Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований особенностей движения скоростных судов с динамическими принципами поддержания .
1.1. Исследование возможностей повышения скоростей движения судов .
1.2. Принципы движения и классификации экранопланов 23
1.3. Проблемы внедрения экранопланов в водный транспорт. 42
Цели и задачи настоящего исследования.
2. Построение математической модели движения экранопланов . 46
2.1. Моделирование как метод исследования. 46
2.2. Режим старта и режим посадки. 55
2.3. Режим полета. 70
2.4. Режим плавания. 72
3. Теоретико-экспериментальная методика определения параметров движения экраноплана при аэротрубном моделировании . 74
3.1. Постановка задачи. 74
3.2. Описание аэротрубной установки . 81
3.3. Компьютерное моделирование различных режимов движения 91 экраноплана.
3.4. Результаты численного и экспериментального моделирования 106 обтекания экраноплана.
4. Обоснование безопасности движения экраноплана «Волга-2» на участке Н. Новгород - Васильсурск 112.
4.1. Тактико-технические данные экраноплана. 112
4.2. Анализ и математическая обработка результатов натурных испытаний экраноплана .
4.3. Аналитическо-практические доказательства адекватности разработанной плоской математической модели движения экранопла-на «Волга-2».
4.4. Применение математической модели для обоснования воз можностей безопасного движения экранопланов на участке Н. Новгород - Васильсурск в различных условиях плавания.
Заключение. 135
Литература.
- Исследование возможностей повышения скоростей движения судов
- Режим старта и режим посадки.
- Описание аэротрубной установки
- Анализ и математическая обработка результатов натурных испытаний экраноплана
Введение к работе
Проблема создания транспортных средств, использующих при движении благоприятное влияние близости границы раздела сред, имеет солидную историю. Граница раздела сред (воздух-вода, воздух-твердая поверхность) воздействует на аэродинамические характеристики объекта аналогично экрану. Аппараты, использующие этот эффект, получили название «экранопла-ны» [35]. Это результат синтеза нового транспортного средства, созданного на основе опыта создания и эксплуатации смежных транспортных средств: судов, самолетов и др.
Появление судов на подводных крыльях и экранопланов сопровождается научно-техническими скачками, обусловленными, главным образом, необходимостью разработки гидродинамической и аэрогидродинамической компоновок [41]. Процесс создания судов на подводных крыльях вышел на этап эволюционного развития. Создание экранопланов пока находится на нестационарном этапе и для дальнейшего развития экранопланов требуется проведение большого объема научных исследований.
И. Г. Бубнов [11] в период становления и развития стального судостроения писал: « ...всякий пригодный для осуществления проект представляет лишь развитие, изменение или усовершенствование уже существующего типа; иногда обстоятельства заставляют делать очень крупные скачки, но хорошие результаты получаются при этом лишь в исключительных случаях». Следует заметить, что И. Г. Бубнов писал о скачках в создании водоизме-щающих судов, в пределах использования принципа плавания. Переход от деревянных парусных судов к стальным с использованием механической энергии для движения сопровождался крупнейшим скачком в судостроении и потребовал для своего осуществления проведения большого объема научно-
исследовательских работ, начало которым было положено в первом русском опытовом бассейне и механической лаборатории при нем.
Необходимость интенсивного развития стального судостроения в начале прошлого века привело к расширению научных исследований. Это потребовало, в свою очередь, создания научно-исследовательских организаций, конструкторских бюро и судостроительных заводов. Академиком В. Л. По-здюниным [84] была впервые разработана методология проектирования судов. В дальнейшем теория проектирования водой з мешающих судов постоянно совершенствовалась.
Накопленные практикой судостроения знания в теории проектирования судов (по В. Л. Поздюнину [84]) могут быть представлены в виде совокупности обобщенных теоретических проектных моделей, именуемых: « гидромеханическая компоновка», « модель вместимости», « модель массы». Схематично это показано на рис. А.
П ідромехашрі еская компоновка
Модепь вместимости
Модеть массы
Рис. А. Схема обобщенных проектных моделей водойзмстающего судна
В данной схеме под обобщенной « гидромеханической компоновкой» следует понимать массив информации о скоростных и мореходных свойствах судов в зависимости от соотношений главных размерении, коэффициентов полноты.
В судостроении указанные выше проектные модели достаточно полно разработаны. Задача уточнения элементов гидромеханической компоновки водойзмещающего судна при необходимости успешно решается путем модельных испытаний в бассейне. Проблем в разработке общего расположения практически нет. Модель массы для судов различных назначений сформиро-
ваш в виде совокупности формул, позволяющих прогнозировать массу судна. Таким образом, можно утверждать, что задача синтеза водоизмещающего
судна в достаточной степени формализована, что позволяет с помощью различных логико-математических процедур автоматизировать процесс проектирования в значительном объеме.
Схему обобщенных проектных моделей судна па подводных крыльях можно представить по аналогии с рис. А, формально заменив основной блок « гидромеханическая компоновка» на блок « гидродинамическая компоновка» (рис. В).
