1, при этом измеритель 10 натяжения каната 1 размещен между канатом 1 и элементом 56 крепления вилки 54 к измерителю натяжения каната 1, измеритель 12 угла атаки тела закреплен в носовой части в зоне невозмущенного потока, в измеритель 11 угла атаки каната 1 закреплен на элементе 56 крепления вилки 54 к измерителю 10 натяжения каната 1.Концы деталей 4, 5 подвесной системы и стабилизирующих гибких связей 13.14 заделаны в коуши и закреплены на нижней части вертлюга 2. Также на коуш заделан конец каната 1 к измерителю 10 натяжения каната 1.Концы стабилизирующих гибких связей, выполненные из металлического каната, закреплены на барабане 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14, который имеет две канавки для укладки соответствующей гибкой связи 13 или 14. При этом заделка каната на шарик в барабане 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14 может осуществляться по нормали авиационной техники.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 аг (а 1).Передача сигналов с измерителей 10, 11, 12 углов атаки каната 1 и тела 9 и силы натяжения каната 1 для регистрации. а также их запитка постоянным или переменным напряжением может осуществляться, например по кабель-тросу,Для измерения угла атаки каната 1 и тела 9 при продувке последнего в азродинаИзмеритель 10 натяжения каната 1 может быть выполнен в виде силомерного кольца круглой или эллиптической формы, снаружи и внутри которого размещены тензометрические датчики 57, причем они расположены в середине кольца.Размещение измерителя 10 натяжения каната 1 между вертлюгом 2 и канатом 1 выбрано с таким расчетом, чтобы измерять величину силы натяжения каната 1 у тела 9 и исключить влияние аэродинамических и массовых характеристик каната 1 на точ ность измерения и натяжения. Как видно из фиг. 8, аэродинамические массовые характеристики каната 1 равны 0 (точка а) в месте крепления каната 1 к вертлюгу 2 и равны ЛТк в произвольно выбранной точке каната (точка Ь), поэтому величины сил натяжения каната в точках а и Ь не равны ТкгТк.Измеритель 12 угла атаки тела 9 закреплен в носовой части тела в зоне возмущенного потока, и съем сигнала с указанного датчика может производиться, например с потенциометра с двумя средними точками, к которому подается напряжение постоянного или переменного тока.Конструкция измерителя 11 угла атаки каната 1 идентична конструкции измерителя 12 угла атаки тела 9,Для балансировки тела 9 в исходном положении ветви 4, 5 подвесной системы и стабилизирующие гибкие связи 13. 14 снабжены тандерами 58, 59, 60, 61, которые позволяют регулировать длину ветвей 4, 5 подвесной системы стабилизирующие связи 13, 14.Измеритель 11 угла атаки каната 1, определяющий угловое положение вектора силы натяжения каната 1, размещен между измерителем 10 натяжения каната 1, размещен между измерителем 10 натяжения каната 1 и вертлюгом 2, так как в этом месте размещен измеритель 10 натяжения каната 1, определяющий величину вектора силы натяжения каната Тк. При этом такое размещение измерителя 11 угла атаки каната 1 исключает влияние изменения направления вектора силы натяжения каната по его длине за счет прогиба каната на точность измерения угла атаки каната у тела (см. фиг. 8, мической трубе можно использовать, например, теодолит. В качестве привода можно использовать, например,.электродвигатель постоянного тока,Определение аэродинамических коэффициентов тела осущеСтвляется следующим образом.Перед началом испытаний определяютгеометрические характеристики тела 9: характерную площадь Б (например, площадь 10крыла) и характерный размер 1 например,среднюю аэродинамическую хорду крылаЬа), рассчитывают координаты центра масстела относительно выбранных элементовконструкции тела например, носа тела, 15строительной горизонтали и т.