Современные методы экспериментальных исследований крыла и аппарата вблизи экрана

Несмотря на широкий размах теоретических исследований вли­яния близости экрана на аэродинамику крыла, основным и на­иболее надежным методом изучения этой проблемы, по мнению зарубежных специалистов (Т. Каарио, А. Липпиш, Р. Галлипг- тон и др.), является эксперимент. К подобному выводу они при­шли прежде всего вследствие сложности указанной проблемы, трудно разрешимой только теоретическим путем и при ограни­ченном объеме систематических (параметрических) опытных данных для их обобщения.

Как известно, одна из особенностей рассматриваемых здесь аппаратов — применение самых различных режимов движения: «ползания» по суше (по снегу и т. п.), плавания, глиссирования, околоэкраниого полета и полета за пределами влияния земли. Далеко не все современные экраноплаиы способны использовать все эти режимы движения. Необычайно широкий диапазон ре­жимов движения экранопланов усложняет экспериментальное исследование данных аппаратов, потому что им соответствуют принципиально различные законы изменения действующих на них сил и законы подобия явлений. Еще более сложны для изу­чения переходные процессы при изменении режимов движения. В соответствии с указанными режимами весьма разнообразны и методы экспериментального исследования характеристик данных аппаратов (испытания моделей в гидроканалах и аэродинами­ческих трубах, катапультируемых и буксируемых, кордовых и радиоуправляемых самоходных и пилотируемых моделей, натур­ные испытания построенных аппаратов). По мнению ряда зару­бежных специалистов (X. Вейлаида, А. Липпиша), только при­менение моделей различного масштаба — от продуваемых в аэротрубах до многотонных самоходных пилотируемых — обес­печивает получение необходимых данных для достаточно надеж­ного представления об ожидаемых качествах экраноплана.

Исследование в аэродинамических трубах. Эксперименталь­ные исследования с помощью аэродинамических труб наиболее широко применяют в зарубежной практике. К настоящему вре­мени этот метод определения аэродинамических характеристик элементов летательного аппарата (крыла, корпуса и т. д.) и в целом экраноплана хорошо отработан и достиг высокого со­вершенства. Целью испытаний может являться определение сил н моментов, действующих на модель крыла или всего аппарата, определение влияния тех илн иных конструктивных элементов крыла или аппарата (удлинение крыла, его толщины и т. д.) на аэродинамические коэффициенты путем так называемых пара­метрических испытаний. Довольно часто трубы применяют и для изучения того или иного явления лишь с качественной стороны путем визуализации потока. Например, Ш. Эидо использовал их для выбора оптимального расположения стабилизатора с учетом воздушных вихрей, стекающих с несущего крыла аппарата KAG-3.

Не останавливаясь подробно на устройстве аэродинамических труб различного типа, укажем основные особенности их приме­нения.

Выполненная в определенном масштабе модель исследуемого аппарата (или его элемента) закрепляется с помощью держа­вок (обычно тонких стальных проволок) на аэродинамических весах в рабочей части аэродинамической трубы.

В зависимости от числа измеряемых компонентов, полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента весы могут быть от однокомпонентных до шестикомпонентных. Наиболее широко распространены трех — и четырехкомпоиентные весы. Первые из них позволяют решать плоскую задачу, т. е. измерять подъемную силу, лобовое сопротивление и момент таигажа.

Скорость воздуха в рабочей части зарубежных труб, исполь­зуемых для изучения экранного эффекта, составляет 30—50 м/с.

По замеренным иа весах усилиям и моментам обычно для удобства их использования в расчетах определяют безразмерные коэффициенты Сх, Су и др.

Следует подчеркнуть важное обстоятельство, что для пере­счета полученных в результате продувок данных на натуру необ­ходимо выдержать равенство чисел Рейнольдса модели и натуры, определяющее подобие явления по силам вязкости, т. е.

Re„ = ReB или =

V V

где Ом и Он — скорость движения воздуха в трубе соответственно у модели и натуры, м/с; LM н Ln — характерный размер модели и натуры (обычно хорда крыла 6), м; v = -^————————————————————————— коэффициент

кинематической вязкости (для нормальных условий: /=15°С р = 0,125 кг-с2/м4; v=l,45*10-5 м2/с).

