Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Разработка законцовок крыла из углепластика с повышенной деформационной теплостойкостью для аэродинамических моделей самолетов А-ЗХХ и ERJ -170
1.1. Обзор факторов, влияющих на теплостойкость, деформационную устойчивость и демпфирующую способность полимерных композиционных материалов, применяемых при изготовлении элементов моделей летательных аппаратов. 17
1.2. Исследование теплостойкости и деформационной устойчивости образцов эпоксидных связующих и композиционных материалов, применяемых для изготовления элементов конструкций моделей летательных аппаратов 28
1.3. Температурные исследования жесткостных и демпфирующих характеристик многоэлементной законцовки крыла аэродинамической модели. 41
1.4. Разработка теплостойкой законцовки крыла аэродинамической модели из углепластика 43
Глава 2. Решение задачи создания адаптивной несущей поверхности на органах управления динамически подобной модели тяжелого магистрального самолета в рамках европейской программы 3AS с использованием полимерных материалов .
2.1, Разработка конструкции панели адаптивной несущей поверхности на органах управления динамически подобной модели «EURAM» и обоснование выбора полиуретанового эластомера для изготовления элементов конструкции 48
2.2. Изготовление и результаты исследования опытного образца панели адаптивной несущей поверхности в составе конструкции динамическиподобной модели «EURAM» в аэродинамической трубе ЦАГИ . 54
Глава 3. Создание современных динамически подобных моделей перспективных летательных аппаратов с использованием заливочных пеноматериалов .
3.1. Разработка современной технологии изготовления элементов динамически подобных моделей самолетов с использованием пенополиуретанов методом заливки. 57
3.2. Исследование свойств некоторых марок пенополиуретанов в рамках решения задачи изготовления конструктивных элементов динамически подобных моделей самолетов. 63
Глава 4. Разработка вязко-жидкостного демпфера с применением в качестве рабочего тела высоковязкого кремнийорганического полимера.
4.1. Современная постановка задачи гашения колебаний моделей летательных аппаратов с помощью гидравлических демпферов. 66
4.2. Анализ вибропоглощающих свойств полимерных материалов. 69
4.3. Подбор кремнийорганических полимеров для изготовления вязко-жидкостных демпферов. 80
4.4. Исследование свойств пол идиметил сил океана с целью использования его в вязко-жидкостном демпфере. 86
4.5. Исследование эффективности вязко-жидкостного демпфера на основе полидиметилсилоксана, 87
Выводы 91
Библиографический список литературы 92
- Исследование теплостойкости и деформационной устойчивости образцов эпоксидных связующих и композиционных материалов, применяемых для изготовления элементов конструкций моделей летательных аппаратов
- Изготовление и результаты исследования опытного образца панели адаптивной несущей поверхности в составе конструкции динамическиподобной модели «EURAM» в аэродинамической трубе ЦАГИ
- Исследование свойств некоторых марок пенополиуретанов в рамках решения задачи изготовления конструктивных элементов динамически подобных моделей самолетов.
- Подбор кремнийорганических полимеров для изготовления вязко-жидкостных демпферов.
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время полимерные материалы широко распространены и являются необходимыми при производстве элементов конструкций во многих областях техники, в том числе и в задачах конструирования моделей авиационно-космических объектов.
Моделирование летательных аппаратов (ЛА) для различных исследований в аэродинамических трубах (АДТ), проводимых в ЦАГИ, имеет почти 70-летнюю историю. Пройден долгий и сложный путь от упрощенных, грубых моделей до точных и сложных, повторяющих все детали силовой схемы натурного ЛА. Современные модели ЛА пытаются изготавливать с широким применением полимерных материалов, поскольку именно такие материалы помогают соблюсти требования подобия модели к натурному самолету. К применяемым материалам предъявляются специальные требования по упруго-жесткостным, эластическим, весовым, теплофизическим, реологическим, экономическим и другим характеристикам. Это связано как с изменениями, произошедшими в последние годы в методике проведения современных исследований явлений аэроупругости на моделях в АДТ, так и с возросшими требованиями, предъявляемыми к качеству таких изделий и конструкций. Кроме того, современные полимерные материалы и технологии позволяют воплотить в жизнь передовые идеи, разработки и изобретения. Поэтому задача поиска, создания и внедрения новых полимерных материалов с необходимым комплексом свойств, а также современных технологий производства изделий из полимеров для решения задач аэроупругости является актуальной, весьма сложной и перспективной.