д.), Определяют массу е тела 9 при отсоединенных канате 11, вертлюге 2. Подсоединяют ветви 4, 5подвесной системы и стабилизирующиегибкие связи 13, 14 к канату .,через вертоюг 202 и производят центровку тела 9 с помощьютандеров 58, 59, 60, 61 Л 4 ентроека тела 9 каке продольной, так и поперечной плоскостяхможет осуществляться по уровню. Тело 9подвешивают через канат 1, силомерное 25кольцо 10, вертлюг 2, ветви 4, 5 подвеснойсистемы и стабилизирующие связи 13, 14 иустанавливают фиксированную скоростьпотока К Измерение скоростного напорар Ч /2 осуществляется с помощью измери2теля скоростного напора, размещенного взоне невозмущенного потока. Под действием аэродинамических и массовых сил и моментов тело 9 занимает балансировочноеположение. Измеряют силу натяжения каната 1 у тела 9 Т 1, угол атаки тела 9 а, Уменьшают скорость потока до нуля и смещаютточку подвеса каната 1 к телу 9 вдоль вертикальной оси е пределах 1,3-2,4 характерного размера тела. Производят центровку тела 40в смещенной точке подееса каната 1 к телу9 с помощью тендеров 58, 59, 60, 61, Устанавливают заданную скорость потока и измеряют параметры Тг, ахг, агВесовые аэродинамические коэффициенты определяют по следующей методике,Вычисляют проекции Тхк Ту силы натяжения каната Т; на оси ОХ и ОУ для двухвариантов экспериментаТх=Тсоз щ, 50Ту- Тзп ак 1, 1)где 1- 1, 2 - номер эксперимента,С другой стороныТх -ОаьТу -а+ гпту, д 55где Оа- сила лобового сопротивлечия тела;а 1 - подъемная сила тела;9 - ускорение силы тяжести,Из 2) определяютОа = Тхь 1 а = гп 9 - Туь Составляют систему уравнений1 аг Са с;рЧ 2,2 1.г откуда определяют Суо и Су,г1 аг В ф)22/2 Яаг откуда определяют Схои В, где В - коэффициент отвала померы.При наличии управляющей поверхности, например руля высоты, проводят дополнительный эксперимент с отклоненным рулем высоты,Для этого уменьшают скорость потока до нуля и устанавливают угол отклонения руля высоты двз, отличный от нуля, например д,з = 5, устанавливают заданную скорость потка и измеряют. параметры Тз, ахз, аз,Производную коэффициента подьемной силы тела по рулю высоты С у в определяют по Формуле д, 1 1 аз С Са Овз22 уо у )в РУ /2Моментные аэродинамические коэффициенты определяют из уравнения равновесия моментов, действующих на тело в г;родольной плоскости, которое имеет вид Мг 10+ М г 1 а+ М ггдв - Тх 1 у 1+Ту х 1 "О,а д где М гг = пт Ж 1 рЧ /2- производная прод д дольного момента по рулю высоты; птгтв- коэффициент производной прод дольного момента по рулю вцсоты.Учитывая, что в прямолинейном полете или пои продувке в аэродинамической трубе угол наклона траектории О-О, угол скольжения в продольной плоскости ф= 0 и Тх 1 = Тх сов Я + Ту 8 и Я; Ту = - Тх 1 эмап Я + Ту) сов Я;Тхг= Оа; Ту 1 = 6 - 1 а 1, после подстановки пол имМго+ М 5 а+ М гадаа сов а+ +О -Уа)зЬ а)Ут+-Оаэ 1 п а+ + б - Уа) соз а 3 хт - О. 3) При отсутствии управляющей поверхности др О, а выбранной схемы подвески хт О,Составляют систему уравнения1462970 с 1 а 1 щ г 10 1 Оа 1 сов Гх 1 + (6 - У 1) зп Гх 1) тт 11 Гх 2 гп т 51 ру 2/2 Од 1 соэ Й 2 + О - Уа 2) ви Гх 2 Ут 250 55 Откуда определяют гпг 1 о и гп 1.При наличии управляющей поверхности, в частности руля высоты, коэффициент производной продольного момента по рулю высоты гпопределяется при отклонении руля на заданный угол, например д 4 = 5 О, Расчет этого коэффициента производится после определения параметров Т 4, Гх 4, Гхл и подстановки данных в формулу(3) с учетом хт=ОУстройство для определения аэродинамических характеристик тел работает следующим образом,Перед началом испытаний определяют геометрические характеристики тела 9: характерный размер(например, длину тела, диаметр тела, среднюю аэродинамическу 1 о хорду крыла тела и т.