Представлена методика экспериментального определения аэродинамических характеристик тел с учетом экранного эффекта в аэродинамической трубе Т-500 МГТУ им. Н. Э.Баумана. В качестве объекта экспериментального аэродинамического исследования выбран профиль B-12 симм. ЦАГИ. В результате обработки опытных данных для профиля получены зависимости коэффициентов нормальной силы от расстояния от носка до поверхности экрана.
Ключевые слова: экраноплан, дренажный эксперимент, экранный эффект, аэродинамическая труба, аэродинамические характеристики.
Экранный эффект — это эффект увеличения подъемной силы ЛА во время движения около опорной поверхности, называемой экраном (вода, земля, лед).
Экранопланы имеют повышенную грузоподъёмность по сравнению с самолетами, большую крейсерскую скорость по сравнению с грузовыми кораблями, поэтому экранопланы могут заполнить важный участок в транспортных системах, являясь промежуточным звеном между обычным самолетом и кораблем [1]. Использование экранопланов может решить проблемы, связанные с транспортировкой грузов по крупным рекам, в акваториях морей, транспортной связи с Крымом, а также для транспортировки грузов и полярников на Северный полюс.
Крыло и корпус экранопланов дополнительно увеличивают подъёмную силу за счёт повышенного давления под нижней плоскостью. Эффект экрана связан с тем, что возмущения от крыла достигают поверхности экрана, отражаются и успевают дойти до крыла. Скорость распространения возмущений давления равна скорости звука. Соответственно, проявление экранного эффекта начинается при высоте полета над экраном h:
(1)
где b — хорда крыла, a — скорость звука, h — расстояние от поверхности крыла до экрана, v — скорость полёта.
С другой стороны, существуют оценки, по которым экранный эффект проявляется высотах, соизмеримых с половиной длины средней аэродинамической хорды (САХ) крыла [2].
Целью работы является разработка экспериментальной методики определения аэродинамических характеристик летательных аппаратов, учитывающая в первом приближении влияние экранного эффекта в аэродинамической трубе Т-500 МГТУ им. Н. Э.Баумана.
Аэродинамические характеристики ЛА могут определяться экспериментальными и расчетными методами. Количество известных эмпирических зависимостей, позволяющих учитывать влияние экранного эффекта на АДХ, весьма ограничено [3]. Численные методы аэродинамики, используемые в специальных расчетных программах (SWFlowSimulation, AnsysFluent) на сегодняшний день не являются надежным средством определения аэродинамических характеристик моделей. Это связано в первую очередь с полуэмпирческим характером моделей турбулентности, используемых в расчетах. Использование натурного эксперимента сопряжено со значительными материальными и календарными затратами, невозможно для еще не созданных летательных аппаратов. Поэтому испытания его моделей в аэродинамических трубах остается основным используемым средством для определения аэродинамических характеристик ЛА. В данной работе для определения АДХ используется дренажный эксперимент. Данный метод исследования позволяет получать эпюры распределения нормального давления в точках, в которых расположены дренажные отверстия, и тем самым построить физическую модель возникновения экранного эффекта. Такой метод не позволяет измерить значение трения, но его прямой вклад в величины АДХ рассматриваемого в работе тела незначителен [4]. C помощью дренажного эксперимента удобно рассматривать влияние изменяющейся эпюры распределения давления на изменение коэффициента нормальной силы.
Для учета влияния «эффекта экрана» в рабочую часть трубы введена плоская экранирующая поверхность. На рис. 1 представлены фотографии модели дренированного профиля В-12 симм. ЦАГИ [5] в рабочей части трубы.
Рис. 1. Дренажная модель с экранирующей поверхностью в рабочей части трубы
Скорость потока в рабочей части аэродинамической трубы, при которой проводились исследования, составила V ≈ 30 м/с, что соответствует числу Рейнольдса Re≈376 000, рассчитанному по средней аэродинамической хорде крыла модели (b=0,2 м). В соответствии с формулой (1) влияние экранного эффекта при данной скорости V и данной длине хорды b должно начать проявляться на высоте h≈1,05 м. Из-за ограниченных габаритов рабочей части аэродинамической трубы исследовать степень влияния на этой высоте не представляется возможным.
На рис.2 представлены эпюры распределения давления на профиле крыла, полученные при обдувке с экранирующей поверхностью и без неё.
Рис. 2. Эпюры распределения давления с экраном и без экрана
Полученные в результате обработки опытных данных зависимости коэффициентов нормальной силы от высоты носка до экранирующей поверхности, включая значение коэффициента профиля, бесконечно удаленного от экрана (без экрана), при угле атаки α=5° представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента нормальной силы от высоты над экранном
Полученные результаты показывают, что наличие экранирующей поверхности существенно влияет на величину коэффициента нормальной силы профиля Сy. Так, Сy ≈ 0,52 при α=5° и h = 0,17 м, Сy ≈ 0,36 при h = 0,67 м, Сy ≈ 0,34 при h = 0,97 м (~ b/2), при отсутствии экрана Сy ≈ 0,32 при α=5° и h → ∞. На высоте, близкой к половине хорды значение Сy отличается от значения на высоте, бесконечно удаленной от экрана на 6,5 %. Учитывая монотонность зависимости Сy(h) можно отметить, что распространённая оценка о влиянии экранного эффекта на высоте половины хорды справедлива и для данного эксперимента; влияние экрана на высотах больших b/2 можно не учитывать.
По различию эпюр следует отметить, что помимо повышения давления на нижней поверхности профиля на увеличение коэффициента давления влияет также разрежение давления на верхней поверхности, обусловленное увеличением скорости потока вдоль верхней поверхности благодаря увеличению градиента давления за счет снижения давления у задней кромки на верхней поверхности. Это понижение давления вызвано увеличением скорости потока, выходящего между экраном и задней кромкой.
Методика, описанная в данной работе, позволяет получать значения аэродинамических коэффициентов с учетом влияния экранной поверхности и оценивать это влияние качественно. Однако следует понимать, что данный эксперимент не учитывает относительного перемещения изучаемой модели и экрана, а также не учитывает особенности реальной поверхности (волны на поверхности воды, сыпучесть снежной поверхности), которая является экраном для реального ЛА.
Поэтому для дальнейшего, более точного, исследования актуально создание динамической экранирующей поверхности и разработка методики определения аэродинамических характеристик модели около неплоской поверхности.
Литература:
- A. V. Nebylov, P. A. Wilson. Ekranoplanes. Controlled flight close to the Sea. — Boston: WIT Press, 2002.
- Н. И. Белавин. Экранопланы. — Л.: Издательство «Cудостроение», 1977.
- В. И. Жуков. Особенности аэродинамики, устойчивости и управляемости экраноплана. — М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1997.
- А. Г. Голубев, В. Т. Калугин, А. Ю. Луценко, В. О. Москаленко, Е. Г. Столярова, А. И. Хлупнов, П. А. Чернуха. Аэродинамика. — М.:МГТУ им.Н. Э.Баумана, 2010.
- Б. А. Ушаков, П. П. Красильщиков, А. К. Волков, А. Н. Гржегоржевский. Атлас аэродинамических характеристик профилей крыльев. — М.:БНТ НКЕАП при ЦАГИ, 1944.
