Теоретико-экспериментальное исследование летательного аппарата на воздушной подушке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.07, кандидат технических наук Вавилов, Игорь Сергеевич

• Вавилов, Игорь Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вавилов, Игорь Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования.

1.1.Сущность явления «зарывания».

1.2. Исторический обзор и общие сведения о ЛАВП.

1.2.1. Схемы образования воздушной подушки.

1.2.1.1. Купольная (камерная) схема.

1.2.1.2. Сопловая схема.

1.2.1.3. Схема с рециркуляцией воздуха в завесе.

1.2.1.4. Схема с использованием жёстких бортовых стенок.

1.2.2. Гибкие ограждения.

1.2.3. Обзор способов поддержания устойчивости и управляемости ЛАВП.

1.2.3.1. Управление пилонами.

1.2.3.2. Управление изменением шага винта.

1.2.3.3. Управление аэродинамическими рулями.

1.2.3.4. Колёсное управление.

1.2.3.5. Комбинированное управление.

1.3. Выводы к п. 1.2.3. и проблемы дальнейшего совершенствования ЛАВП.

1.4. Постановка задачи исследования.

1.5. Выводы по главе 1.

2. Решение проблемы бокового сноса ЛАВП. Теоретическое и экспериментальное исследование явления «зарывания» ЛАВП.

2.1. Снос ЛАВП под действием бокового ветра и решение данной проблемы.

2.2. Явление «зарывания» ЛАВП и устранение его системой перераспределения воздуха в воздуховоде аппарата.

2.3. Расчёт тяговооружённости ЛАВП.

2.4. Экспериментальное исследование соплового метода поддержания устойчивости ЛАВП по тангажу на примере модели ЛАВП.

2.5. Программа экспериментальных исследований.

2.6. Экспериментальное оборудование и приборное оснащение.

2.7. Методика проведения эксперимента.

2.8. Результаты экспериментальных исследований.

2.9. Исследование работы нагнетательной установки и системы «трубопровод - модель ЛАВП».

2.9.1. Определение реальных характеристик нагнетательной установки.

2.9.2. Определение характеристик нагнетательной установки при совместной работе с воздуховодом.

2.9.3. Определение характеристик нагнетательной установки при совместной работе с воздуховодом и аэродинамической моделью ЛАВП.

2.9.4. Определение восстанавливающего реактивного момента сопел модели ЛАВП.

2.10. Выводы по главе 2.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование аэродинамического способа повышения устойчивости ЛАВП с помощью крыла.

3.1. Суть предлагаемого решения.

3.2. Теоретическое исследование метода борьбы с «зарыванием» подъёмным аэродинамическим крылом.

3.2.1. Расчёт центра тяжести ЛАВП.

3.2.2. Расчёт центра давления ЛАВП.

3.2.3. Определение восстанавливающего момента ЛАВП.

3.2.4. Расчёт сопротивления движению летательного аппарата на воздушной подушке.

3.2.5. Нахождение положения точки центра давления в сечении ЛАВП.

3.2.6. Определение опрокидывающего момента и момента на крыле.

3.3. Расчёт параметров аэродинамического крыла.

3.4. Экспериментальное исследование метода устранения «зарывания» ЛАВП подъёмным аэродинамическим крылом.

3.4.1. Программа экспериментальных исследований.

3.4.2. Экспериментальное оборудование и приборное оснащение.

3.4.3. Методика проведения эксперимента.

3.4.4. Результаты экспериментальных исследований.

3.4.5. Определение подъёмной силы аэродинамического крыла модели ЛАВП и теоретическая проверка полученных результатов.

3.5. Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретико-экспериментальное исследование летательного аппарата на воздушной подушке»

Летательный аппарат -устройство для полётов в атмосфере Земли или в космическом пространстве [3].

Аппарат на воздушной подушке - транспортное средство для движения по суше, воде, специальным путям, использующее воздушную подушку как средство создания подъёмной силы для отрыва аппарата от опорной поверхности или разгрузки наемного движителя. Воздушная подушка уменьшает сопротивление движению или давление аппарата на грунт и как следствие, повышает его скорость, проходимость, грузоподъемность. По характеру передвижения различают АВП самоходные и несамоходные (буксируемые), по положению относительно опорной поверхности — без контакта с ней (амфибийные суда и наземные машины), с контактом (скеговые суда, а также наземные машины с частичной разгрузкой наземного движителя) и бесконтактно рельсовые (поезда на воздушной подушке). Самоходные бесконтактные АВП относятся к классу JIA и снабжаются необходимыми устройствами для стабилизации движения и управления полетом. В качестве движителей в самоходных бесконтактных аппаратах используются воздушные винты и ГТД в самоходных контактных—гребные винты, водометы, шнеки, колеса, гусеницы, а в самоходных бесконтактных рельсовых — ГТД и линейные электрические двигатели. Максимальная скорость движения самоходных контактных АВП 45—75 км/ч, бесконтактных-100—150 км/ч, бесконтактно-рельсовых—до 150 км/ч [3].