д.) и характерную площадь Я, Производят центровку тела 9 в расчетной точке в продольной и поперечной плоскостях, С помощью весов определяют массу гп тела 9 при отсоединенных канате 1, вертлюге 2. Подсоединяют ветви 4, 5 подвесной системы и стабилизирующие гибкие связи 13, 14 к канату 1 через вертлюг 2, узел крепления к канату 1 с датчиком 11 угла атаки каната 1, силомерное колько 10 с тензометрическими датчиками 57, Канат 1 подсоединяют к силовой балке и обеспечивает висячее положение телу 9, С помощью тандеров 58, 59 обеспечивают балансировочное положение тела 9 в боковой плоскости с нулевым углом крена по уровню, а с помощью тандеров 60, 61 обеспечивают балансировочное положение тела 9 в продольной плоскости с нулевым углом тангажа. Таким образом обеспечивается центровка тела 9, т,е. прохождение оси 43 вертлюга 2, а следовательно, и точки подвеса каната 1 к вертлюгу 2 через центра масс тела 9. Затем тело 9 посредством каната 1 помещают в поток (воздушный или гидродинамический). Под действием набегающего потока тело 9 занимает балансировочное положение. С помощью измерителя 12 угла атаки тела 9. установленного в его носовой части в зоне невозмущенного потока. определяют угол атаки тела 9, С помощью измерителя 11 угла атаки каната 1, закрепленного на элементе 56 крепления вилки 54. определяют угол атаки каната 1, Сьем сигналов с измерителей 11 и 12 углов атаки каната 1 и тела 9 (например, с флюгерных датчиков с выходными потенциометрагли) может 5 10 15 20 25 30 35 40 45 производиться с поглощью регистра (контрольно-записывающей аппаратуры, тестера и т.д,), причем выходное напряжение с выходных потенциометров флюгерных датчиков должно быть протарировано в зависимости от угла поворота их подвижной части, С помощью тензометрических датчиков 57 силомерного кольца 10 определяют величину натяжения каната 1 у тела 9. Для перемещения точки подвеса каната 1 к телу 9 вдоль вертикальной оси включают управляющий переключатель 29, При этом напряжение постоянного тока поступает с источника 30 питания через управляющий переключатель 29, нормально замкнутые контакты концевого выключателя 23, диод 32 на обмотку 51 электромагнитного тормоза 15, Вал 17 привода 16 в исходном положении расстыкован с передаточным механизмом 19 благодаря муфте 18. Электромагнитный тормоз 15 растормаживает опорный вал 6, Под действием собственного веса тело 9 разматывает ветви 4, 5 подвесной системы и стабилизирующие гибкие связи 13, 14 с соответствующих барабанов 24, 25 намотки и размотки ветвей 4, 5 подвесной системы и барабана 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13,14, закрепленных на опорном валу 6, При этом упор 21 рабочего переключателя 20 отпускает подвижный элемент 44 кон цевого выключателя 22 и перемещается вместе со стабилизирующей гибкой связью 14, на которой он жестко закреплен, до нажатия на подвижный элемент 45 концевого выключателя 23. Концевой выключатель 23 обесточивает обмотку 51 электромагнитного тормоза 15, который стопорит опорный вал 6, Точка пересечения нижней части вертлюга 2, совпадающая с точкой подвеса каната 1 к телу 9, переместилась относительно его центра масс в новое положение,Причем расположение этой точки на вертикальной оси 42 определяется положением концевого выключателя 23. закрепленного на кронштейне (см, фиг, 2), который может перемещаться вдоль участка стабилизирующей гибкой связи 14 между барабаном 37 намотки и рэзмотки стабилизирующих гибких связей 13, 14 и нижним передаточным роликом 39 и закрепляется в расчетногл положении. В связи с изменением расстояния между точкой подвеса каната 1 к телу 9 и его центром масс изменяется продольнь й момент, действующий на тело 9 при обтекании его потоком,1462970 направлении на 0.2 - 0,3, длины тела и последующем на 0,04 - 0,05 длины тела,1, Способ определения аэродинамических характеристик моделей, основанный на определении углов атаки гибкой подве ски и модели и определении усилий, действующих на гибкую подвеску, и смещения оси вращения относительно центра масс модели, по которым рассчитывают аэродинамические характеристики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения аэродинамических характеристик, определение углов атаки и измерение усилий осуществляют при начальном смещении .