Рис. В. Схема обобщенных проектных моделей судна па подводных крыльях
Принятие в качестве основы судна гидродинамической компоновки
-1 (комплекса) СПК привело к появлению нового архитектурного типа судна и
вызвало необходимость применения новых конструкционных материалов для
корпуса и подводных крыльев, нового типа энергетической установки и но-
_ вого оборудования (не используемых ранее в судостроении) для получения
достаточной величины полезной нагрузки по условиям эффективности [36,38,39].
Под гидродинамической компоновкой СПК в этом случае понимается
теоретическая модель, описывающая форму корпуса и соотношение главных
размереиий, форму и соотношение размеров крыльевых систем, в совокупно-
j., сти с информацией о скоростных, мореходных свойствах и нагруженное і и
судна, получаемой на основе данной модели.
Разработка рациональной гидродинамической компоновки СПК, представляет собой сложный, многоэтапный творческий процесс. Суда на подводных крыльях создаются на основе базовых гидродинамических компоновок, использующих:
малопогруженные подводные крылья;
крылья, пересекающие свободную поверхность воды;
глубокопогруженные подводные крылья.
Наибольшее распространение в СССР и в мире получили суда на под
водных крыльях, созданные ЦКБ по СПК под руководством Р. Е. Алексеева
[3], на основе гидродинамической компоновки, использующей малопогру
женные подводные крылья. В процессе создания различных типов судов на
подводных крыльях эта компоновка совершенствовалась путем применения
глубокопогруженных частей крыльев, автоматики и т.д.
В настоящий момент времени задача синтеза судна на подводных крыльях в значительной степени формализована. Проблемным продолжает оставаться процесс разработки гидродинамической компоновки СПК, так как условия рынка требуют дальнейшего совершенствования компоновки с использованием теоретических и экспериментальных исследований.
Что касается экранопланов, то, оставляя в стороне первые попытки создания экранопланов, рассмотрим укрупнено процесс синтеза экраноплана [ 16,17,18] как научно-технического объекта.
На начальном этапе работ главной задачей являлась разработка базовой аэрогидродинамической компоновки (АГДК). Как и в случае создания СПК, знания приобретались на основе построения и изучения теоретических и экспериментальных моделей. Разработка базовой АГДК экраноплана потребовала выполнения большого объема экспериментально-теоретических исследований с использованием трековых, аэротрубных, буксируемых, амфибийных моделей, радиоуправляемых и самоходных (пилотируемых) моде-
лей: CM 1, СМ2, СМ2П, СМЗ, СМ4, СМ5, а также создания и всесторонних испытаний экспериментального корабля-экраноплана « КМ». Можно утверждать, что « КМ» является базовой материальной моделью экранопланов в целом. Исследования свойств экраноплана « КМ» позволило сформировать понятие об экраноплане как об универсальном высокоскоростном транспортном средстве, предназначенном, в основном, для эксплуатации над экраном, но обладающим всем комплексом корабельных свойств, значительной частью авиационных свойств и некоторыми свойствами наземного транспорта.
Для возможности проведения широких исследовательских работ в области экранопланов был создан Чкаловский исследовательский филиал ЦКЬ по СПК. К исследованиям были привлечены специалисты различных научно-исследовательских институтов: ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, СибНИА, им. акад. С. А. Чаплыгина и др., то есть была сформирована « создающая» научно-техническая система, адекватная « создаваемой» научно-технической системе (экраноплану).
Результаты проектирования, постройки и испытаний « КМ» послужили основой для формирования обобщенных теоретических проектных моделей.
Схема обобщенных проектных моделей экраноплана, аналогичная схемам, показанным на рис. А и В, представлена на рис. С.
Рис. С. Схема обобщенных проектных моделей экраноплана
Принятие в качестве основы аэрогидродинамической компоновки определило архитектуру судна и привело к формулировке нового комплекса требований к проектированию технических подсистем.
Под АГДК экраноплана понимается теоретическая модель экраноплана, описывающая форму корпуса и соотношение его размеров, форму несущих воздушных крыльев и соотношение их размеров, тип двигательно-движительного комплекса, взаимное расположение указанных выше частей, в совокупности с информацией о скоростных, мореходных, амфибийных, стартовых и посадочных свойствах и нагруженности экраноплана. Данная модель в совокупности с теоретическими моделями вместимости и массы определяет конструктивный тип экраноплана.
Разработка проекта, независимо от накопленного научно-технического задела и аккумулированного в обобщенных проектных моделях, должна сопровождаться значительным объемом экспериментально-теоретических исследований[41,42]. Для отработки вопросов аэрогидродинамики, нагруженности, несущей способности и ресурса корпусных конструкций и надежности других подсистем на различных стадиях проектирования должны выполняться исследования как с помощью создания и испытаний моделей: аэротрубной, буксируемой и др., так и на специальных стендах для отработки отдельных подсистем.