Для осуществления длительных исследований в АДТ с закрытой рабочей частью на трансзвуковых скоростях и получения достоверных результатов необходимы динамически подобные модели (ДПМ), выполненные из теплостойких полимерных композиционных материалов ПКМ. Так как в процессе испытаний температура воздушного потока в таких АДТ может повышаться до +70С (и выше), представляется весьма важным решение задачи
РОС. национальна;» ,
БИБЛИОТЕКА '
С.Петер«||»г ЛОГ-
обеспечения необходимой деформационной теплостойкости ДГТМ и элементов аэродинамических моделей, выполненных из ПКМ.
Насущной для авиации является проблема экономии топлива на тяжелых магистральных самолетах. Перспективным решением представляется ЛА с адаптивным крылом. Поэтому была поставлена задача разработки и демонстрации конструкции панели адаптивной несущей поверхности (АНП) на органах управления (внутреннем элероне) модели такого самолета с использованием полимерных материалов.
Известно, что изготовление ДГТМ ЛА по традиционной технологии (методом контактного формования, ручной склейки и сборки) является трудоемким и длительным процессом, а вследствие этого еще и очень дорогим. Кроме того, используемый материал заполнителя элементов конструкции модели (пенопласт) не отвечает требованиям по теплостойкости. Поэтому весьма актуальной является задача упрощения процесса изготовления моделей, применения современных технологий и полимерных материалов с необходимым комплексом свойств.
В настоящее время существует проблема гашения опасных колебаний моделей ЛА и устройств, на которых крепятся эти модели в АДТ. В связи с этим оказалась актуальной также задача создания эффективного демпфера для гашения таких колебаний.
Цель работы: разработка современной технологии изготовления динамически подобных моделей ЛА и их агрегатов с использованием полимерных материалов с требуемыми свойствами для решения задач аэроупругости в АДТ.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Разработаны состав полимерного связующего и температурный режим
отверждения «перьевых» законцовок крыла из углепластика (УП) для
аэродинамической модели самолета А-ЗХХ, обеспечивающие необходимую
деформационную теплостойкость и сохранение геометрических форм
конструкции.
2. Разработана технология и применен на практике эластомерный материал для
изготовления конструкции панели адаптивной несущей поверхности для органов
управления на ДПМ «EURAM» европейского магистрального самолета.
-
Разработана технология изготовления элементов ДПМ перспективных отечественных ЛА с использованием полимерного пеноматериала, обладающего комплексом необходимых свойств, методом заливки в полость, ограниченной матрицей.
-
Исследована эффективность модели демпфера, разработанного в ЦАГИ с использованием высоковязкого полимерного материала для гашения паразитных колебаний элементов моделей (например, органов управления, двигателей на пилонах) и подвесных устройств в АДГ, отличающегося простотой и надежностью.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основании теоретических положений о влиянии типа и количества составных компонентов эпоксидной композиции, химической активности разбавителя-эластафикатора и отвердителя, молекулярной массы эпоксидной смолы, а также температуры отверждения такой композиции на частоту сетки химических связей эпоксидного полимера, его температуру стеклования и деформационную теплостойкость и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, разработан состав эпоксидного связующего (на основе доступных широко распространенных компонентов) и температурный режим отверждения элементов конструкции динамически подобных и аэродинамических моделей на основе ПКМ. Получен патент на два технических решения.
-
Проведены температурные исследования динамических свойств (частота и логарифмический декремент первого тона изгибных колебаний) образцов связующих и ПКМ на их основе, применяемых в настоящее время и вновь разработанных, с использованием МСК. На основании теоретических представлений о происходящих в полимере структурных изменениях в области температурного перехода второго рода и полученным данным об изменениях частотных (а, следовательно, жесткостных) и демпфирующих характеристик была дана оценка их теплостойкости.
3. Была исследована деформационная теплостойкость многоэлементных
«перьевых» законцовок крыла из УП для аэродинамической модели А-ЗХХ,
выполненных традиционным и предложенным автором способами при помощи
МСК. Показано, что применение новой технологии изготовления способствует
стабилизации жесткостных и демпфирующих свойств и сохранению геометрической формы законцовки при повышении температуры. Предложенные материалы и технологии могут быть применены также для изготовления элементов динамически подобных моделей.
-
Осуществлен подбор необходимых полимерных материалов и разработана технология изготовления панели АНП внутреннего элерона на ДПМ европейского магистрального самолета. Изготовлены опытные образцы. Проведены испытания в АДТ модели самолета с панелями АНП, которые показали эффективность применения таких конструкций и материалов. Подана заявка на изобретение.
