РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЙ ОКОЛО КОРПУСОВ С ОПЕРЕНИЕМ

Для оценки возможности расчета АДХ планера в целом выделим три задачи: 1) определить АДХ консолей оперения (зависит от формы в плане, профиля, от влияния корпуса на поток в месте расположения оперения); 2) установить влияние оперения на корпус; 3) рассчитать влияние оперения на оперение в следе. Если этим методом можно решать данные задачи, то с его помощью можно определить и суммарные АДХ планера в целом. Сравним результаты экспериментов и расчетов в соответствии с указанными задачами.

Рассмотрим определение АДХ консолей оперения на примере целиком поворотных рулей, которые являются обязательным элементом управляемых ракет. В табл.3.1 приведено сравнение результатов расчетов и оценки по экспериментальным данным [48, 38, 1] производных нормальной силы на консоль Сn^a, Сn^d и положения центра давления Xd^a, Xd^d. В качестве характерной площади - площадь руля, а положение центра давления определено в долях САХ относительно носка САХ. Геометрия корпуса и оперения приведены на рис.3.15.

Рис.3.15

Профиль рулей 1, 3, 4, 5 – трапециевидный с относительной толщиной c = 0.05; 2 – ромбовидный, c = 0.04. Варианты руля 1 и 2 - прямоугольные в плане; 3 и 4 – треугольные, со стреловидностью передней кромки 60^о; 5 - трапециевидный.

Отличие оценок, расчетной и по экспериментальным данным, в определении подъемной силы составляет не более 10 %, причем соответствие лучше при больших числах М. Максимальное отличие в оценке положения Xd в долях САХ составляет 5 %.

Таблица 3.1

На рис.3.16 - 3.19 приведены поверхности постоянного давления: рис.3.16 – вариант 1 по уровню 0.85 при М = 1.7, a = 5^о; рис.3.17 – вариант 3 по уровню 0.85 при М = 2, a = 5^о; рис.3.18 – вариант 4 по уровню 0.8 при М = 3, a = 5^о; рис.3.19 – вариант 4 по уровню 0.7 при М = 4, a = 5^о. В каждом случае приведен вид при «+» и «´» ориентации крестообразного оперения в потоке. Рис.3.16 и 3.17 показывают влияние формы крыла, рис.3.17 – 3.19 -влияние числа Маха. В следе за оперением образуется достаточно сложная интерференционная картина течения.

Рис.3.16

Рис.3.17

Рис.3.18

Рис.3.19

Рис.3.20

На рис.3.20 приведено распределение давления в сечениях по продольной координате в случае варианта 2 при М = 1.7, a = 5^о. Представлены сечения перед рулем, два в районе руля и одно за рулем. Видны ударные волны, генерируемые наветренной стороной оперения. Руль находится в неоднородном потоке, что затрудняет анализ влияния оперения на поток. В этом случае представляет интерес рассматривать не поле давления, а разницу двух полей , рассчитываемых при наличии оперения в потоке и без оперения . На рис.3.21 приведены зоны повышенного и пониженного давлений, индуцированных оперением для рассматриваемого случая обтекания, в виде пространственных поверхностей и распределения в тех же сечениях, что и на рис.3.20.

Рис.3.21

На рис.3.22 - 3.27 представлено распределение давления на корпусе для варианта 4 при a = 5^о (рис.3.22, 3.23 – М = 2, рис.3.24, 3.25 – М = 3, рис.3.26, 3.27 – М = 4; рис.3.22, 3.24, 3.26 – схема «+», рис.3.23, 3.25, 3.27 – схема «´»). В каждом случае приведены: вид сбоку, а также с наветренной и подветренной сторон. Оперение индуцирует на поверхности корпуса зоны повышенного и пониженного давлений. Область влияния определяется числом М. Можно отметить, что при расположении оперения в схеме «´» зоны повышенного давления на наветренной и пониженного на подветренной сторонах смещаются вверх по потоку.

Рис.3.22

Рис.3.23

Рис.3.24

Рис.3.25

Рис.3.26

Рис.3.27

Приведем влияние формы профиля и его относительной толщины, которые оказывают значительное влияние на характеристики оперения. В табл.3.2 приведены результаты расчетов коэффициентов подъемной силы Сn^a, Сn^d, положения центра давления Xd. Нормальная сила на руль отнесена к площади руля, а положение центра давления определено в долях САХ относительно носка САХ. Схема планера и варианты профилей приведены на рис.3.28.

Таблица 3.2

Рис.3.28

Серия 1 – 2 - 3 показывает влияние формы профиля (клиновидная - ромбовидная - трапециевидная); серия 2 - 4 - влияние относительной толщины ромбовидного профиля (от 5 до 15 % ). Положение Xd определяется с точностью от 2.5 % САХ при малых сверхзвуковых скоростях ( М ≤ 2 ) до 1 % при сверхзвуковых скоростях ( М ≥ 3 ). Изменение как профиля, так и относительной толщины оказывает существенное влияние на положение фокуса (до 10 – 15 % САХ). Величина коэффициентов подъемной силы также существенно изменяется.