Для совершенствования методологии проектирования экранопланов необходимо:
1. Систематизировать результаты испытаний многочисленных « частных» моделей: аэротрубных, буксируемых и др., поместить в ЭВМ и создать таким образом обобщенный аэрогидродинамический экспериментально-теоретический машинный атлас, который будет пополняться при создании новых экранопланов;
Разработать логико-математическую модель массы (на данный момент времени имеется достаточно много информации о работоспособности корпусных конструкций, двигателыю-движительном комплексе и других подсистем);
Математически интерпретировать данные всех многочисленных проведенных испытаний экранопланов.
Разработать теоретико-экспериментальную методику определения параметров движения экраноплана.
Создать качественную математическую модель движения экраноплана.
Н. И. Белавин [7,8,9,10] отмечает, что еще в 1716 году шведский ученый Э. Сведенборг предложил конструкцию аппарата на воздушной подушке с нагнетанием воздуха под корпус с помощью воздушных винтов, однако достаточно серьезно вопрос околоэкранного полета начал изучаться только в двадцатые годы прошедшего столетия. Основополагающие работы и этом направлении были выполнены Я. М. Серебрийским [92], Б. А. Ушаковым. За истекшие 70-80 лет со времени научного обоснования Б. Н. Юрьевым « эффекта экрана» в мире было создано более 60-ти действующих образцов экранопланов. Этой проблемой, с разной степенью активности и успехом, занимались ученые и инженеры США, Германии, Швеции, Норвегии, Финляндии, Японии, Китая и других стран. Наибольших успехов удалось достичь в СССР. Благодаря теоретическим и экспериментальным работам ученых ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, коллективов конструкторских бюро, возглавляемых Р. Е. Алексеевым, Р. Бартини, а также ряда ВУЗов и энтузиастов-одиночек, в СССР создано более двух десятков образцов экранопланов различных классов и схем.
Весь упомянутый период времени развития экраноиланостроения можно условно разделить на три этапа.
Первый этап включает 20-е — 50-е годы прошлого столетия и характеризуются созданием небольшого количества экранопланов оригинального внешнего вида. Компоновочные, аэрогидродинамические решения этих аппаратов были наивны, несовершенны и, часто, ошибочны.
Отсутствие теоретического базиса по аэрогидродинамике, устойчивости экраноплана, уровень технологий того времени и, наконец, отсутствие концепции экраноплана, как транспортного средства, обусловили это многообразие схем и компоновок, подкрепленных лишь интуицией авторов, часто одиночек-энтузиастов. В то же время следует отметить, что на вторую половину указанного периода приходятся существенные результаты теоретических исследований в области аэродинамики околоэкранного полета.
Второй этап включает 1960 -1970 годы. В этот период большой скачок в создании экранопланов был достигнут благодаря деятельности научно-исследовательских и конструкторских коллективов СССР, связанных, в основном, с оборонным комплексом (КБ Алексеева Р. Е., Бартини Р., ряда авиационных вузов). В этот период было выполнено много фундаментальных исследований по аэродинамике профиля и крыла вблизи экрана, активно велись работы по оптимизации схемно-компоновочных решений, поиску и обоснованию сфер использования, определению роли и места экраноплана в транспортной системе. В начале 70-х годов были получены значительные результаты в развитии теории устойчивости движения экранопланов. Фундаментальные основы в решении этого вопроса заложил Р. Д. Иродов[57]. Дальнейшее развитие решения этой проблемы получило в трудах В. И. Жу-кова[54,55], А.Н. Панченкова [82] и других авторов. В указанный период проведено огромное количество лабораторных и натурных экспериментов на моделях, в том числе и полунатурных.
В СССР создан ряд крупных экранопланов военного назначения: « Каспийский монстр» (взлетная масса более 500 т), « Лунь» (более 300 т),
« Орленок» (более 100 т). В Германии инженер А. Липпиш активно занимался созданием легких экранопланов (Х-112, Х-113, Х-114 оригинальной схемы, взлетной массой от 350 кг).
Второй этап характерен резким сокращением многообразия аэродинамических схем аппаратов. Выявляется несколько из них, наиболее полно использующих « эффект экрана». Это классическая схема (« Каспийский монстр», «Лунь», «Орленок»), схема с крылом малого удлинения и третья схема, представляющая комбинацию первых двух.
Ведется поиск решения проблемы взлета с воды. Создаются системы
поддува под крыло, стартовые ускорители, гидролыжи и т.д. На эксперимен
тальных образцах отрабатываются вопросы управления, навигации, безопас
ности, надежности и живучести экранопланов. \
В конце 70-х годов активность в создании летных образцов экранопланов резко снизилась. К числу объективных причин этого можно отнести нерешенность проблемы устойчивости полета экраноплана. По этой причине произошло несколько аварий, что в значительной мере дискредитировало идею « экранного полета» и привело к свертыванию работ в этой области.