-
Разработаны технологии изготовления конструкций ДПМ для испытаний как в дозвуковых, так и в трансзвуковых АДТ с использованием известного метода заливки исходных компонентов ППУ-смеси в полость, ограниченную матрицей. Эта технология позволяет сократить затраты времени и финансов. Проведены температурные исследования динамических свойств образцов пенопластовых заполнителей, используемых в настоящее время и ППУ различных марок, предлагаемых к применению. Проведен анализ их свойств и сделан выбор марки ППУ. Подана заявка на изобретение.
7. Проведен анализ полимерных ВПМ. Выявлены уникальные свойства кремнийорганических высокомолекулярных полимеров и их преимущества перед другими материалами в случае использования в качестве рабочего тела в вибропоглощающих устройствах (демпферах). Разработана и исследована
модель ВЖД с использованием в качестве рабочего тела ПМС-30000.
»
Методы исследования
Для решения задачи по разработке законцовок крыла аэродинамических
моделей из УП с повышенной деформационной теплостойкостью были проведены
исследования теплостойкости образцов эпоксидных связующих различного
химического состава, а также образцов ПКМ, изготовленных в лабораториях НИО-
19 ЦАГИ и отвержденных при различных температурных режимах. '
Зависимость относительного модуля упругости от температуры изучалась по измерениям прогибов образцов с применением экспериментальной
установки, разработанной и изготовленной в ЦАГИ, и специально разработанной методики.
Температурная зависимость жесткости и демпфирования (квадрата частоты изгабных колебаний 1-го тона и логарифмического декремента колебаний) образцов исследовалась МСК с использованием универсального анализатора «SOLARTRON-1202» и нового программно-аппаратного комплекса на основе персонального компьютера с измерительной платой «L-card» и пакета программ «СУРГУТ-1». Температурно-частотные испытания образцов выполнялись по специально разработанной методике. Расчет жесткостных свойств образцов проводился по формулам, связывающим жесткость с собственной частотой изгабных колебаний стержня с грузом на конце.
Температура стеклования образцов была получена методом термомеханического анализа (ТМА). Исследования зависимости модуля упругости и деформации (прогибов) образцов от температуры были проведены способом трехточечного изгиба и в режиме пенетрации (проникновения).
Динамические характеристики многоэлементных законцовок крыла аэродинамических моделей самолетов ERJ-170 (фирма Embraer) и А-ЗХХ (фирма Airbus) различной конфигурации были исследованы МСК после импульсного возбуждения при равномерном повышении температуры до +70С.
При решении задачи создания современной технологии изготовления элементов ДПМ с применением заливочных ППУ проведены исследования МСК температурных зависимостей жесткости и демпфирования образцов пенопластов с использованием программно-аппаратного комплекса на основе персонального компьютера с измерительной платой «L-card» и пакета программ «СУРГУТ-1».
В рамках решения вопроса о создании ВЖД были исследованы следующие свойства ПМС с заявленной динамической вязкостью 30000 сПз:
плотность (см. приложение);
кинематическая вязкости полимера при различных температурах (от -16С до +21 С) с помощью метода измерения скорости падения шарика в жидкости с использованием вискозиметра Хепплера В-3;
зависимость напряжения сдвига ПМС от скорости перемещения демпфируемой колеблющейся конструкции на экспериментальной модели
вязко-жидкостного демпфера, разработанной и изготовленной в ЦАГИ. Экспериментальная установка для этих исследований была выполнена на основе оборудования ЦАГИ, применяемого для частотных испытаний. Достоверность подтверждается результатами исследований, проведенными в АДТ и результатами частотных испытаний разработанных конструкций и материалов, а также патентом на изобретения, полученным автором. Практическая значимость
-
Разработан состав связующего и температурный режим отверждения для изготовления теплостойкой формоустойчивой перьевой законцовки крыла аэродинамической модели самолета А-ЗХХ и ERJ-170, которые прошли успешные испытания в АДТ Т-128 ЦАГИ. Состав связующего и режим отверждения ПКМ рекомендованы для изготовления элементов конструкции ДПМ, испытываемых в АДТ на до- и трансзвуковых режимах.
-
Созданы опытные образцы модулей АНП конструкции внутреннего элерона ДПМ тяжелого магистрального самолета с использованием предложенного автором полиуретанового эластомера и ПКМ, разработанного автором. Собран фрагмент конструкции модели с использованием таких модулей, продемонстрирована его работоспособность в АДТ. Работа проводилась в рамках европейской программы 3AS в области исследований по аэроупругости.