Скорость движения модели (или потока), исходя из равен­ства чисел Рейнольдса модели и натуры, должна быть vM = vnm,

где т = — — масштаб модели,

1ы ‘

В случае равенства этих чисел для натуры и модели соответ­ствующие аэродинамические силы, действующие на иих при мас­штабе модели т, будут определяться простым соотношением:

і ра = т*Рм.

Эксперименты с моделированием земли. При эксперимен­тальных исследованиях особенностей околоэкраииой аэродина­мики крыла, а также аппарата основные трудности заключались в создании в трубе условий, аналогичных условиям полета ап­парата в неподвижном потоке вблизи земли. Исследования за­конов аэродинамики в неограниченном потоке базируются иа из­вестном принципе обратимости, согласно которому обтекание неподвижного тела в подвижном потоке (модель) принимают идентичным обтеканию его при движении в неподвижном воз­духе (натура). В случае движения аппарата вблизи земли обте­кание зависит от того, что находится в движении — аппарат или воздух. Поэтому исследования, основанные на принципе обрати­мости, могут привести к недопустимым погрешностям.

Одна из основных причин появления погрешностей — возник­новение пограничного слоя у щитка, заменяющего в трубе землю. Этот пограничный слой, нарастая по толщине вдоль щитка, образует под моделью зону заторможенного воздуха (в виде клина), вызывающую сужение живого сечеиия между моделью и экраном. В действительности же при полете экра — ноплаиа вблизи земли подобного клина заторможенного воз­духа нет.

Имитация земли зарубежными специалистами осуществля­ется с помощью неподвижного экрана, подвижного экрана и двух моделей, представляющих собой как бы зеркальное отображе­ние. Несмотря иа указанный недостаток, отечественные и зару­бежные специалисты (Д. Баглей, И. Рикаит, Ш. Эидо и др.) широко применяют продувки моделей крыла в аэродинамических трубах вблизи экрана для исследования особенностей околоэк — раиной аэродинамики крыла.

Стремление устранить отмеченный выше недостаток экспери­ментов с неподвижным экраном побудил исследователей приме­нить конструкцию экрана, движущегося со скоростью, равной (или близкой) к скорости воздушного потока в рабочей части трубы (30—40 м/с). Впервые этот метод был предложен Эйфе­лем более 40 лет назад, а затем использован в Нью-йоркском университете (1934 г.) и в Германии (1936 г.).

Одним из наиболее успешно поставленных и весьма обшир­ных экспериментальных исследований особенностей аэродина­мики крыла вблизи земли с помощью движущегося экрана яв­ляются опыты С. Н. Насилова (1935—1937). Им были созданы две специальные установки со скоростью движения экрана соот­ветственно 20 и 40 м/с.

Примененный метод обладает наиболее полной обратимостью явления: в натуре движется самолет относительно неподвижной земли и воздуха (при штиле), в трубе — поток и экран (земля) с одинаковой скоростью относительно неподвижной модели. Этот метод имеет и другие достоинства, однако из-за значитель­ной сложности установки с движущимся экраном он редко при­меняется в современной экспериментальной аэродинамике.

За рубежом наиболее распространена имитация земли мето­дом продувки двух моделей (например, крыла), зеркально от­ражающих одна другую. Одно крыло (обычно верхнее) под­вешивается к аэродинамическим весам, а другое крепится к устройству, допускающему необходимые изменения расстоя­ния от него до первого крыла и >глов атаки. В этом случае обтекание крыла весьма близко к движению вблизи земли.

Впервые рассматриваемый метод для исследований аэроди­намики крыла вблизи земли был предложен и применен еще в 1918 г. Л. Прандтлем, затем его использовали многие отечест­венные и зарубежные исследователи (Я. М. Серебрийскнй,

С. Детвайлер, Р. Галлинпон и др.).

К наиболее существенным недостаткам подобной имитации земли следует отнести необходимость изготовления двух моде­лей и специального устройства в рабочей части трубы для их строго симметричного крепления. Кроме того, этот метод не может правильно передать спектр скоростей под моделью при небольшом расстоянии ее от земли.