В конце 1980-х годов отмечается новое оживление. Это время можно назвать началом третьего этапа развития экранопланостроения. Большой интерес к экранопланам проявляют США, Япония, Китай, Сингапур, Филиппины, Малайзия, Австралия и другие страны [103,112,113,114]. Возобновляется на конверсионной основе работа в ЦКБ по СПК в Нижнем Новгороде. Ряд творческих коллективов в Нижнем Новгороде строит и модернизирует ранее созданные легкие экранопланы « Волга 2», « Стриж» и другие. Активно работают над проблемой развития экранопланостроения ученые ряда ВУЗов России (Московский государственный авиационный институт, Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ), технические университеты г. Иркутска, Комсомольска - на - Амуре и др.). В частно-
сти ученые Иркутского государственного технического университета работают в направлении создания экраноплана схемы « утка». Там выполнен большой объем исследований по аэрогидродинамике, устойчивости, проектированию, постановке лабораторных и натурных экспериментов.
Характерной особенностью третьего этапа развития идеи околоэкранного полета является деятельность в направлении детальной проработки и уточнении фундаментальных основ теории, оптимизации компоновок, совершенствовании конструкции, поиск областей применения и путей обеспечения эффективности экраноплана как транспортного средства. По мере накопления теоретических знаний и практического опыта складывается более четкое представление о положительных факторах влияния экрана на характеристики аппарата, о роли и месте экранопланов в системе транспортных средств. Исследованиями доказано существование « ниши» в скоростном ряду транспортных средств в диапазоне 150...400 км/ч, которую могут заполнить экранопланы[14,22]. В зарубежной литературе опубликованы многочисленные проекты использования экранопланов, например: круглогодичные грузопассажирские перевозки на трансокеанских маршрутах, в прибрежных районах, по рекам, крупным озерам; деловые поездки, перевозка почты, патрулирование, спасательные работы и т. д.; военное применение: борьба с подводными лодками, транспортно-десантные операции с возможностью выхода на сушу[4,5,15,106,110].
Очерченную сферу применения обосновывают высокой транспортной эффективностью экранопланов[28], значительной нетребовательностью к условиям базирования, высокой скоростью, грузоподъемностью, амфибийно-стью.
Сложилась определенная система классификации экранопланов. Так, например, в рамках Международной морской организации (IMO), а также во «Временном руководстве по движению экранопланов на внутренних водных
путях»[62], принята классификация, подразделяющая экранопланы на три типа:
тип А — экранопланы, не имеющие возможности отрыва от экрана;
тип В - аппараты, способные, в случае необходимости, летать вне экрана;
тип С - летательные аппараты, использующие экран только в режимах взлета-посадки.
Соответственно разделен порядок сертификации экранопланов: тип А сертифицируется 1МО,а также сертифицируется «Временным руководством по движению экранопланов на внутренних водных путях»[62], тип В - сертифицируется в IMO с учетом требований Международной авиационной организации (ІКАО), третий тип - тип С - сертифицируется по нормам ІКАО с привлечением норм ІМО.
Наибольшее развитие, если следовать приведенной квалификации, получили аппараты первых двух типов. В первом из них (тип А) внимание проектировщиков и исследователей сосредоточено на аппаратах, не имеющих непосредственного контакта с экраном в крейсерском режиме движения. Для удобства используется принцип классификации экранопланов и по другим признакам, например: по конструктивно-компоновочной схеме (самолетная, летающее крыло, комбинированная); по расположению и форме оперения (нормальная схема, схема « утка» [31,32,60]). Резко различаются экранопланы по способу старта ( глиссирование, старт с поддувом). Особенно значительно это различие в скоростях движения.
Изложенный исторический обзор становления и развития проблемы создания экранопланов показал, что работы в этом направлении ведутся, с той или иной степенью интенсивности, на протяжении всего ХХ-го столетия.
Интерес ученых и конструкторов к транспортным экранопланам объясняется тем, что они потенциально обладают рядом положительных качеств:
возможностью и целесообразностью создания аппаратов высокой грузоподъемности;
большой скоростью движения;
возможностью и целесообразностью создания аппаратов высокой грузоподъемности.
Однако, несмотря на большое число построенных опытных экранопланов, известны лишь единичные случаи их практического использования. Причина этого заключается, в частности, в нерешенности ряда вопросов научного и технического характера[29]. Недостаточно изучены, не обобщены и должным образом не интерпретированы маневренные и инерционные характеристики экранопланов. Экранопланы типа В, С всесторонне не испытаны по проблемам мореходности и безопасности. В результате сложилось несколько искаженное представление о технических возможностях экранопланов.
В связи с вышеизложенным в настоящую диссертацию включены исследования по вопросам математического моделирования движения экраноплана и исследования в области теоретико-экспериментальной методики определения параметров движения экраноплана, а также оценка безопасности эксплуатации экраноплана на ВВП.
Таким образом, целью диссертационной работы является:
Провести анализ и математическую обработку ранее проведенных испытаний экраноплана «Волга-2».
Создать качественную математическую модель движения экраноплана типа А.