си вращения в вертикальном равный произведению силы натяжения каната 1 на его плечо. Под действием продольного момента тело 9 занимает новое,балансировочное положение. С помощьюизмерителя 12 угла атаки тела 9, измерителя 511 угла атаки каната 1, измерителя 10 натяжения каната 1 определяют углы атаки тела9 и каната 1, а также силу натяжения каната1. По данным для двух положений точкиподвеса рассчитывают аэродинамические 10коэффициенты, Для перевода тела 9 в начальное положение вал 17 привода 16 черезмуфту 18 соединяется с передаточным механизмом 19. Управляющий переключатель 29переводится в исходное положение, т,е. отключается, а управляющий переключатель28 подключает напряжение источника 30питания через концевой выключатель 22,который замыкается при отпускании подвижного элемента 44, на обмотку 53 привода 16 и через диод 31 на обмотку 51электромагнитного тормоза 15, Электромагнитный тормоз 15 растормаживаетопорный вал 6, который начинает вращатьсяпод действием момента от привода 16. При 25этом ветки 4, 5 подвесной системы и стабилизирующие гибкие связи 13, 14 наматываются нэ соответствующие барабаны 24, 25намотки и размотки ветвей 4, 5 подвеснойсистемы и барабан 37 намотки и размотки 30стабилизирующих гибких связей 13, 14,Упор 21 рабочего переключателя 20 отпускает подвижный элемент 45 концевого выключателя 22, переводя его в нормальнозамкнутое положение. При достижении концевого выключателя 22 упор 21 нажимает наего подвижный элемент 44, обеспечивая обмотку 51 электромагнитного тормоза 15 иобмотку 53 привода 16. При этом электромагнитный тормоз 15 обеспечивает фиксацию опорного вала 6 в исходномположении, Управляющий переключатель28 устанавливается в исходное отключен 45Формула изобретения ное положение. Начальное положение точки подвеса каната 1 к телу 9 может регулироваться путем перемещения кронштейна с концевым выключателем 22 на участке стабилизирующей гибкой связи 14 между барабаном 37 намотки и размотки стабилизирующих гибких связей 13, 14 и нижним передаточным роликом 39.Предлагаемый способ определения аэродинамических характеристик тел и устройство для его осуществления позволяют повысить точность определения аэродинамических коэффициентов тел за счет повышения устойчивости и снижения колебаний тела в потоке и повышения точности измерения усилий, действующих на гибкую связь, углов атаки тела и гибкой связи, К другим преимуществам предлагаемого способа и устройства для его реализации относится возможность определения аэродинамических коэффициентов тел с высокорасположенным крылом, а также повышение быстродействия и удобства пользования за счет сокращения времени нэ перемещение точки подвеса каната к телу. В этом случае нет необходимости в снижении скорости потока для перемещения точки подвеса каната к телу благодаря средству балансировки тела, выполненному с воэможностью дистанционного управления точкой подвеса каната к телу, Способ и устройство для его осуществления имеют большое значение при определении аэродинамических коэффициентов тел, буксируемых с помощью гибкой связи. Идентификация аэродинамических коэффициентов буксируемых на канате тел может производиться по результатам летных испытаний. (56) Горлин С.М, Экспериментальная аэродинамика, М,: Высшая школа, 1970, с, 224- 253,Авторское свидетельство СССР М 1130098, кл, 0 01 М 9/00, 1982. 2. Устрэйство для определения аэродинамических характеристик моделей, содержащее трос, вертлюг, соединенный с двумя поперечными связями. измеритель натяжения троса и датчики углов атаки модели и троса, отличающееся тем, что устройство снабжено двумя продольными связями, соединенными с вертлюгом, опорным валом с приводом, механизмами синхронизации перемещения связей с системами управления, причем продольные ипоперечные связи выполнены в виде гиб. соединены с опорным валом так, что ось ких нитей, свободные концы которых через вращения вертлюга совмещена с центром механизмы синхронизации перемещения масс модели,1462970 Фаг, 7 Милюкова рректо Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул.Гагарина, 1 Редактор Т,ЛошкаревЗаказ 3245 оставитель А.Хлупновехред М.Моргентал Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5