Подробных данных о точности различных способов имитации земли при опытах в аэротрубах не опубликовано.

Исследования в опытовых бассейнах. Одним из наиболее важных и сложных вопросов проектирования экранопланов, по мнению зарубежных специалистов, является достаточно полное и точное определение их стартовых характеристик, т. е. режи­мов, обеспечивающих отрыв аппарата от воды (или земли). Оче­видно, как и в гидросамолетостроенин, глубоко и полно эти па­раметры экранопланов могут быть изучены в результате испыта­ний моделей в опытовых бассейнах (гидроканалах). Некоторые исследователи (например, А. Картер) успешно применяли дан­ный метод и для изучения особенностей аэродинамики крыла при движении вблизи экрана.

С помощью буксировки модели экраноплана в гидроканале можно исследовать самые различные режимы движения аппа­рата, которые он проходит в процессе плавания, глиссирования, отрыва от воды и полета вблизи экрана. Как и в аэродинами­ческой трубе, в бассейне в процессе буксировки модели (обычно специальной буксировочной тележкой) замеряют и фиксируют действующие на модель гидродинамические силы (силы гидро­динамического сопротивления и гидродинамической подъемной силы) и положение модели (угол дифферента, осадки носа и кормы). Чтобы исключить влияние аэродинамической нодъем — иой силы крыла аппарата, перед моделью устанавливают спе­циальный аэродинамический щит. Поскольку положение модели в процессе ее разбега, а следовательно, и углы атаки опреде­ляют в бассейне, подъемную силу крыла и его аэродинамическое сопротивление учитывают по данным продувок модели в аэро­трубе.

Для правильного учета сил веса, играющих важную роль при испытаниях в воде, необходимо равенство чисел Фруда мо­дели и натуры, т. е.

FrM = FrB

или

gLu gLH ’

где g — ускорение силы тяжести (g=9,81 м/с2).

В случае равенства этих чисел для натуры и модели соот­ветствующие силы при масштабе модели т будут определяться простым соотношением

Як = т3Рм.

Таким образом, для пересчета гидродинамических сил мо­дели иа натуру скорость модели должна быть равна

т. е. уменьшена против натуры в Уиг раз.

Подобие по силам тяжести практически осуществляется зна­чительно проще, чем подобие по силам вязкости (равенство чисел Рейнольдса). Сочетание обоих законов подобия, т. е. од­новременное выполнение их в одном эксперименте, невозможно, поскольку для равенства Re необходимо увеличение скорости обдува модели в т раз, а для равенства Fr — уменьшение ее в Ут раз.

Отмеченное обстоятельство подчеркивает всю сложность экспериментального исследования взлетных характеристик рас­сматриваемых здесь аппаратов.

Для определения мощности в режиме плавания п глиссиро­вания, т. е. когда аэродинамическими силами можно прене­бречь, сопротивление движению экраноплаиа обычно опреде­ляют методами, широко применяемыми судостроителями, т. е. по Фруду. Напомним общую схему этого расчета. Из замерен­ного в бассейне сопротивления движению модели выделяют силы треиия, зависящие от Re, определяемого по формулам, и рассчитывают потребную мощность энергетической установки судна. При расчете сопротивления экраноплана, движущегося в режиме глиссирования, значение его полного сопротивления

может быть в первом приближении определено также простым пересчетом с модели пропорционально кубу линейного мас­штаба.

Значительно сложнее определить сопротивление экраиоплаиа в процессе его разбега, преодоления «горба» сопротивления и выхода на расчетный режим околоэкраииого полета. Трудно­сти расчета обусловлены главным образом тем, что приходится учитывать одновременно действующие на аппарат гидродина­мические и аэродинамические силы, имеющие значения одного порядка. Поэтому, как и в гидросамолетостроеиин, при созда­нии экраноплаиов испытания про­водят в два этапа.