Разработать теоретико-экспериментальную методику определения параметров движения экраноплана.
4. Обосновать область применения математической модели в различных условиях плавания.
Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:
Проведена математическая обработка натурных испытаний экрано-плана «Волга-2».
Выполнено экспериментальное моделирование обтекания экрано-плана.
Разработана математическая модель произвольного движения экра-ноплана «Волга-2».
Проанализирована адекватность созданной математической модели движения экраноплана на всех режимах эксплуатации.
Предложены инженерные методики определения параметров движения экраноплана для различных режимов эксплуатации.
Разработана программа компьютерного моделирования движения экраноплана.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепринятых теоретических положений, рекомендаций, логикой рассуждений и выводов, а также сопоставлением полученных результатов с данными многочисленных экспериментов и теоретическими исследованиями других авторов.
Практическая ценность. В диссертации рассмотрены основные вопросы, которые решаются при эксплуатации нового транспортного средств на ВВП.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано пять статей. Результаты исследований использованы в научно-исследовательской работе «Разработка временного руководства по движению экранопланов на внутренних водных путях» и доложены на научно-
методических конференциях профессорско - преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа в 2003-2005 г. и на заседании Ученого Совета в 2005 году.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Материал изложен на 150 страницах, включает 4 таблицы, 47 рисунков. Список использованной литературы содержит 114 наименований.
В первой главе проанализированы вопросы исследований движения скоростных судов с динамическим принципом поддержания, рассмотрены принципы движения и классификации экранопланов, проблемы их внедрения экранопланов в водный транспорт. Во второй главе рассмотрены задачи по построению математической модели движения экраноплана. Разработана ма.-тематическая модель движения экраноплана, представляющая собой систему дифференциальных уравнений, описывающих движение с учетом внешних гидродинамических и аэродинамических сил. В третьей главе приведено компьютерное аэрогидродинамическое моделирование различных режимов движения экраноплана. Четвертая глава содержит анализ данных натурных испытаний, их математическую обработку и сравнение с результатами расчетов по математической модели. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В приложении приводятся данные результатов продувки в аэродинамической трубе и их интегрированная обработка, основные данные, полученные при математической обработки натурных испытаний, основные результаты компьютерных расчетов математической модели.
Исследование возможностей повышения скоростей движения судов
Экраноплан - транспортное средство, движущееся вблизи поверхности воды или земли (экрана) с использованием экранного эффекта[63].
Экранный эффект был замечен еще на заре развития авиации, когда самолеты с низкорасположенными широкими крыльями малого удлинения при приближении к земле приобретали дополнительную « летучесть» и неохотно выполняли посадку. Суть экранного эффекта заключается в приросте аэродинамической подъемкой силы крыла, на высотах сопоставимых с его хордой, а также в снижении сопротивления на высотах, меньших половины размаха крыла. Прирост подъемной силы вблизи экрана вызывается повыше- -нием давления на нижней поверхности крыла (появляется динамическая воздушная подушка). Снижение сопротивления обусловлено уменьшением индуктивных скоростей потока воздуха, вызванных экраном.
Работы по изучению и практическому использованию экранного эффекта ведутся давно[97,99,100], причем параллельно как судостроителями, так и авиастроителями. Судостроителям экранный эффект нужен прежде всего как средство повышения скорости судов, а авиастроители рассматривают его как средство повышения экономичности и расширения эксплутационных возможностей самолетов.
Одним из основных элементов самолета, как и экраноплана, является крыло, в значительной степени определяющее эксплуатационные характеристики летательного аппарата[74,75,76]. Основными характеристиками крыла являются его площадь S, размах L и удлинение Л. Все размеры профиля крыла принято задавать в процентах от его хорды Ъ (рис. 1. 2).
Аэродинамические характеристики крыла в значительной степени зависят от особенностей профилей, из которых оно составлено, в том числе от формы средней линии и его относительной толщины. Форма средней линии определяется значением максимальной вогнутости fmm, измеряемой в процентах от хорды, и относительной максимальной толщиной СП1ах, а также расположением их по длине хорды (Xf,Xc).
Углом установки крыла называют угол между корневой хордой крыла и продольной осью экраноплана (ОХ). Размер этого угла выбирается из условия обеспечения наименьшего лобового сопротивления экраноплана при движении на расчетном режиме.
В аэродинамике применяют две системы координатных осей: поточную (скоростную) и связанную. За начало координат принимают центр тяжести аппарата; ось ОХ направлена по вектору скорости (поточная система) или вдоль оси корпуса (связанная система), ось ОУ - перпендикулярна к оси ОХ вверх, а ось OZ - перпендикулярна к оси ОХ вправо по направлению крыла.