Принцип действия ЛАВП состоит в том, что нагнетаемый компрессором под днище сжатый воздух создает там повышенное давление, силой сжатого воздуха машина приподнимается над землей и начинает парить в воздухе. Достаточно приложить к машине небольшую горизонтальную силу и она легко двинется вперед. Находясь на небольшом расстоянии от земли и испытывая только сопротивление воздуха, которое в 815 раз меньше, чем сопротивление воды машина может развивать большие скорости, теоретически в пределе приближающиеся к скоростям самолетов [4].

Чрезвычайно заманчивые перспективы сулит использование основной особенности машин на воздушной подушке — их амфибийных свойств, т. е. способности передвигаться и над сушей, и над водой. Летательные аппараты на воздушной подушке могут двигаться по местности с относительно пологим рельефом по снежному и ледяному покрову, твердым и заболоченным грунтам, по травянистой растительности, преодолевать уклоны до 15° сходу и до 6° с места, отдельные препятствия высотой до 300 мм. Особенно ценным качеством ЛАВП, позволяющим сохранить хрупкую тундровую растительность и верхний слой почвы, является низкое давление на грунт -порядка 0,01 атм, что в 10 раз ниже чем у аппаратов на пневматиках низкого давления [25].

Идея отрыва судна от опорной поверхности привела к созданию двух новых видов судов: на воздушной подушке (СВП) и подводных крыльях (СПК). И те, и другие были спроектированы так, чтобы путем поднятия корпуса над поверхностью воды исключить ее тормозящее действие и по возможности уменьшить влияние водной поверхности. Для этого одни суда приподнимаются над водой на статической или динамической воздушной подушке, а другие - с помощью гидродинамической подъемной силы, возникающей при движении на подводных крыльев. Обе эти технические концепции заключают в себе большие возможности для возрастания скорости движения по воде по крайней мере до 190 км/ч. Скорость крупных аппаратов, скользящих подобно низко летящему самолету на динамической воздушной подушке, может быть увеличена еще почти вдвое [20].

Актуальность работы. Работа посвящена исследованию и разработке устройства, повышающего устойчивость ЛАВП по тангажу, нейтрализующее такое явление, как «зарывание» носовой части ЛА в опорную поверхность и разработке устройства для решения проблемы сноса аппарата под действием бокового ветра.

Среди проблем, возникающих при проектировании ЛАВП, особо можно выделить проблемы повышения устойчивости и управляемости этих машин.

Невозможность на данный момент времени радикальным образом решить эти задачи сильно снижает уверенность инвесторов, решившихся вкладывать свои капиталы в производство амфибийных судов.

Одним из наиболее перспективных путей решения этой проблемы является расчет и установка в носовой части ЛАВГТ аэродинамического крыла с требуемой подъёмной силой. Принцип действия устройства основан на возникновении дополнительного момента на аэродинамическом крыле, который, вкупе с восстанавливающим моментом, нейтрализует максимальный опрокидывающий момент.

Решение проблемы бокового сноса ЛАВП было найдено применением выдвижного диска-колеса, привязывающего аппарат к опорной поверхности

7].

Разработка устройств повышающих устойчивость по тангажу и рысканью ЛАВП повысит эффективность использования и расширит область применения ЛАВП, поднимет уровень безопасности полётов и надёжность ЛАВП. Данная задача является актуальной и важной научно-технической проблемой и имеет перспективное научное направление в машиностроении.

Цель работы. Целью диссертационной работы является расчет, разработка и создание аэродинамического подъёмного крыла, устанавливаемого в носовой части ЛАВП для компенсации опрокидывающего момента, привозящего к «зарыванию» и решения проблемы бокового сноса аппарата под действием сильного бокового ветра применением выдвижного диска-колеса.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:

1) Проанализировать проблемы существующих методов повышения эксплуатационных характеристик ЛАВП;

2) Разработать математическую модель расчёта тяговооружённости ЛАВП;

3) Разработать программу проведения физического модельного эксперимента с целью проверки эффективности соплового метода повышения устойчивости по тангажу ЛАВП;

4) Провести анализ результатов модельного эксперимента для получения картины газодинамических процессов, происходящих в трубопроводах гибкого ограждения и воздушной подушки ЛАВП;

5) Разработать методику расчёта параметров аэродинамического крыла и места его расположения на корпусе ЛАВП;

6) Разработать программу проведения полунатурного эксперимента, с целью выявления достоинств и недостатков аэродинамического метода повышения устойчивости по тангажу ЛАВП;

7) Провести анализ результатов полунатурного эксперимента для получения картины газодинамических процессов, происходящих при совместной работе корпуса ЛАВП и аэродинамического крыла.

Методы исследования. В работе были использованы методы теоретического и экспериментального исследования. При теоретическом исследовании с использованием классических законов физики и аэрогазодинамики была построена математическая модель, представляющая собой систему линейных уравнений.

При экспериментальном исследовании способа увеличения устойчивости по тангажу ЛАВП, предложенного ранее Центральным аэрогидродинамическим институтом им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) в [32], и аэродинамического способа борьбы с «зарыванием», проводился однофакторный эксперимент.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработан эффективный способ борьбы с «зарыванием» ЛАВП;

2) разработана математическая модель газодинамических процессов в воздушной подушке ЛАВП с секционным днищем;

3) разработана математическая модель газодинамических процессов, происходящих при совместной работе корпуса ЛАВП и аэродинамического крыла;

4) разработана методика расчёта оптимальных характеристик аэродинамических крыльев, размещению их на корпусе ЛАВП при его эксплуатации в широком диапазоне режимов работы. и

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика позволяет получать оптимальные данные для реализации аэродинамического способа повышения устойчивости по тангажу ЛАВП, размещению крыла на корпусе ЛАВП при эксплуатации в широком диапазоне режимов полёта, что позволит расширить допустимые области применения ЛАВП, повысит надёжность и безопасность полётов.

2. Разработанная методика позволяет проводить опережающие исследования проектируемых ЛАВП для определения критической скорости движе-ния и физических процессов, происходящих при совместной работе корпуса ЛАВП и аэродинамического крыла.

3. Предложен эффективный способ борьбы со сносом ЛАВП под действием бокового ветра.

Заключение диссертации по теме «Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем», Вавилов, Игорь Сергеевич

Общие выводы и заключение

В результате проведённых исследований:

1) доказана неэффективность соплового метода повышения устойчивости ЛАВП по тангажу;

2) разработана математическая модель расчёта тяговооружённости ЛАВП;

3) разработана программа проведения полунатурного эксперимента по исследованию соплового метода повышения устойчивости ЛАВП по тангажу, разработана экспериментальная установка;

4) проведено теоретическое исследование соплового метода повышения устойчивости ЛАВП по тангажу, создана математическая модель газодинамических процессов, происходящих в трубопроводах гибкого ограждения и воздушной подушки ЛАВП;

5) разработан эффективный способ повышения устойчивости ЛАВП по тангажу подъёмным аэродинамическим крылом;

6) разработана программа проведения полунатурного эксперимента по исследованию аэродинамического метода повышения устойчивости ЛАВП по тангажу, выявлены его достоинства по сравнению с сопловым методом, разработана экспериментальная установка;

7) проведено теоретическое исследование аэродинамического метода повышения устойчивости ЛАВП по тангажу, создана математическая модель газодинамических процессов, происходящих при совместной работе корпуса ЛАВП и аэродинамического крыла;

8) разработана методика математического расчёта параметров аэродинамического крыла, приведены общие рекомендации по созданию аэродинамических крыльев и размещению их на корпусе ЛАВП;

9) предложен эффективный метод повышения устойчивости ЛАВП по рысканью.

Проведённые исследования раскрывают суть явления «зарывания» и позволяют предложить эффективный метод борьбы с ним. Исследования предполагают продолжение работ по совершенствованию аэродинамических качеств ЛАВП при совместной работе с крылом, разработке схем с управляемыми и разрезными крыльями, ориентиром и заключительным этапом которых является создание надёжных и безопасных ЛАВП. Наряду с другими методами повышения устойчивости ЛАВП, как то увеличение сопротивляемости боковому сносу установкой в днище выдвижного колеса [7,24], позволит эффективнее применять аппараты на воздушной подушке в народном хозяйстве РФ.

Библиографическое описание

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Часть 1. -М.: Наука, 1991.-597 с.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Часть 2. -М.: Наука, 1991.-301 с.

3. Авиация. Энциклопедия. Гл.ред. Свищёв Г.Н. -М.: Науч. изд. «Большая Российская Энциклопедия» Центральный аэродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, 1994. -736 с.

4. Адасинский С.А. Транспортные машины на воздушной подушке/ С.А. Адасинский -М.: Наука. 1964.-108 е.: ил; (Научно-популярная серия/ АН СССР).

5. Амфилохиев Л.Б. Экспериментальное исследование остойчивости моделей СВП.- М., Машиностроение, 1977 - 143 с.

6. Амфибийное судно на воздушной подушке, пат. 2006134791/11 РФ: МПК В 60У 1/16/ Кузнецов В.И., Дмитриев Е.В.; заявитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ).

7. Амфибийное судно на воздушной подушке: пат. № 87128 РФ: МПК В60У 1/16/ Кузнецов В.И., Вавилов И.С.; заявитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ). -№ 2009113524; заявл. 10.04.2009; опубл. 27.09.2009.

8. Аппарат на воздушной подушке (варианты): пат. 2256569 РФ: МПК В60У1/12/ Заявитель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского» (ЦАГИ).

9. Бенуа Ю. Ю. Основы теории судов на воздушной подушке,- Л., Судостроение, 1970-328 с.

Ю.Бень Ежи. Модели и любительские суда на воздушной подушке/ пер. с польского Т.Н. Ивановой и Н.И. Слижевского. -Л.: Судостроение, 1983.-127 с.

П.Вавилов И.С. Целесообразность эксплуатации транспорта на воздушной подушке в условиях Заполярья и Крайнего Севера// Омский научный вестник: серия Приборы, машины и технологии, № 3 (60). -Омск: ОмГТУ, 2007.-с. 109-114.

12.Вавилов И.С. Летательный аппарат на воздушной подушке: проблемы остойчивости// Омский научный вестник: серия Приборы, машины и технологии, № 2 (80). -Омск: ОмГТУ, 2009. -с. 133-136.

13.ГОСТ Е 14933-83 Агрегаты воздуховсасывающие для бытовых пылесосов. Общие технические условия. -М.: Государственный комитет СССР по стандартам. Изд-во стандартов, 1983. -15 с.

Н.Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 2-е, переработ. М. -Л.: Госэнергоиздт, 1961. -670 с.

15. Демешко Г.Ф. Ограждение воздушной подушки на судах и транспортных аппаратах. Учебное пособие. -Ленинград, 1982. -107 с.

16.3айдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. -Л.:Наука, 1985.-112 с.

17.3лобин Г.П., Смигельский С.П. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. -Л.: Судостроение, 1976. -264 с.

18. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М.О. Штейнберга. -3 -е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1992. -672 с.

19.Кирсанов М. Н. Решебник. Теоретическая механика. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. -384 с.

20.Колызаев Б. А. Косоруков А. И. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. - Л., Судостроение, 1980 -472 с.

21.Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. Изд. 2-е, перераб. -М.: Высшая школа, 1976. -383 с.

22.Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Методы аэродинамического расчёта. Изд. 3-е, перераб. -М.: Высшая школа, 1980. -415 с.

23. Кузнецов В.И., Вавилов И.С. Летательный аппарат на воздушной подушке/ТРоссия молодая: передовые технологии в промышленность: Матер Всероссийской науч.-техн. конф. 12-13 ноября 2008 г. Книга 1. -Омск: ОмГТУ, 2008 г. -с. 18-21.

24.Кузнецов В.И., Вавилов И.С. Разработка способа предотвращения сноса летательного аппарата на воздушной подушке под действием бокового ветра// Россия молодая: передовые технологии в промышленность: Матер II Всероссийской молодёжной науч.-техн. конф. 21-22 апреля 2009 г. Книга 1. -Омск: ОмГТУ, 2009 г. -с. 7-10.

25.Малые амфибийные суда на воздушной подушке. Журнал «Сфера Нефтегаз» 2005, №1. - с. 101-103.

26.Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. -М.: Наука, 1990. -364 с.

27.Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/Ю.П. Адлер и др. -М.:Наука, 1971. -83 с.

28.Плисов Н. Б., Рождественский К. В., Трешков В. К. Аэрогидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. -Л.: Судостроение, 1991. -248 с.

29.Рой Макливи. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. -Л.: Судостроение, 1981, -204 с.

30.Соломахова Т.С. Центробежные вентиляторы. Москва, «Машиностроение», 1975.

31.Судно на воздушной подушке: пат. 81464 РФ: МПК В 60V 1/18/ Кузнецов В.И., Вавилов И.С.; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный технический университет» (ОмГТУ). -№ 20008140468; заявл. 13.10.2008; опубл. 20.03.2009.

32.Судно на воздушной подушке: пат. 2182089 РФ: МПК B60V3/06/ Заявитель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского» (ЦАГИ).

33.Судно на воздушной подушке: пат. 2167775 РФ: МПК B60V1/16 заявитель: Мнев Н.В., Баландин С.А. -№ 2000122044/28; заявл. 15.08.2000; опубл. 27.05.2001.

34.Френкель Н.З. Гидравлика. -М.: Госэнергиздат, 1956. -456 с.

35.Христианович С.А. Прикладная газовая динамика. Под. ред. С.А. Христиановича, 1948. -137 с.

36. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. -М.:Мир, -1972. -383 с.

37. Юрьев A.C. Справочник по расчётам гидравлических и вентиляционных систем. -С.-Пб, AHO НПО «Мир и Семья», 2001. -1154 с.