-
Разработаны технологии изготовления элементов конструкции ДПМ для испытаний как в дозвуковых, так и в трансзвуковых АДТ, с использованием метода заливки ППУ в полость, ограниченную матрицей. Технологии будет использованы для изготовления ДПМ перспективных отечественных самолетов.
-
Разработана и прошла частотные испытания модель ВЖД с применением в качестве рабочего тела высоковязкого кремнийорганического полимера ПМС-30000. Показана эффективность работы такого демпфера.
Апробация работы
Результаты были доложены и обсуждены на: /
- I и II Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов: «Современные проблемы аэрокосмической науки», ЦАГИ, Жуковский, 1998 и 1999;
XLII и ХЫП Научных конференциях МФТИ: «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Жуковский, 1998 и 2000;
I и II Международных конференциях молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники», ЦАГИ, Жуковский, 2000 и 2002;
Научном семинаре ЦАГИ под руководством профессора, д.ф.-м.н. Галкина М.С., Жуковский, 2001;
Школе-семинаре молодых ученых и специалистов ЦАГИ: «Актуальные проблемы аэрокосмической науки», Жуковский, 2001;
6-м международном научно-техническом симпозиуме: «Авиационные технологии XXI века: новые рубежи авиационной науки», ЦАГИ, Жуковский, 2001.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в девяти статьях и сборниках материалов всероссийских и международных конференций и семинаров. Получен патент на два изобретения: «Эпоксидная композиция и способ ее получения», а также поданы две заявки на изобретения. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав (содержащих разделы), выводов к каждой главе, заключения и списка литературы.
Общий объем диссертации - 99 страницы, содержит 45 рисунков и 14 таблиц. В списке литературы - 87 наименований.
Исследование теплостойкости и деформационной устойчивости образцов эпоксидных связующих и композиционных материалов, применяемых для изготовления элементов конструкций моделей летательных аппаратов
Необходимость проведения данной работы выявилась при испытаниях динамически подобной модели цельноповоротного стабилизатора в АДТ Т-128 ЦАГИ на докритических режимах для прогнозирования границы области флаттера. Было замечено, что частоты модели непосредственно до пуска и после него различались. Результаты регистрации частот одного из трубных экспериментов (пусков) представлены в таблице 1.1 [58]. Было высказано предположение, что изменение характеристик вызвано нагревом модели во время пуска.
Исследования теплостойкости проводились на образцах из эпоксидных связующих различного химического состава, а также образцах композиционных материалов и элементах конструкции ДПМ, изготовленных в лабораториях ЦАГИ по специально разработанной методике [58]. Размеры исследованных образцов: - 200 х 20 х 1,5 мм - для образцов связующих, - 200 х 20 х 0,2+1,35 мм - для образцов ПКМ. В ходе исследований изучалась зависимость относительного модуля упругости от температуры по измерениям прогибов образцов с применением экспериментальной установки, разработанной и изготовленной в ЦАГИ (рис. 1). Образцы, выполненные в виде стержней постоянного сечения, имели следующий вид: консоль (для образцов 1 -4), двухопорная балка (образец 5). Применялись следующие материалы: 1) эпоксидная смола ЭД-20 и различные виды отвердителя, 2) стекло- и углепластик, 3) углепластик с наклеенными с одной или двух сторон тонкими полосками пенопласта, 4) пенопласт, 5) пенопласт с обшивкой из стекло- или углепластика (образцы, имитирующие силовые элементы конструкции ДПМ). Прогиб образца при действии сосредоточенной силы определяется известной формулой. Относительный модуль упругости Ё рассчитывался следующим образом: Y0 Результаты испытаний представлены на графиках (рис. 2 а - д).
Анализ показал, что падение жесткостных свойств начинается уже при +40С. Это характерно не только для образцов связующих, но и стекло- и углепластиковых стержней, а также для образцов элементов конструкции с пенопластовым заполнителем.
Основной вывод, сделанный в результате проведенных исследований, -низкая деформационная теплостойкость (следовательно низкая температура стеклования Тс) связующих, которые использовались для изготовления ПКМ, примененных на ДПМ. Из этого следует, что необходимо усовершенствовать состав связующего и температурный режим отверждения ПКМ с целью повышения теплостойкости связующих.