Рассмотрим аэродинамические силы, которые действуют на крыло при симметричном обтекании его воздушным потоком. При движении крыла с положительным углом атаки воздушный поток над ним искривляется и поджимается, что повышает скорость обтекания и, как следствие над крылом возникает зона пониженного давления. Это находится в полном соответствии с уравнением Бернулли: PV2 + р = const (1.1) где PV2 - скоростной напор; р - статическое давление в потоке. Под крылом наоборот происходит торможение потока, уменьшение его скорости, а, следовательно, и увеличение давления. Таким образом, возникает подъемная сила крыла Y (рис. I. 3).
Сумма проекций нормальных и касательных к поверхности профиля крыла сил на ось X дает силу лобового сопротивления Q. Результирующую подъемной силы и силы сопротивления называют полной аэродинамической силой крыла R. Если учесть еще соответствующие составляющие подъемной силы оперения, корпуса, а также аэродинамическое сопротивление всех элементов аппарата (и их взаимовлияние - интерференцию), то можно определить полную аэродинамическую силу аппарата.
Точку, в которой линия действия силы R пересекает хорду крыла, называют центром давления. Установлено, что значение и направление силы R, а, следовательно, и положение центра давления на хорде крыла, как правило, зависят от его угла атаки. Полную аэродинамическую силу определяют по формуле: R = CRSpv2/2, (1 2) где CR — коэффициент полной аэродинамической силы. В расчетах силу R принято раскладывать на составляющие по поточным осям. Составляющую силы R по оси OZ, т.е. направленную перпендикулярно к набегающему потоку, обозначают Y и называют подъемной силой крыла, а составляющую по оси ОХ, направленную в противоположную движению сторону, обозначают Q и называют силой лобового сопротивления крыла. Подъемную силу крыла можно определить по формуле: Y = CySpv2/2 (1 3) где Су— коэффициент подъемной силы, зависящий от удлинения, формы профиля и угла атаки крыла.
Помимо сил трения и разности давления в потоке, одной из причин создания силы лобового сопротивления крыла является образование за крылом скоса потока вследствие возникновения системы вихрей.
Режим старта и режим посадки.
В данном разделе представлена математическая модель свободного движения экраноплана на режимах старта и посадки в условиях тихой воды и на волнении. Так как при этом аппарат совершает движение без крена и с постоянным курсовым углом [40], то рассматривается движение только в вертикальной плоскости.
Математическая модель поведения экраноплана на режимах старта и посадки представляет собой систему дифференциальных уравнений движения аппарата под действием внешних гидродинамических и аэродинамических сил, тяги винта и инерционных сил аппарата.
Для описания динамики экраноплана использованы две системы координат (рис.2.4): OXYZ — неподвижная система, связанная с невозмущенным уровнем водной поверхности; ОіХіУ і - подвижная система, связанная с экранопланом, где 0 -центр масс аппарата, a OiXj и ОіУ] - связанные оси.
Положительными приняты перемещения и силы в положительном направлении осей координат, а углов и моментов - против часовой стрелки. Уравнения движения экраноплана выводятся из уравнений Лагранжа 2-го рода[1]: d_ dt fdT dqk = Qk (2.1) где: T - кинетическая энергия системы; Qk - обобщенная внешняя сила по координате qk; Рис. 2.3. Экраноплан «Волга-2» qk - обобщенные координаты, в качестве которых приняты: х,у - перемещение ЦМ экраноплана вдоль осей неподвижной системы координат; где Px„Pyi - компоненты внешних сил, действующих на элементарные отсеки агрегатов по соответствующим осям координат. Суммируя по расчетным отсекам, получаем: Q = {Px,Py,Mz), (2.5) где Рх,Ру - суммы проекций внешних сил на оси ОХ и ОУ; М2 - сумма моментов внешних сил относительно оси Zi; В качестве внешних нагрузок, действующих на экраноплан при старте-посадке, рассматриваются следующие силы: гидродинамические силы; аэродинамические силы, действующие на экраноплан при движении вблизи поверхности; сила тяги винта; силы тяжести аппарата.
Гидродинамические нагрузки определены как силы, действующие на экраноплан при его взаимодействии с взволнованной водной поверхиосіью при движении аппарата. Для определения этих сил экраноплан разбивасгся по длине на задаваемое количество расчетных отсеков, для каждого из которых вычисляется мера погружения в воду. Для погруженных отсеков находятся скорости погружения, присоединенные массы воды и другие параметры, необходимые для расчета гидродинамических сил.
Гидродинамическая подъемная сила определяется по теории автомодельного погружения клина. Влияние свободной поверхности воды при погружении, т. е. при глиссировании, учитывается по методу Г. В. Логвиновича [92]. Дополнительно определяются гидростатические силы, как вес воды, вытесненной погруженным клином.
При расчете экраноплан разбивается на п расчетных отсеков, суммарная гидродинамическая сила равна: F.=±F.=±fa + F H (2 б) ;=1 (=1 где Fia,Fin - гидродинамическая и гидростатическая составляющие нагрузки на единицу длины і-го отсека, определяются на основе гипотезы стационарности; А/ = Ьл І п - длина расчетного отсека; Ln - полная длина погруженной части экраноплана. В соответствии с методом плоских сечений гидродинамические силы равны: F Ftf-m v), (2.7) где F,,mnpi - стационарная составляющая подъемной силы и присоединенная масса воды і-го отсека, зависящие от формы сечения, характера обтекания профиля и глубины погружения отсека; V,-, v,- — скорость и ускорение погружения і-ого отсека; ju - поправочный коэффициент, учитывающий влияние продольного растекания воды по поверхности экраноплана.
