Краска... измеряет давление
Центральный аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ)
Римейк статьи в журнале "Наука в России"
ноябрь-декабрь 6/2000 стр.12-15 ISSN 0869-706X.
При разработке нового летательного аппарата проводят всесторонние исследования различных вариантов его аэродинамической формы. Для этого создают модели, в уменьшенном масштабе точно повторяющие предполагаемые формы будущих самолетов, вертолетов, космических кораблей и т.д., и испытывают их в потоке воздуха. Эта процедура позволяет определить нагрузки, воспринимаемые во время полета как самим аппаратом, так и отдельными его элементами. Для измерения интегральных аэродинамических сил и моментов (подъемная и боковая сила, лобовое сопротивление и моменты сил вокруг трех ортогональных осей) модель помещают в потоке воздуха на специальные аэродинамические весы и проводят так называемые весовые испытания.
Для понимания физической природы течения воздушного потока вокруг летательного аппарата и, как следствие, создания конфигурации с наименьшим аэродинамическим сопротивлением и оптимизации прочности конструкции необходимо изучать распределение локальных нагрузок по поверхностям моделей. Для этого существует отдельный вид эксперимента - исследование распределения давления.
При традиционном методе на поверхности специально выполненной модели проделывают многочисленные (сотни и тысячи) отверстия и трубочками соединяют их с датчиками давления. Эта процедура называется дренированием, а модель - дренажной. Такие испытания проводят относительно редко, так как они очень трудоемки и дороги, но каждый самолет хотя бы раз проверяется обязательно. Скажем, по данным американской фирмы "Локхид Мартин", стоимость модели для весовых испытаний составляет около 570 тыс. долл., а дренажной - более 950 тыс. И еще. Если бы было возможно использовать весовые модели для других видов испытаний, то распределенные нагрузки можно было бы получать на ранних стадиях проектирования летательных аппаратов и тем ускорить весь цикл их создания.
Рис 1 .Подготовка дренажной модели в аэродинамической трубе
Первые результаты такого визуального наблюдения распределений давления на сфере и на пластине были опубликованы в 1982 г. Однако, несмотря на несовершенство этих опытов, они продемонстрировали перспективность данного направления. К его разработке были привлечены Институт химической физики АН СССР, Институт физической химии АН УССР, химические факультеты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Ленинградского и Карагандинского государственных университетов. И к концу 1989 г. было создано несколько различных типов покрытий, чувствительных к давлению (их назвали люминесцентными преобразователями давления - ЛПД). Появились средства возбуждения и цифровой регистрации интенсивности люминесценции, методика числовой обработки полученных изображений. Несколько аэродинамических труб ЦАГИ были оборудованы измерительными системами ЛПД.
Рис 2. Распределение коэффициента давления в псевдоцвете на стабилизаторе пассажирского самолета.
Суть новой технологии заключена в том, что на поверхность модели тонким слоем наносят покрытие, состоящее из связующего вещества, скажем полимера, и люминофора, и помещают ее в аэродинамическую трубу, а свечение последнего возбуждают светом. Картину распределения интенсивности люминесценции на модели наблюдают с помощью цифровых камер и регистрируют компьютером. Причем фиксируют ее дважды, сначала без потока, затем с потоком воздуха на заданных режимах обтекания. Уменьшение давления приводит к большей интенсивности люминесценции, а увеличение - напротив, к ее уменьшению. Точную зависимость интенсивности люминесценции от давления определяют заранее путем процедуры калибровки ЛПД-покрытия. Важным этапом этой технологии является числовая обработка полученных в эксперименте изображений, в результате которой из картины распределения интенсивности получают картину распределения искомого давления или безразмерного коэффициента давления. Полученные результаты обычно представляют в виде псевдоцветовых изображений, на которых каждому давлению соответствует свой цвет.
Рис. 3 Распределение давления на саблевидной лопасти тянущего винта самолета.
Тем не менее, ЦАГИ имеет большой опыт и успехи по использованию этой технологии. С ее помощью здесь проведены многочисленные испытания моделей многих отечественных и зарубежных самолетов. Впервые именно у нас применили ЛПД для изучения гиперзвуковых течений в ударной аэродинамической трубе, продолжительность режима в которой составляет всего 20мс. Для этого разработали специальное покрытие, быстро реагирующее на изменения давления. Оно незаменимо при решении задач нестационарной аэродинамики и исследовании быстропротекаюших процессов.
ЦАГИ также принадлежит приоритет в использовании ЛПД для исследований распределений давления на быстровращающихся объектах: воздушных винтах и лопастях несущих винтов вертолета. В дальнейшем этот метод может оказаться весьма полезным в разработках турбореактивных двигателей, турбин электростанций, компрессоров газоперекачивающих станций. Правда, тогда необходимо будет создать ЛПД-покрытия с новыми свойствами, адекватными высоким температурам и давлениям. Потребуется также усовершенствовать измерительную аппаратуру и программные средства обработки изображений. Ученые многих стран в настоящее время проводят исследования по этим направлениям.
В последние годы идет проникновение технологии люминесцентных преобразователей давления в область низких дозвуковых скоростей, характерных не только для режимов взлета и посадки летательных аппаратов, но и для автомобилестроения, промышленной аэродинамики, аэродинамики зданий и сооружений. Определение полей давления рассматриваемым методом - трудная задача, но привлекательная еще и тем, что такие измерения, как и все оптические, являются бесконтактными, не вносящими искажений в изучаемый процесс. Американским ученым уже удалось получить вполне достоверные результаты при скоростях воздушного потока около 30м/с (100км/ч) и делаются попытки проводить измерения при скорости 10м/с, для которой необходимы гораздо более чувствительные покрытия.
Рис 4. Распределение коэффициента давления на моделях гоночных автомобилей.
Результаты получены О. Брауном в Стэтдфордском университете (США).