Для этого были выполнены теоретические исследования применяемых в ПКМ всевозможных компонентов связующих различной химической природы (смол, отвердителей и разбавителей) и их взаимных сочетаний. Был осуществлен подбор наиболее эффективных и доступных компонентов связующего [53].
Для исследования влияния на теплостойкость связующего количества и типа добавленных отвердителя и пластификатора, а также температуры отверждения, были изготовлены образцы связующего различного химического состава (в виде стержней постоянного сечения), отвержденные при обычной ( +20 25С) и повышенной ( +6(Ы)2С) температурах. При изготовлении образцов связующих кроме инертного разбавителя ДБФ в качестве добавки использовался активный - ДЭГ-1. Для отверждения смолы применялись следующие марки отвердителей: алифатический аминный отвердитель триэтилентетраамин - ТЭТА, являющийся улучшенным вариантом ПЭПА; ароматические аминные отвердители серии «ЭТАЛ», аналогичные указанным в работе [26]. Расчет стехиометрического количества отвердителя проводился по известной формуле [61].
Исследования теплостойкости образцов эпоксидных связующих заключались в определении температуры, при которой модуль упругости снижается в два раза (температуры падения жесткости - Т,). Термомехаиические кривые образцов связующих, отвержденных при комнатной температуре и при Т = +60С, представлены на графиках (рис. 3 а и б) и в таблице 1.2.
Анализ результатов показал, что для получения удовлетворительной теплостойкости необходимы следующие меры: 1) заменить отвердитель типа полиэтиленполиамин (ПЭПА) и инертный пластификатор-разбавитель ДБФ на реактивы, обладающие высокой реакционной способностью; 2) строго соблюдать стехиометрическое соотношение количеств смола-отвердитель, разбавитель ДЭГ-1 вводить в количествах, указанных в [53]; 3) проводить дополнительную термообработку при определенном температурно-временном режиме. Для более полного и точного исследования свойств образцов связующих и ПКМ, применяемых при создании ДПМ в настоящее время и предлагаемых в качестве замены, были проведены температурно-частотные испытания образцов [40]. Для исследования были приготовлены связующие следующих химических составов:
Изготовление и результаты исследования опытного образца панели адаптивной несущей поверхности в составе конструкции динамическиподобной модели «EURAM» в аэродинамической трубе ЦАГИ
Для получения адаптивных панелей с использованием метода заливки ПУ эластомера в форму была разработана технология изготовления матрицы на основе кремнийорганического компаунда марки «Формосил» (изготовитель ООО НТФ «Полисил-М»). Для этих целей возможно также использование компаунда типа «Силастик Т-1» (изготовитель 000 «Пента-91»). С целью создания гибких элементов и оболочки (модулей) конструкции АНП внутреннего элерона на ДПМ тяжелого магистрального самолета были исследованы следующие полимерные материалы: - эпоксикаучуковые, - эпокситиоколовые, - эпоксиэфирные, - полиуретановые. В результате проведенных исследований на образцах был сделан вывод, что наиболее подходящими материалами для модулей являются полиуретановый эластомер.
В настоящее время предприятием 000 НПФ «Адгезив» выпускается серия продуктов под маркой АДВ-38 с различными свойствами и для разнообразного применения. Эти материалы различаются по твердости, прочности при растяжении, относительному удлинению при разрыве, остаточному удлинению и температурному диапазону эксплуатации. При изготовлении упругих элементов и оболочки панели адаптивной несущей поверхности для моделей ЛА наиболее приемлемой по прочностным и деформационным свойствам является ПУ композиция АДВ-38-5. Она представляет собой двухкомпонентную систему (компонент А - уретановый олигомер, компонент Б - отвердитель) и позволяет получать ПУ эластомерные изделия как машинным способом заливки, так и вручную. ПУ эластомеры, получаемые на основе данной композиции, отличаются низкой твердостью и высоким относительным удлинением при разрыве. При изготовлении адаптивных конструкций для натурных ЛА можно предложить к использованию ПУ композиции из серии АДВ-38, например марки АДВ-38-2, которые имеют высокую морозоустойчивость (до -55С) и одновременно достаточно хорошие эластичность и прочность.
В ЦАГИ был изготовлен опытный образец панели адаптивной несущей поверхности внутреннего элерона ДПМ тяжелого магистрального самолета с использованием ПУ эластомера марки АДВ-38-5 (рис. 23). На рис. 24 изображен поперечный разрез конструкции и вид со стороны обводообразующей поверхности (вид сверху). Конструкция состоит из подвижного 4 и неподвижного 5 каркаса. На нейтральной оси расположен корректор формы упругой линии 3. На корректор опирается внутренний набор сотового каркаса: упругие поперечные 2 и продольные жесткие 6 элементы, а с внешней стороны сотовый каркас закрыт эластичной оболочкой 1.