Силы Ft и присоединенные массы воды тпрі для различных участков погружения отсеков равны: Cx{a),Cy(a),mz{a) - коэффициенты соответствующих аэродинамических сил и моментов, определяемые при продувках модели экраноплана в аэродинамической трубе на различных высотах от экрана при изменении углов дифферента. В произвольный момент времени относительная высота ЦМ аппарата над экраном равна: h=(y-yr-lkQ + H2)/Bcax, (2.35) где у - отстояние ЦМ аппарата от экрана (высота полета); 1к - расстояние от задней кромки крыла до ЦМ аппарата; Н3 - отстояние задней кромки крыла от ОП; Эффективный угол атаки (в градусах) при нестационарном обтекании аппарата равен: а = 57,зе--1 V х) где х,у — горизонтальная и вертикальная скорости аппарата.
Таким образом, в произвольный момент времени движения по значениям аоф для каждого заданного значения относительной высоты полета вычисляются аэродинамические коэффициенты, а далее путем интерполяции эти коэффициенты определяются для фактической относительной высоты полета h . Коэффициент аэродинамического сопротивления определяется через коэффициент качества: с =Су_ (2.37) К Аэродинамические нагрузки определены в неподвижной системе координат, поэтому в уравнения движения аппарата они входят следующим образом:
Описание аэротрубной установки
Аэродинамическая труба - это установка, создающая поток воздуха или газа для экспериментального изучения явлений, сопровождающих обтекание тел[27]. С помощью аэродинамических труб определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении надводных и подводных судов, исследуются их устойчивость и управляемость. В аэродинамических трубах определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения, мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п.
Испытания в аэродинамической трубе базируются на принципе относительности Галилея, который гласит, что перемещение тела относительно воздуха (или жидкости) можно заменить движением воздуха, набегающего на неподвижное тело[51].
В аэродинамических трубах вместо поступательного, прямолинейного и равномерного движения тела в однородной неограниченной среде изучается обтекание неподвижного тела равномерным потоком с той же скоростью. По принципу относительности Галилея механические явления взаимодействия среды и тела будут в обоих случаях одинаковыми.
Для моделирования движения тела в аэродинамической трубе необходимо создать равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру[52,59].
Аэродинамические трубы дороги, поэтому обычно в них исследуется обтекание модели проектируемого объекта (или его частей), и определяются действующие на неё силы. При этом необходимо соблюдать условия подобия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект. При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в аэродинамической трубе, рассчитать силу, действующую на натуру[82].
На данный момент построено великое множество аэродинамических труб, от миниатюрных до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в аэродинамических трубах проводились разработчиками авиационной техники[26]. Серьезно изучалась обтекаемость водных судов. Как и следовало ожидать, первым наземным транспортным средством, которое продули в аэродинамической трубе, стал поезд[8 8].
Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.
Широкое распространение баллонных аэродинамических труб[87 обусловлено тем, что они проще по конструкции, а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.
Простейшие схемы труб малых скоростей (работающие в условиях практической несжимаемости воздуха при скоростях до 50-60 м/сек) приведены нарис. 3.11.
Труба прямого действия (рис. 3.11) показана с закрытой рабочей частью, а замкнутая труба - с открытой рабочей частью; но первую можно сделать с открытой рабочей частью, если убрать ее стенки, заменив их герметичной камерой (показана пунктиром), а вторую - сделать с закрытой рабочей частью, если вместо свободной границы поставить стенки. Дозвуковая аэродинамическая труба постоянного действия (рис 3.12) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).
Рабочая часть аэродинамической трубы может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (высотной камерой).
Исследуемая модель[90] крепится державками к стенке рабочей части аэродинамической трубы или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 7 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор), приводимый в действие силовой установкой, ком пенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 8 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части аэродинамической трубы. Если в каком-либо сечении канала аэродинамической трубы статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан.
Размеры дозвуковых аэродинамических труб колеблются от больших для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.
В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов, а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов.
Использование современных компьютерных систем дает новый толчок в развитии технологии аэродинамических труб [108],[109]. К примеру, если при работе над новым автомобилем макет машины проводит в реальной трубе сотни и тысячи часов, то виртуально на компьютерной модели аналогичную работу можно провести в течение десятка часов (рис 3.10). Виртуальная аэродинамическая труба куда компактней, чем реальная, она целиком помещается внутри компьютера. А скорость получения результатов зависит только от мощности процессора.
