Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Исследования с целью расширения области допустимых режимов применения авиационного изделия

Полный текст:

Аннотация

Показан цикл расчетно-теоретических и лабораторных работ, проведение которого позволило существенно расширить область режимов применения авиационного изделия без проведения дополнительных летных испытаний. Работы проведены в четыре этапа: определение коэффициентов приема скоростного напора и статического давления, разработка вычислительной программы, проведение лабораторных экспериментов на стенде системы приема воздушного давления и расчетное определение параметров СПВД во всей области режимов применения.

Для цитирования:


Замышляев А.А., Шмыгин А.Н., Доновский Д.Е. Исследования с целью расширения области допустимых режимов применения авиационного изделия. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):24-29.

For citation:


Zamyshlyaev A.A., Shmygin A.N., Donovskiy D.E. Research aimed at expanding the range of permissible application modes of aircraft equipment. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2016;(3):24-29. (In Russ.)

Использование авиационных изделий во всей заданной в техническом задании области до­пустимых режимов применения (ОДРП), как правило, осуществляется на основании анали­за работы их систем и приборов по результа­там летных испытаний (ЛИ) в зависимости от режимов полета. В ряде авиационных изделий одной из систем, характеристики которой во многом определяют размеры ОДРП, является система приема воздушного давления (СПВД).

СПВД состоит из приемников давления (ПД) и манометрических приборов (МП), со­единенных системой трубопроводов. ПД рас­полагают на внешней поверхности корпуса изделий, МП - внутри изделия; длина трубо­проводов намного больше, чем их диаметр. Схематично СПВД изображена на рис. 1, а. С помощью ПД через его приемное отверстие на тыльной стороне осуществляется прием статического Рст (С) и через приемное отвер­стие с фронтальной стороны - динамического Рд (Д) давления, которые посредством системы трубопроводов подводятся к МП. Основными характеристиками ПД являются коэффициент приема скоростного напора: K = qвн/q, и ко­эффициент приема статического давления - Ky = P/P, где q и P - значения скоростного напора и статического давления набегающего потока воздуха). Коэффициенты K, Ky харак­теризуют отличия давлений Рст и Рд, принима­емых с помощью ПД, от давлений в невозму­щенном потоке, обусловленные особен­ностями обтекания внешних обводов изделий набегающим потоком, а также конструктивны­ми параметрами ПД и системы трубопроводов.

 

Рис. 1. Схема СПВД (а) и лабораторного стенда СПВД (б)

 

В начальный момент времени приемные отверстия ПД закрыты, прием Рст и Рд не осу­ществляется, СПВД герметична. Открытие приемных отверстий осуществляется в задан­ный момент времени полета изделия. После прохождения нестационарных процессов, свя­занных с выравниванием давления в каналах приема Рст и Рд и трубопроводах СПВД, при достижении разности qвн = Рд - Рст определен­ного значения, происходит срабатывание МП.

Требуется, чтобы выполнялось условие: время срабатывания МП, отсчитываемое от момента открытия приемных отверстий ПД, во всей области ОДРП должно быть не более заданного значения. Выполнение этого требо­вания должно быть подтверждено по резуль­татам ЛИ.

Однако в силу ограниченного объема ЛИ изделия, невозможности, в ряде случаев, испытать изделие на предельных режимах не всегда удается экспериментально, по результа­там ЛИ, подтвердить, в частности, требование по времени срабатывания МП во всей ОДРП, заданной в тактико-техническом задании. Это обстоятельство в итоге может накладывать су­щественные ограничения на размеры ОДРП изделия, для снятия которых традиционно не­обходимы дополнительные ЛИ.

Цель настоящей работы - проведение исследований с целью расширения ОДРП ави­ационного изделия без проведения дополни­тельных ЛИ.

В процессе выполнения работы необхо­димо было решить основную задачу по под­тверждению выполнения требования по вре­мени срабатывания МП в подобласти ОДПР, в которой не были проведены ЛИ.

Настоящая работа проведена в несколько этапов (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема проведения работ

 

На этапе 1 проводилось определение ко­эффициентов приема скоростного напора K и статического давления Ky в неисследованной при ЛИ подобласти по результатам анализа характеристик авиационных изделий с подоб­ными (близкими) аэродинамическими обвода­ми и расположением ПД на корпусе изделий. Полученные на этапе 1 зависимости относи­тельных коэффициентов K' = K/Kmax (сплош­ная линия) и Ky' = Ky/Kymax (пунктирная ли­ния) от относительного числа M' = M/Mmax приведены на рис. 3. Штриховой линией на рис. 3 в безразмерном виде K ' = K/Kmax, Ky' = Ky/Kymax, M' = M/Mmax) приведены результаты, определенные на основании рас­четно-теоретических исследований.