Методом конечных элементов с использованием программного комплекса NASTRAN были проведены предварительные расчеты напряженно-деформированного состояния панели при работе в системе элерона, общие и местные формы потери устойчивости, собственные формы и частоты колебаний конструкции. На рис. 25 и 26 показано деформированное состояние конструкции при комплексном нагружении: аэродинамическая нагрузка и отклонение на фиксированный угол. Используя данные о допускаемых напряжениях в материалах, полученная информация была применена для оценки прочности конструкции.
Конструкция панели адаптивной несущей поверхности успешно прошла испытания в АДТ Т-103 ЦАГИ. На фотографии (рис. 23) представлена испытанная ДПМ с адаптивным внутренним элероном, а также внутримодельными тензовесами отсека модели с внутренним элероном. Проведен анализ аэродинамических и статических аэроупругих характеристик адаптивного элерона.
Для сравнения аэродинамических характеристик были проведены испытания ДПМ крыла с обычным внутренним элероном. Результаты представлены на графиках (рис. 27 - 31). Производная подъемной силы отсека крыла с внутренним элероном по углу отклонения адаптивного элерона примерно в 1,2 раза выше, чем производная подъемной силы по углу отклонения обычного элерона. Производная момента тангажа отсека крыла с внутренним элероном по углу отклонения адаптивного элерона примерно в 1,15 раза выше, чем производная момента тангажа по углу отклонения обычного элерона. Отмечается незначительное отличие в положении аэродинамического фокуса (отношения производной момента тангажа к производной подъемной силы по углу отклонения элерона) отсека крыла с внутренним элероном для обычного и адаптивного внутреннего элерона в зависимости от скорости потока АДТ. Производные силы сопротивления отсека крыла с внутренним элероном по углу отклонения адаптивного и обычного элерона отличаются примерно на 10%, причем, более высокое сопротивление имеет адаптивный элерон. Однако, для всех исследованных скоростей потока АДТ отношение производной подъемной силы по углу отклонения к производной сопротивления отсека крыла с внутренним элероном для адаптивного элерона примерно в 1,15 раза больше, чем отношение производной подъемной силы к производной сопротивления для обычного элерона.
Кроме того, полученные данные были сопоставлены с результатами расчетов производных момента крена и подъемной силы самолета по углу отклонения внутреннего и внешнего элеронов в зависимости от скорости потока АДТ с использованием пакета программ АРГОН (рис. 30 и 31). Сравнение расчетных зависимостей исследованных производных для обычного внутреннего элерона от скорости потока трубы с соответствующими экспериментальными данными показало их хорошее соответствие.
Таким образом, основное преимущество при использовании адаптивного элемента в конструкции элерона состоит в повышении эффективности поперечного (продольного) управления, а также в получении более предпочтительных характеристик аэродинамического сопротивления.
Исследование свойств некоторых марок пенополиуретанов в рамках решения задачи изготовления конструктивных элементов динамически подобных моделей самолетов.
Был проведен анализ различных марок пенопластов, выпускаемых отечественной промышленностью, с необходимыми весовыми характеристиками, упруго-эластичными свойствами, прочностью и теплостойкостью [10, 39, 61, 62]. Собранные данные представлены в таблице 5 и 6. Для изготовления ДПМ, испытываемых в дозвуковых АДТ, желательно применение ППУ с низкой плотностью (р = 40-Ї-60 кг/м3), невысокой жесткостью и теплостойкостью (Траб +30С). Для ДПМ, испытываемых в трансзвуковых АДТ, наоборот, желательно применять более тяжелый (до 100-И 50 кг/м3) и теплостойкий ППУ (Траб +120+150С).
Жесткие пенополиуретаны характеризуются большим диапазоном плотностей от 40 до 300 кг/м3, обладают хорошей зазорозаполняемостыо форм и качественным вспениванием даже в обычных условиях непосредственно на месте изготовления конструкции, а также дают возможность варьирования теплостойкостью за счет технологических особенностей процесса отверждения материала и конструкции в целом.
Особенностью изделий из полужестких пенополиуретанов является способность их восстанавливать первоначальную форму и размеры после значительных деформаций, что очень важно для ДПМ, испытываемых в АДТ при значительных величинах скоростных напоров и, соответственно, высоких нагрузках (давлениях) на конструкцию.