Анализ и математическая обработка результатов натурных испытаний экраноплана
В отличие от больших морских экранопланов для управления экран-нопланом « Волга-2» не требуется летной подготовки. У него отсутствует руль высоты. Максимальная скорость - 150 км/час, высота полета 0,5 - 0,8 м. Основными органами управления являются ручки управления двигателями для изменения скорости и штурвал для управления курсом. На судне установлены два автомобильных двигателя по 150 л.с, расход топлива - 30 л/час автомобильного бензина АИ-92. Экраноплан «Волга-2» может использоваться как разъездной, для экстренной доставки врачей, почты, как речное такси, патрульный и других целей. Возможно создание боевой модификации. Пас-сажировместимость - 8 человек или грузоподъемность до 800 кг. Обладая свойством амфибийности, экраноплан может выходить на необорудованный берег с уклоном до 5 градусов для посадки пассажиров и заправки бензином. Осадка на плаву - 0,25 м. Экраноплан «Волга - 2» зарегистрирован Российским Речным Регистром как речное судно с водоизмещением - 2,5 т и имеющее длину -Им, ширину -8 м, высоту - 3 м. Допустимая высота волны -0,5 м, скорость ветра - 10 м/сек. Экраноплана предназначен для деловых поездок, активного туризма и скоростных пассажирских перевозок. Условия эксплуатации: Класс Речного Регистра «Р»; Лимит высоты волны 0,5 м; Лимит скорости ветра 10 м/сек. Посадка пассажиров с причала или необорудованного берега. Экраноплан предназначен для круглогодичной эксплуатации на воде, льду и снегу.
Несущие свойства ДВП «Волга-2» реализуется, в основном, несущим крылом, подъемная сила которого образуется за счет поддува струй от винтовых движителей и скорости набегающего воздушного потока. Соотношение подъемных сил на крыле от потока, создаваемого винтами и аэродинамического потока, изменяется по скорости.
По мере разгона КДВП величина подъемной силы, создаваемой за счет поддува, уменьшается, а величина подъемной силы от аэродинамического потока возрастает.
Конструктивные параметры экраноплана и положения управляющих поверхностей (рулей) должно быть подобрано таким образом, чтобы обеспечить достаточную для движения подъемную силу и постоянство точки приложения этой силы в широком диапазоне скорости движения экраноплана. Конфигурация экраноплана определяется положением закрылков основного крыла (SJ, положением (углом отклонения) дефлекторных решеток (S,,euJ, отклоняющих воздушный поток на поддув и положением руля направления
Возможность выполнения разбега, крейсерского движения и торможения при неизменяемых в процессе движения конфигураций аппарата позволяет производить управление с помощью ручек газа (по углу дифферента и высоте) и рулем направления (по курсу).
Многочисленные испытания экраноплана «Волга-2» производились под руководством главного конструктора Дементьева В.А.[40].
Целями испытаний являлось:
1. Получение силовых и кинематических характеристик разгона, крейсерского движения и торможения экраноплана «Волга-2» при различных конфигурациях аппарата.
2. Анализ и выбор на основе полученных характеристик конфигурации аппарата, позволяющей осуществлять разбег, крейсерское движение и торможение с лучшими аэродинамическими характеристиками.
3. Разработка оптимальной, в области аэродинамики, методики управления экранопланом. Аппроксимация полученных результатов, определение инерционных зависимостей при различных конфигурациях аппарата.
Программа испытаний предусматривала 9 конфигураций аппарата» отличающихся положением закрылков основного крыла и положениями де-флекторной решетки, (табл. 4. 1.).
Методика проведений испытаний была следующая:
На исходной позиции аппарату задавались испытываемая конфигурация, двигатели выводились на режим максимальных оборотов, и производился разгон аппарата до скорости 120 км/ч или до максимально достигаемой скорости. На максимальной скорости выдерживался полет в течение 30-40 сек, а затем плавным снижением оборотов производилось торможение аппарата. Потребные для анализа кинематические и силовые и позиционные параметры движения фиксировались на шлейфовые осциллограммы (см. приложение 2). Прямолинейность движения по курсу выдерживалось рулем направления.
Аппроксимация производились на основе шлейфовых осциллограмм, используя численные методы программы MathCAD Professional.
В процессе проведения испытаний и после анализа осциллограмм выяснилось, что конфигурация экраноплана дреш =25 (№1, 4, 7 табл. 4.1.) имеет большое АГД сопротивление. Максимальная скорость движения экраноплана при этих конфигурациях 60-80 км/ч. Поэтому данная конфигурация исклю-чилась.
Конфигурация экраноплана при дреш=30 в условиях тихой воды {he 150 мм) позволяют произвести разбег аппарата до скорости 115-120 км/ч и, в дальнейшем, крейсерское движение экраноплана с достигнутой скоростью.
Конфигурация экраноплана при дреш =35 позволяют производить разбег аппарата и, в дальнейшем, крейсерское движение на скоростях 110-115 км/ч, причем прослеживается тенденция к снижению крейсерской скорости при малых углах установки закрылок основного крыла.