 

Рис. 3. Зависимости коэффициентов K и Ky

 

На этапе 2 была разработана вычисли­тельная программа SPD для расчета переход­ных процессов внутри СПВД и определения ее характеристик в зависимости от начальных и граничных условий, а также от конструк­тивных параметров СПВД: длины и радиуса трубопровода, величины свободных (измери­тельных) объемов МП.

В указанной вычислительной програм­ме рассмотрено упрощенное представление СПВД, а именно, нестационарное квазиод- номерное течение сжимаемого совершенного газа в прямом трубопроводе постоянного сече­ния длиной L и радиусом h (полагается, что L много больше h), заканчивающегося объемом сферической формы (резервуаром) радиуса R, имитирующем свободный объем МП.

Постановка задачи в таком виде предпо­лагает постоянство физических параметров по сечению трубы, а также быстрое изменение параметров в каждом сечении трубопровода за счет влияния стенок.

В начальный момент времени t0 в тру­бопроводе и резервуаре задаются начальные значения давления P0, плотности ρ0 и скорости U0, на входной границе трубопровода - гранич­ные значения давления P1 (при этом P1 ≠ P0) и плотности P1, на стенке резервуара - нулевое значение скорости газа.

Безразмерные уравнения движения, со­хранения массы и энергии с учетом поправок на сопротивление стенок трубопровода и ре­зервуара [1], совместно с термодинамическим уравнением состояния газа записываются в следующем виде:

Здесь U - скорость;

ρ - плотность;

Cf - постоянный коэффициент;

e - удельная внутренняя энергия;

P - давление;

γ - показатель адиабаты.

Формулы для изменения площади сече­ния в трубопроводе и резервуаре заимствованы из работы [2]: S = πh2 при х ≤ L, S = 2π(x- L)2 при х ≥ L + h, S = π(h2 + (х - L)2) при L < х < L + h.

Начальные условия задаются следую­щим образом:

а граничные условия имеют вид:

где U |х = L + R =0 - значение скорости газа на стенке резервуара.

Для численного решения системы урав­нений (1)-(4), совместно с граничными и на­чальными условиями, был применен принцип «расщепления» [3]. Идея метода состоит в том, что целый шаг по времени разбивается на два полушага: на первом полушаге, используется явная схема типа «крест», в которой коорди­наты площади сечения и скорости считаются в целых узлах сетки, а давление, плотность и удельная внутренняя энергия в половинных узлах [4], на втором - односторонние разности против потока [5]. «Расщепленные» аналоги уравнений (1)-(4) на n + 1/2 и n + 1 шагах за­писываются следующим образом:

Для проверки достоверности получае­мых результатов по вышеописанной расчетной программе было проведено сравнение резуль­татов численных расчетов с точными аналити­ческими решениями, в частности, с задачей о распаде разрыва и задачей об отражении удар­ной волны от жесткой стенки [6].

Результаты сравнения приведены на рис. 4, 5. Начальные условия по распределению па­раметров заданы следующим образом: для за­дачи о распаде разрыва в интервале х = 0...0,5 (слева) - Pl = 1, ρ, = 1, U= 0, х = 0,5...1 (спра­ва) - Pr = 0,1, ρr = 0,125, Ur = 0, для задачи об отражении ударной волны от жесткой стенки в интервале х = 0...2,5 - Pi = 0,5, рl = 1, Ul = 2,8026 (слева), х = 2,5...3 - Pr = 2,5, pr = 1, Ur = 0 (справа), при х = 3 установлено условие жесткой стенки.

На рис. 4, 5 можно увидеть приемлемое согласование результатов расчетов по про­грамме SPD с точными аналитическими ре­шениями.