На основании этих данных можно сделать вывод, что наиболее подходящим материалом для изготовления ДПМ описанным выше способом, являются пенополиуретаны следующих марок: ППУ-3, ППУ-345, ПУ-10І, ИЗОЛАН-205. Были проведены исследования температурной зависимости жесткости и демпфирования (квадрата частоты изгибных колебаний 1-го тона и логарифмического декремента колебаний) образцов МСК с использованием программно-аппаратного комплекса на основе персонального компьютера с измерительной платой «L-card» и пакета программ «СУРГУТ-1» по методике, изложенной выше.
Для исследования были взяты образцы пенопластов1, применяемых в настоящее время в качестве заполнителя в ДПМ ЛА, испытываемых на флаттер в АДТ, следующих торговых марок: - «ПС-4-40», - «ПС-1-150», - «ПХВ-1-115», а также предлагаемые взамен используемых блочных пеноматериалов заливочные полиуретановые пенопласта марок; - «ППУ-323», - «ППУ-3». Результаты исследований - зависимости относительной жесткости1 и логарифмического декремента от температуры - приведены в таблице 7 и на графиках (рис.32 - 36). Анализ результатов серии проведенных экспериментов показал следующее.
В данной части проведенных исследований наивысшими жесткостными и минимальными демпфирующими свойствами обладает пенопласт марки ПС-1-150, имеющий наибольшую плотность. У него наблюдается также наименьшее снижение жесткости при повышении температуры до +100С, однако при этом выявлено максимальное по сравнению с другими марками пенопластов значение декремента.
Исследованные в данной части работы заливочные марки ППУ обладают высокими значениями декрементов и низкими жесткостями при наличии у них Размеры исследованных образцов приведены в таблице 7. одновременно и более низких плотностей. У них невысока теплостойкость (до +60С). Однако при нагревании рост декремента невелик, и даже значительно меньше, чем у других типов пенопластов. Исследованные марки заливочных пенополиуретанов (например, ППУ-323) можно предложить использовать при изготовлении ДПМ для испытаний в дозвуковых АДТ.
В настоящей части работы были исследованы обычные (доступные и не дорогие) марки пенопластов, не обладающие особыми свойствами. Данные исследования предполагается продолжить в направлении изучения характеристик других, более жестких, плотных и теплостойких марок ППУ.
Подбор кремнийорганических полимеров для изготовления вязко-жидкостных демпферов.
Кремни йор ганические высоковязкие полимеры - КВП отличаются целым рядом весьма ценных свойств, которые не наблюдаются ни в одном другом классе природных или синтетических веществ. Это связано с особенностями их химической структуры и физического строения.
В работе [79] приведен пример применения КВП в ротационном демпфере, который использовался на ряде космических кораблей США (рис.37). В качестве рабочей жидкости применялось высоковязкое силиконовое масло марки Baysilone М100000. Показано преимущество этой жидкости по сравнению с другими, например, с жидкостью Fomblin Z25. Приведены графики изменения динамической вязкости от температуры для различных жидкостей -заполнителей демпфера (рис.38).
Во многих странах на новом технологическом уровне продолжаются исследования, начатые еще в середине XX века [8, 67], по применению КВП для устранения опасных колебаний самолетов, а также при экспериментальном моделировании флаттера летательного аппарата (ЛА). Использование таких полимеров (в том числе в активных мапшто-жидкостных демпферах [34]) будет эффективным для подавления колебаний подвесок, на которых закрепляют модели ЛА в аэродинамических трубах. КВП широко используются в амортизаторах для гашения колебаний корпуса транспортного средства, в том числе в амортизаторах шасси самолетов [74]. Пример использования КВП в качестве жидкости-носителя (основы) в магнито-реологических жидкостных амортизаторах, установленных на передней и задней подвесках современного горного велосипеда приведен в работе [72]. Возможность использования силиконовых высоковязких жидкостей в магнито-жидкостных демпфирующих устройствах (в так называемых системах электромагнитной подвески) представлена в [19]. В ЦАГИ в 2000- 2001г.г. прошла лабораторные исследования модель вязко-жидкостного демпфера (ВЖД) на основе полидиметилсилоксана с динамической вязкостью 30000 сПз (ПМС-30000), и изучена возможность применения такого устройства для гашения колебаний конструкций.