В процессе трубных испытаний модели замеряют значение коэффи­циента Сх модели, которое позво­ляет определить аэродинамическое сопротивление аппарата. В резуль­тате буксировочных испытаний мо­дели находят ее полное гидроаэро­динамическое сопротивление, вычи­тая из которого аэродинамическое, нетрудно получить гидродинамиче­скую составляющую. Далее, заме­ренное в трубе аэродинамическое, а в бассейне гидродинамическое со­противление модели пересчитывают иа натуру, как это было рассмот­рено выше, для определения пол­ного сопротивления движению аппа­рата и потребной мощности в функ­ции от скорости его движения. По­требную мощность, необходимую для преодоления гидродинамиче­ских сил, обычно определяют пересчетом с модели по кубу ли­нейного масштаба (т. е. как для гидросамолетов).

Выше были рассмотрены результаты обширных эксперимен­тальных исследований основных характеристик экраиоплаиа (см. рис. 46), выполненные Р. Галлингтоиом. В процессе этой работы в аэродинамической трубе и бассейне произведены замеры характеристик, необходимых для последующих расчетов потребной мощности энергетической установки радиоуправляе­мой модели аппарата. Эти расчеты выполняли приблизительно по только что рассмотренной схеме. Результаты расчетов аэро — гидродииамического сопротивления модели в зависимости от скорости ее движения приведены иа рис. 57. Там же показана и кривая располагаемой тяги двигателя модели. Из графика видно, в частности, что двигатель обеспечивает запас по тяге на скорости, соответствующей «горбу» сопротивления около
2 кгс, а отрыв модели от воды происходит при скорости при­близительно 11,5 м/с.

Изучение мореходности аппарата, т. е. его поведения иа взволнованной поверхности с замером параметров килевой и вертикальной качки, заливаемости и забрызгиваемости, а иногда и ускорений, производится в процессе проведения так называемых мореходных испытаний модели в опытовом бас­сейне иа различном волнении и при заданной скорости.

Другие методы исследования. В зарубежной практике, осо­бенно в последние годы, находят широкое применение и такие методы экспериментальных исследований аэродинамических характеристик экраноплана, как катапультирование маломас — штабиых моделей иа специальных треках, испытание кордовых и радиоуправляемых моделей, буксировка моделей с помощью специальных катеров или тележек и, наконец, испытание круп­ных, пилотируемых моделей, иногда оборудуемых для этих це­лей колесным шасси. Не рассматривая все эти методы под­робно, кратко остановимся на некоторых их особенностях.

Как правило, все указанные методы (исключая испытания пилотируемых моделей) преследуют цель изучить влияние аэро­динамической и конструктивной компоновок аппарата, т. е. рас­положение его ЦТ, размерений и основных элементов (корпуса, крыла, хвостового оперения и др.), на характеристики продоль­ной статической устойчивости (иногда и поперечной). Нередко с помощью некоторых из этих методов, например испытания самоходных радиоуправляемых и буксируемых моделей, изу­чают стартовые характеристики экраноплаиов.

Чаще всего исследователи, проводя серию испытаний, стре­мятся выявить оптимальные в отношении устойчивости аппа­рата размеры и расположение его элементов, а также ЦТ. При этом размеры и расположение изучаемого элемента, на­пример, горизонтального стабилизатора, варьируются по опре­деленной схеме.

В 1963 г. X. Вейланд успешно исследовал устойчивость экра­ноплаиов по различным схемам с помощью маломасштабных катапультируемых моделей. Для изучения устойчивости модели в сложных гидрометеорологических условиях на треке искус­ственно создавались порывы ветра и морские волны. С целью имитации последних на полу трека были установлены деревян­ные рейки.

В последние годы ряд зарубежных исследователей (напри­мер, Р. Галлиигтон) успешно применили испытания кордовых моделей для изучения устойчивости экраноплана и влияния на нее типа и расположения горизонтального стабилизатора, дви­гателя и ЦТ аппарата, Как известно, кордовые модели само­летов давно и весьма широко испытываются авиамоделистами всего мира. Они представляют собой небольшие самоходные модели, закрепленные на корде (обычно капроновой жилке), конец которого держит экспериментатор в центре ровной пло­щадки. Испытания отличаются простотой и сравнительно боль­шими возможностями для изучения ряда летных характеристик экраиоплаиа.