 

Рис. 4. Задача о распаде разрыва

 

 

Рис. 5. Задача об отражении ударной волны от жесткой стенки

 

На этапе 3 был разработан лабораторный стенд реальной конструкции СПВД, включаю­щий в себя трубопроводы, МП, ПД и проведе­ны эксперименты для всей требуемой ОДРП. Давления Рст и Рд в конструкции стенда СПДВ были заданы с использованием аккумуляторов воздушного давления с объемами V1 и V2 на­много превышающими суммарный внутрен­ний объем СПВД. Расчет давлений Рст и Рд осу­ществлялся с использованием коэффициентов, полученных на этапе 1: динамическое давле­ние определялось по формуле Рд = qK + KyP, статическое - Рст = KyP. Подача давлений Рст и Pд в СПВД осуществлялось одновременно с использованием быстродействующего меха­нического клапана (БМК). Схематично лабо­раторный стенд СПДВ изображен на рис. 1, б.

На этапе 4 были проведены численные расчеты по определению времени срабатыва­ния МП во всей ОДРП.

Результаты срабатывания МП в относи­тельных величинах t' = t/tmax и V' = (V - Vmin )/(Vmax - Vmin), полученные в ЛИ, лабораторных экспериментах и при численном расчете, при­ведены на рис. 6.

Из рис. 6 видно, что результаты, полу­ченные в ЛИ и в ходе лабораторных экспе­риментах хорошо согласуются между собой. Результаты, полученные с помощью вычислительной программы SPD имеют несколько худ­шую, но вполне приемлемую степень согласо­ванности с результатами ЛИ и лабораторных экспериментов, являются оценкой «сверху» времени срабатывания МП. При этом во всех случаях значение времени срабатывания МП с большим запасом не превышает заданного значения.

Таким образом, выполнение требования по времени срабатывания МП в подобласти ОДПР, к которой не были проведены ЛИ, под­тверждается.

На рис. 6 показаны: в диапазоне по оси абсцисс V' = 0...0,322 - область допустимых режимов применения изделия, полученная по результатам летной отработки изделия; в диа­пазоне по оси ординат t' = 0...1 - область до­пустимых времен срабатывания МП. Кроме того, в диапазоне от V' > 0,322 до V' = 1 при­ведена область режимов применения изделия, расширенная по результатам проведенного и описанного в настоящем докладе цикла работ.

Таким образом, использование изложен­ного в настоящей работе подхода позволило существенно расширить область допустимых режимов применения авиационного изделия без проведения дополнительных летных ис­пытаний.

Список литературы

1. Броуд Г. Л. Теоретическое описание гиперзвукового устройства UTIAS // Механика. Новое в зарубежной науке. № 4. М.: Мир, 1976. С. 51–68.

2. Броуд Г. Л., Шустер С. Гидравлические удары и безопасность ядерных реакторов на кипящей воде – возможность численных методов // Механика. Новое в зарубежной науке. № 26. М.: Мир, 1981. С. 131–165.

3. Яненко Н. Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука, 1967. 196 с.

4. Модификация метода Глимма к задачам проникания / С. Г. Андреев [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. 1985. Вып. 3. С. 80–85.

5. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 618 с.

6. Замышляев А. А. Разработка математической модели и программы расчета процесса натекания совершенного газа в замкнутый объем // Снежинск и наука 2009. Современные проблемы атомной науки и техники: Сб. науч. трудов Междунар. науч.-практ. конф. Снежинск Челябинской обл.: Изд-во СГФТА, 2009. 406 с.


Об авторах

А. А. Замышляев
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»)
Россия

Замышляев Алексей Александрович – начальник лаборатории

Область научных интересов: аэродинамика, баллистика, динамика полета, алгоритмы систем управления летательными аппаратами.

г. Снежинск Челябинской обл.



А. Н. Шмыгин
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»
Россия

Шмыгин Александр Николаевич – ведущий научный сотрудник

Область научных интересов: аэродинамика, баллистика, динамика (гидродинамика), алгоритмы обработки экспериментальных данных.

г. Снежинск Челябинской обл.



Д. Е. Доновский
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е. И. Забабахина»
Россия

Доновский Дмитрий Евгеньевич – кандидат технических наук, начальник отдела

Область научных интересов: аэродинамика, баллистика, динамика полета, алгоритмы систем управления летательными аппаратами.

г. Снежинск Челябинской обл.



Для цитирования:


Замышляев А.А., Шмыгин А.Н., Доновский Д.Е. Исследования с целью расширения области допустимых режимов применения авиационного изделия. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):24-29.

For citation:


Zamyshlyaev A.A., Shmygin A.N., Donovskiy D.E. Research aimed at expanding the range of permissible application modes of aircraft equipment. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2016;(3):24-29. (In Russ.)

Просмотров: 30


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)