На рис.3.29 приведены области повышенного и пониженного давления при обтекании рассматриваемой модели с вариантами профиля 1 и 4 при М = 3, a = 5^о. Там же приведено распределение в сечении около профиля, в районе бортовой хорды. Видно, что давление на оперении существенно зависит от местного угла атаки, определяемого профилем. Это приводит к разному распределению давления по хорде и соответственно к разному положению центра давления.

Профиль - вариант 1

Профиль - вариант 4

Рис.3.29

Установка руля на головной части достаточно распространена, а имеющийся экспериментальный материал по характеристикам рулей в основном получен в продувках при установке руля на цилиндрическую поверхность. Приведем результаты расчетов влияния конусности корпуса на характеристики руля.

На рис.3.30 приведены схемы планеров: вариант 1 - с расположением руля на цилиндрической части и вариант 2 – на конусе. В варианте 2 головной конус имеет угол полураствора 15^о. Руль варианта 2 образован из руля варианта 1 путем модификации в области бортовой хорды при сохранении стреловидности передней кромки.

В табл.3.3 приведены результаты расчетов по определению характеристик: Сn^a, Сn^d - производные нормальной силы, действующей на консоль руля; Xd^a, Xd^d - положение центра давления на руле (расстояние от носка САХ руля до точки приложения аэродинамической силы в долях САХ); DСn^a, DСn^d - приращения подъемной силы - разность коэффициентов полной модели и изолированного корпуса, характеризующей не только силу реализованную на рулях, но и силу, возникающую на корпусе вследствие влияния руля на корпус. За характерную площадь принята площадь одной консоли соответствующего руля.

Вариант 1 Вариант 2

Рис.3.30

Таблица 3.3

При перестановке руля с цилиндрической части на конус при сверхзвуковых скоростях подъемная сила руля значительно возрастает (до 2 раз). У рулей на конусе Xd значительно смещается вперед (не менее 10% САХ).

На рис.3.31 приведено расчетное отношение коэффициентов подъемной силы, создаваемой на руле по углу атаки в варианте 2 к варианту 1, в зависимости от числа Маха М. Расчетные значения получены при М = 1.7, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 при угле атаки a = 5^о. Видно, что с увеличением М положение оперения существенно влияет на его характеристики. Увеличение несущих свойств руля на конической части корпуса обусловлено сжатием потока конусом.

Рис.3.31

На рис.3.32 течение представлено в виде поверхности давления по уровню 3. Представлен вид с наветренной стороны – в данном случае он, в частности, отражает поверхность ударной волны, которая имеет изломы. Головная ударная волна в данном случае падает на переднюю кромку руля, на которой образуется своя ударная волна, взаимодействующая с головной волной. Данный пример характеризует возможность расчета течения около оперения, расположенного вне области влияния головной части, что обеспечивается отказом от выделения головной волны.

Рис.3.32

На рис.3.33 приведено поле течения около варианта 2 в виде изолиний давления в сечениях X = 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 (отношение расстояния от носка до сечения к длине модели) поперек оси модели при параметрах: М = 4, a = 5^о, угол отклонения рулей d = 5^о, угол крена g = 45^о. В сечениях X = 0.4, 0.5 на оперение падает головная ударная волна, её выделение в явном виде представило бы определенные трудности. В данном расчете, выполненном на сетке 8´91´51 (91 узел по углу, 51 узел по радиусу в каждой из областей), видны особенности течения. Например, на подветренной стороне оперения видны поперечные ударные волны за волной разряжения. В сечении X = 0.6, расположенном за задней кромкой крыла, видно образование волны разряжения и ударной волны, возникающих из-за взаимодействия сжатого потока на наветренной стороне и разряженного на подветренной. В сечении X = 0.7 при переходе корпуса от конуса к цилиндру образуется волна разряжения.

Рис.3.33

На рис.3.34 приведено поле течения около варианта 1 в виде изолиний давления в сечениях при таких же параметрах: М = 4, a = 5^о, угол отклонения рулей d = 5^о, угол крена g = 45^о. Так как оперение находится в области разряжения течения, на наветренной стороне оперения реализуются значительно меньшее давление, что и приводит к меньшей подъемной силе руля.

Рис.3.34

Приведем пример влияния на характеристики консоли при различном положении её по крену на корпусе относительно плоскости угла атаки. Рассматрим руль, расположенный на конусе с углом полураствора 5.2^о (рис.3.35).

Рис.3.35

При наличии угла атаки сила, создаваемая на консоли при её отклонении зависит от её положения по углу крена. Это приводит к изменению эффективности управляющего момента руля в целом и созданию момента по крену. На рис.3.36 в зависимости от угла крена g приведено отношение k подъемной силы, реализуемой на консоли при её отклонении на угол d, к силе, реализуемой на том же руле, но при a = 0^о. Положение руля g = -90^о – соответствует расположению консоли на подветренной стороне; g = 90^о - на наветренной стороне. Расчет выполнен при углах атаки a = 3, 6, 9, 12^о, М = 4.

Рис.3.36

Изменение характеристик консоли по крену имеет нелинейный характер, который определяется местными параметрами течения в данном случае около конуса. Крупными маркерами при g = -90, 90^о и углах атаки a = 6, 12^о приведены экспериментальные значения.