Буксировка модели аппарата с помощью специального ка­тера-буксировщика в открытом водоеме чаще всего применя­ется для изучения режимов глиссирования, взлета и посадки, а также устойчивости и мореходности экраиоплаиа. В процессе этих испытаний, как и в опытовом бассейне, замеряет и фик­сируют силы и моменты, действующие иа испытываемую модель, а также ее положение относительно поверхности воды (рис. 58). Американская фирма «Локхид» в качестве катера-буксировщика применяет быстроходный катер иа подводных крыльях, обору­дованный мощным турбореактивным двигателем.

Рис. 58. Испытание модели экраиоплаиа с помощью катера-буксировщика.

Как уже отмечено, для изучения устойчивости и управляе­мости рассматриваемых аппаратов все чаще применяют неболь­шие радиоуправляемые модели, несмотря на сложность их со­здания и фиксации полученных результатов. Этот метод изуче­ния указанных характеристик экраиоплаиа, выполненного по аэродинамической схеме «утка», был, в частности, использован английской фирмой «Коллииз», а в 1971 г. американскими спе­циалистами Р. Галлиигтоиом, М. Миллером и др.

Иногда с целью всестороннего исследования всего комплекса вопросов аэродинамики экраиоплаиа экспериментаторы после­довательно применяют ряд методов. Например, в конце 70-х годов Р. Галлингтон со своими коллегами для изучения аэроди­намики экраиоплаиа, выполненного по новой схеме н с несколь­кими вариантами хвостового оперения, провел помимо трубных испытания кордовых и радиоуправляемых моделей. Только та­кое комплексное изучение аэродинамики аппарата позволило получить ценную всестороннюю информацию о всех особенно­стях новой схемы экраиоплаиа.

По мнению зарубежных специалистов, одним из последних этапов проектирования крупных экраиопланов должно быть

создание полунатурных, самоходных пилотируемых моделей этих аппаратов. Совершенно очевидно, возможности для выполнения самых различных исследований с помощью пилотируемых мо­делей, хорошо оборудованных измерительной и фиксирующей аппаратурой, неизмеримо выше, чем у любого из рассмотренных нами методов.

Полученные данные будут отличаться высокой точностью, обеспечивающей необходимую достоверность при последующем пересчете их на натуру.

Считается, что такие важные, но не поддающиеся достаточно точным расчетам и плохо моделируемые качества модели, как мореходность, устойчивость, управляемость, ряд переходных процессов (взлет, посадка и др.), правильность выбранной аэро — гндродинамической компоновки и эффективность различных стартовых устройств, могут быть изучены только с ПОМОЩЬЮ пилотируемых моделей.

В зарубежной практике известны всего два случая создания подобных моделей экранопланов. Это построенная в 1963 г. X. Вейландом самоходная модель «Малый Вейландкрафт» мас­сой 4,3 т, которая, как уже отмечалось, разбилась во время пер­вого летного испытания, и построенная фирмой «Виикл Рисерч Корпорейшн» большая пилотируемая модель экраноплана «Ко­лумбия». Значительную часть созданных к настоящему времени за рубежом опытных экранопланов (А. Липпиша, В. Корягина и др.) можно рассматривать в качестве полунатурных пилоти­руемых моделей. Их целевое назначение — исследование воз­можности создания подобных достаточно крупных транспортных экранопланов. Правда, эти модели не совсем подобны будущим экранопланам, а их аэрогидродннамическая и конструктивная компоновка обычно выполнена довольно грубо (модели В. Ко­рягина, KAG-3 и др.).

Основными недостатками проведения экспериментальных ис­следований с помощью пилотируемых моделей является слож­ность, дороговизна и продолжительность постройки моделей и проведения эксперимента.

Для исследования влияния земли на аэродинамические ха­рактеристики крыла за рубежом неоднократно применяли и на­турные испытания самолетов-монопланов в момент их предпо­садочного полета у самой земли. Замеренные значения высоты полета, тяги винта и скорости позволяли в этом случае опреде­лять аэродинамические характеристики самолета (Су, Сх, Ст и др.) и сравнивать их с соответствующими значениями, сня­тыми при полете вдали от земли.

Испытания построенных за рубежом опытных экранопланов также следует отнести к натурным исследованиям, позволяю­щим получить ценный экспериментальный материал, как это будет показано на примере испытаний японского экраноплана KAG-3