Физико-механические свойства КВП обусловлены химическим строением этих полимеров, поэтому на примере ПМС были проведены соответствующие исследования. Вибропоглощение тесно связано с вязкоупругими свойствами полимеров [37]..Эти свойства зависят от химического (молекулярного) и надмолекулярного (межмолекулярного) строения. Химическое структура полимера обуславливает величину межмолекулярного взаимодействия и степень упорядоченности макромолекул, а также их кристалличность. ПМС - это вязкие кремнийорганические полимеры линейной структуры с молекулярной массой ММ = (20-И 00)-103, по внешнему виду напоминающие очищенные нефтепродукты (минеральные масла). Им присущи весьма ценные свойства: - высокая вязкость при сдвиге (например, для ПМС-30000 динамическая вязкость г] « 30000 сантипуазое (сПз) при t = +20С, плотность р « 975 кг/см3); - небольшое изменение вязкости с изменением температуры (этим объясняется их применение в конструкциях эксплуатируемых в условиях сильных перепадов температур), рис. 38 и 39; - сравнительно малое влияние температуры на изменение скорости сдвига и усилий сдвига, рис. 40 и 41; - значительная сжимаемость, таблица 14; - одновременно высокая морозо- и термостойкость (рабочие температуры (Трав.) от -70 до +300С), что не наблюдается в других классах природных или синтетических веществ4. Такая морозостойкость объясняется очень низкой температурой стеклования (Тс), ниже, чем у других полимеров. Так для ПМС она составляет-123С [6].
С точки зрения химического строения это объясняется экранированием полярных групп неполярными, что уменьшает величину энергии межмолекулярного взаимодействия и способствует понижению Тс [63]. Благодаря тому, что ПМС не кристаллизуются при очень низких температурах, представляется возможным их применение в устройствах демпферов, установленных, например, на космических кораблях и высотных самолетах.
Вязкость силиконовых жидкостей при хранении их в течение длительного времени практически не изменяется [6]. Химическая инертность ПМС обеспечивает возможность использования их при высоких температурах. В присутствии кислорода или воздуха при температурах до +150С ПМС не окисляются. ПМС трудно смешиваются (или совсем не смешиваются) с нефтяными маслами и не смешиваются с водой. Они только частично вступают в реакцию с метиловым, этиловым, пропиловым и бутиловым спиртами и ацетоном. В любых пропорциях они смешиваются с амиловым спиртом, эфиром, лигроином, бензолом, толуолом, ксилолом, четыреххлористым углеродом, этилацетатом, хлороформом и этиловым эфиром. ПМС не подвержены действию разбавленных кислот и разбавленных щелочей. Концентрированные щелочи, так же как и некоторые концентрированные неорганические кислоты, реагируют с ПМС жидкостью. ПМС не оказывают агрессивного действия на многие металлы и сплавы (такие, как медь, латунь, бронза, алюминий, магний, железо, сталь, олово, свинец, кадмий, хром) даже после прогревания на воздухе при температуре +150С в течение нескольких недель. Однако ПМС не защищают от коррозии и имеют недостаточную смазывающую способность в чистом виде. Для придания защитных свойств в ПМС вводят небольшое количество веществ, имеющих большую поверхностную активность (ПАВ). ПМС химически инертны и не взаимодействуют с большинством твердых органических изоляционных материалов и резин. Жидкий ПМС горит менее интенсивно, чем углеводородные масла и большинство органических жидкостей. Конечными продуктами полного сгорания является двуокись углерода, вода и кремнезем (SiOj) в виде мелкодисперсного порошка. При работе с ПМС следует иметь в виду, что они нетоксичны, не оказывают вредного влияния на кожные покровы и производят лишь незначительное раздражающее действие при попадании на слизистую
Для сравнения: у ПБ-высоковязких жидкостей, иногда применяемых также в качестве заполнителя в вязкостно-жидкостных демпферах, работоспособность сохраняется только до -50С, т.к. Тс = -65С. При более низких температурах они затвердевают и становятся хрупкими. оболочку глаз [7]. Кроме того, ПМС относительно дешевы, производятся и продаются несколькими отечественными фирмами.
Многие физические свойства ПМС могут быть непосредственно объяснены строением его молекулы. Молекула имеет гибкую зигзагообразную цепь; состоящую из нескольких сот чередующихся атомов кремния и кислорода. С каждым атомом кремния (Si) соединены два метальных радикала (-СН3), расположенных в плоскости, перпендикулярной к прямой линии, соединяющей два атома кислорода, связанных с атомом кремния, и рассекающей эту прямую пополам:
