автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Газодинамические воздействия догоняющей ударной волны на элементы летательного аппарата

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Взаимодействие ударной волны с телами,движущимися со сверхзвуковой скоростью.

1.2. Применение метода газогидравлической аналогии к решению задач взаимодействия тел с догоняющими ударными волнами.

1.3. Постановка задач исследования.

Глава 2. АНАЛОГОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ

ВОПРОСОВ.

2.1. Математическая газогидравлическая аналогия.

2.2. Влияние отклонений от математической аналогии на точность результатов гидравлического моделирования.

2.3. Теоретический анализ роли вязкости, поверхностного натяжения и вертикального ускорения при исследованиях методом газогидравли-ческои аналогии.

Партия и правительство уделяют большое внимание развитию и совершенствованию авиационной и ракетно-космической техники. При решении этих вопросов возникает ряд проблем, связанных в первую очередь с задачами аэродинамического характера, относящимися ко всему летательному аппарату в целом, так и к отдельным его элементам. Рост скоростей современных летательных аппаратов стимулировал рост исследований в области сверхзвуковой аэродинамики. При этом следует заметить, что в общем случае сверхзвуковое обтекание летательного аппарата, особенно в сложных ситуациях полета, является физическим процессом, не имеющим на сегодняшний день точного математического решения. Поэтому представляется очевидным необходимость использования комплексного подхода к решению современных задач сверхзвуковой аэродинамики, а именно применения всего арсенала имеющихся методов исследования, как физических, так и теоретических (аналитических, численных и аналоговых). При одновременном использовании результатов (с учетом их взаимной проверки), полученных.различными методами моделирования , повышается вероятность получения безошибочного конечного результата.

В числе первостепенных проблем современной сверхзвуковой аэродинамики проблема взаимодействия летательного аппарата с ударными волнами от внешних источников. В свою очередь решение этой проблемы может быть осуществлено путем разработки специального стендового оборудования и методического обеспечения, которые позволили бы оперативно и при относительно малых трудозатратах получать научную и практическую информацию в процессе взаимодействия, разработки рекомендаций с целью обеспечения безопасности полета и повышения живучести летательного аппарата в экстремальных ситуациях.

Одному из аспектов этой многоплановой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.

Общая характеристика работы

Актуальность.Задаче нестационарного взаимодействия сверхзвукового летательного аппарата с ударной волной, возбуждаемой внешним источником и воздействующей в общем случае в любом направлении относительно летательного аппарата,уделяется значительное внимание в связи с факторами уязвимости летательного аппарата и убеждением, что нестационарный импульс, создаваемый на его поверхности волной, может или разрушить основную конструкцию, или осуществить сход летательного аппарата с заданной траектории, или, наконец, вызвать разрушающую высокочастотную реакцию во вспомогательной аппаратуре, которая приведет в конце концов к уничтожению летательного аппарата. К настоящему времени основные результаты по этой задаче получены для случая так называемого встречного взаимодействия, когда ударная волна от внешнего источника и тело движутся навстречу друг другу. Вместе с тем запросы практики диктуют необходимость исследования случаев догонного взаимодействия, когда ударная волна догоняет движущееся тело и воздействует на него. Так как воздействие догоняющей ударной волны может оказывать влияние на уязвимость летательного аппарата или его элементов, это существенно снижает уровень безопасности полетов в сложных ситуациях.

Пели исследования. Обоснование и создание стендового оборудования и методики моделирования класса задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. На основе разработанной техники и методики моделирования получение временных качественных картин взаимодействия, а также распределенных и суммарных аэродинамических характеристик различных тел. Получение оценки влияния фактора воздействия догоняющей ударной волны на характеристики продольной статической устойчивости.

Методы исследования. С учетом сложности задачи взаимодействия и технических трудностей моделирования их в условиях аэродинамической трубы в работе использован метод гидравлического аналогового моделирования, основанный на газогидравлической аналогии Н.Е.Жуковского. Аналоговое моделирование поставленной задачи осуществлялось автором на аналоговых устройствах ГК-1 и ГК-2 ТащПИ с применением способа буксировки (протаскивания) моделей в неподвижном слое "мелкой" воды.

При решении одной из задач, касающейся теории метода газогидравлической аналогии, использован аналитический метод.

Научная новизна.

1. Разработаны стендовое оборудование и методика гидравлического аналогового моделирования класса задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. Показано, что реализация методики позволяет получить новую качественную и количественную информацию в малоизученной области нестационарной аэродинамики.

2. Изучены особенности физической картины взаимодействия на различных стадиях, включающих зарождение, развитие и интерференцию ударных волн и тела. На основе фото и кинограмм взаимодействия определены (х, £ ) - развертки и определены несколько физических схем, которые могут явиться предпосылкой при создании инженерных методик расчета задач подобного класса.

3. Исследовано влияние угла набегания догоняющей ударной волны, конфигурации тела, чисел Маха движущегося тела и ударной волны на временные распределенные и суммарные аэродинамические характеристики тел. Обнаружен резко нестационарный характер изменения аэродинамических характеристик (резкое начальное увеличение нагрузок до некоторой максимальной величины, затем их спад до стационарного значения).

4. Дана оценка порядка действующих при взаимодействии усилий, а также величин, характеризующих продольную статическую устойчивость. Определен диапазон изменения положения центра давления и фокуса для одного из исследованных тел.

5. Теоретически проанализировано влияние вертикального ускорения, вязкости и поверхностного натяжения при исследованиях методом газогидравлической аналогии. Получена новая формула, позволяющая дать научно-методическое обоснование пределов применимости используемого метода моделирования и практические рекомендации по организации аналоговых испытаний.

Практическая ценность.

1. Разработанные техника и методика аналогового моделирования доведены до рабочего проекта и инструкций, практически реализованы, что позволяет рекомендовать их в качестве типовых с целью оперативного получения информации на этапе экспериментальной отработки летательного аппарата.

2. Результаты по определению физических схем на различных стадиях взаимодействия позволяют рекомендовать их для использования при разработке новых или совершенствовании имеющихся аналитических и численных методов решения задачи.

Результаты настоящей работы использованы в процессе экспериментальной отработки по тематике одного из предприятий промышленности. Экономический эффект от внедрения подтвержден соответствующим документом.

Исследования автора включены в разделы монографий:

1. Виноградов Р.И., Жуковский М.И., Якубов И.Р. Газогидравлическая аналогия и ее практическое приложение. ~М.: Машиностроение, 1978. -152 с.

2. Пшшский М.М., Лебедев М.Г., Якубов И.Р. Моделирование течений газа с ударными волнами. ~М.: Машиностроение, 1984.-192 с.

На защиту выносятся:

1. Типовая методика и стендовое оборудование гидравлического аналогового моделирования задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью.

2. Результаты исследования качественной картины процесса взаимодействия с образованием сложных ударно-волновых структур (зарождение, развитие и интерференция).

3. Результаты исследования временных распределенных и суммарных аэродинамических характеристик тел с учетом воздействия догоняющей ударной волны. Количественная оценка характеристик продольной статической устойчивости тел при воздействии догоня-вдей ударной волны.

4. Результаты теоретического анализа влияния факторов вертикального ускорения, вязкости и поверхностного натяжения при исследованиях методом газогидравлической аналогии.

ВЫВОДЫ

1. Получены временные распределенные и суммарные аэродинамические характеристики тел с учетом воздействия догоняющих ударных волн. Обнаружен: резко нестационарный характер изменения аэродинамических характеристик со скачкообразными переходными процессами, выраженными в резком начальном увеличении нагрузок до некоторой максимальной величины, затем в их спаде до стационарных значений.

2. Дана оценка порядка действующих при взаимодействии усилий, а также величин, характеризующих продольную статистическую устойчивость профиля. Замечено, что с погрешностью, не превышающей погрешность применяемого метода исследования, зависимость коэффициента продольного момента от коэффициента подъемной силы носит линейный характер. Положение центра давления и фокуса профиля при воздействии догоняющей ударной волны изменяется соответственно в пределах 25-95 % и 25-60 %.

Результаты моделирования газодинамических воздействий ударной волны использованы в процессе экспериментальной обработки по тематике одного из предприятий промышленности.

3. Определены физические схемы взаимодействия тел различной конфигурации, движущихся со сверхзвуковой скоростью, с прямыми и наклонными догоняющими ударными волнами, которые могут быть использованы при разработке новых и совершенствовании имеющихся аналитических и численных методов решения задачи.

4. Разработаны типовое стендовое оборудование и типовая методика гидравлического аналогового моделирования задач взаимодействия плоских тел с догоняющей ударной волной.

Степень разработанности техники и методики гидравлического аналогового моделирования рассматриваемого класса задач позволяет рекомендовать приведенные в работе разработки в качестве средства оперативного решения сложных нестационарных задач при относительно ь малых трудозатратах.

5. Получило дальнейшее развитие решение задачи о влиянии вязкости, поверхностного натяжения и вертикального ускорения при исследованиях методом газогидравлической аналогии. Получена новая формула, позволяющая оценить роль вышеуказанных факторов на результаты моделирования. Показано, что наибольшую роль играет фактор вертикального ускорения. При правильной организации аналоговых испытаний (определенное сочетание Коо.Исо и жидкости, служащей в качестве аналога газа) можно добиться минимизации и постоянства погрешности. В работе определены эти условия.

1. Акимова А.И., Лисин Ю.Г., Шугаев Ф.В., Маковский Ю.Ф. Набегание ударной волны на затупленное тело, обтекаемое сверхзвуковым потоком. ДАН СССР, 1971, т.200, № I.

2. Акимова А.И., Щугаев Ф.В., Лисин Ю.Г., Маковский Ю.Ф. Картина течения при набегании ударной волны на тело обтекание сверхзвуковым потоком. Ученые записки ЦАГИ, т.2, № 2, 1971.

3. Арутюнян Г.М. К расчету давления в критических точках при падении ударной волны на тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью. Изд.АН СССР, MST, Jfc 6, 1972.

4. Арутюнян Г.М. О набегании ударной волны на клин, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, № 4, 1968.

5. Арутюнян Г.М., Карчевский Л.В. Отраженные ударные волны.-М.: Машиностроение, 1973.

6. Арутюнян Г.М. О взаимодействии ударной волны с клином, движущимся со сверхзвуковой скоростью. Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, № 3, 1969.

7. Баженова Т.В., Гвоздева Л.Г. Нестационарные взаимодействия ударных волн. Изд-во "Наука", Москва, 1977.

8. Бедин А.П., Мелешко В.П., Мишин Г.И., Чистякова М.В. Влияние отношения удельных теплоемкостей среды на аэродинамические характеристики затупленных тел. -Сб.статей "Физико-газодинамические баллистические исследования". -Л.: Наука, 1980,с.25.

9. Белоцерковский С.М., Попыталов С.А. Расчет воздействия порыва на крыло с дозвуковым передними и задними кромками. Изд. АН СССР, МЖГ, В 2, 1970.

10. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г. Крыло в нестационарном потоке газа. Изд. Наука, 1971.

11. Браславец В.А., Жмаева Е.А., Крупеня Б.Н., Макаревич Г.А., Невский А.Г., Шимарев С.К., Давление в критической точке при встречном взаимодействии ударной волны с летящим телом. Изд.АН СССР, МЖГ, J6 5, 1974, сс.166-169.

12. Бужинский О.И., Василенко A.M., Жеребцов Л.М., Ткаченко A.M. Взаимодействие плоской ударной волны с моделью, летящей со сверхзвуковой скоростью. Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, № 6, 1975.

13. Виноградов Р.И., Жуковский М.И., Якубов И.Р. Газогидравлическая аналогия и ее практическое приложение. -М.: Машиностроение, 1978.

14. Гилинский М.М., Лебедев М.Т., Якубов И.Р. Моделирование течений газа с ударными волнами. -М.: Машиностроение, 1984.

15. Глатман P.A. Догонное взаимодействие ударных волн. ЖТФ, т.47, в.10, 1977.

16. Глатман P.A., Румянцев A.A. Столкновение ударных волн. ЖЛФ, т.46, в.2, 1976.

17. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики. АН СССР, Матем.сб., 47, вып.З, 1959.

18. Годунов С.К., Забродин A.B., Прокопов Г.П. Разностная схема для двухмерных нестационарных задач газовой динамики и расчет обтекания с отошедшей ударной волной. Журнал вычислительной математики и математической физики, I, № 6, 1961.

19. Голубинский А.И. Набегание ударной волны на клин, движущийся со сверхзвуковой скоростью. ПММ, 1964, т.28, вып.4.

20. Голубинский А.И. Об обтекании движущейся пластинки перемещающейся ударной волной. Инженерный журнал, т.1, в.2, 1961.

21. Голубинский А.И., Казаков В.А. К обтеканию движущейся пластинки перемещающейся ударной волной. Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, № 2, 1972.

22. Голубинский А.И., Соколов К.Б. Исследование распределения давления по поверхности плоских и цилиндрических тел при падении на них взрывной ударной волны. Труды ЦАГИ, вып. 1298, 1970.

23. Жуковский Н.Е. Аналогия между движением тяжелых жидкостей в открытом канале и газов в трубе. Полн.собр.соч., ОПТИ, 1937, т.7, с.390-402.

24. Колган В.П., Фонарев A.C. Установление обтекания при падении ударной волны на цилиндр и сферу. МЖГ, № 5, 1972.

25. Красовская И.В., Сыщикова П.П. Некоторые свойства регулярного встречного столкновения ударных волн. ЖГФ; т.47, в.9, 1977.

26. Кутлер П., Сакелл А., Эйлло Ж. Двумерная задача о взаимодействии ударных волн. Ракетная техника и космонавтика, т.13,1. JG 3, 1975.

27. Лисин Ю.Г., Шугаев Р.В. Взаимодействие ударной волны с затупленным телом, обтекаемым сверхзвуковым потоком газа.

28. Ляхов В.Н. Математическое моделирование маховского отражения ударных волн в средах с различными показателями адиабаты. Механика жидкости и газа. 1976, № 3, с.90-94.

29. Ляхов В.Н. Нестационарное взаимодействие ударной волны с затупленным телом в сверхзвуковом потоке, МЖГ, № 6, 1979.

30. Маковский Ю.Ф., Шугаев Ф.В. Взаимодействие ударной волны с затупленными телами, обтекаемыми сверхзвуковым потоком ИФЖ, т.25, № I, 1973.

31. Маковский Ю.Ф., Шугаев Ф.В. Набегание ударной волны на клин, обтекаемый сверхзвуковым потоком, Ученые записки ЦАГИ, т.9, № 3, 1973.

32. Мессон, Тейлор, Фостер. Применение метода Годунова для расчета обтекания затупленных тел. Ракетная техника и космонавтика, т.7, № 4, 1969.

33. Мундштуков Д.А. Гидравлическая аналогия при К I- Изв.вузов, серия авиационная техника, 1959, № 3, с.9-12.

34. Мхитарян A.M. Аэродинамика. -М.: Машиностроение, 1976, -446с.

35. Пекуровский Л.Е. Дифракция ударной волны на тонком клине,движущемся со сверхзвуковой скоростью, при нерегулярном взаимодействии волн. ПММ, т.40, 1976.

36. Пекуровский JI.E., Тер-Минасянц С.М. Дифракция плоской волны на клине, движущемся со сверхзвуковой скоростью, при нерегулярном ударном взаимодействии. ПММ, т.38, 1974.

37. Прокопов Г.П., Степанова П.В. Расчет осессимметричного взаимодействия ударной волны с затупленным телом; движущимся со сверхзвуковой скоростью. Препринт Ш1М, № 72 за 1974 г.

38. Росляков Г.С. Взаимодействие плоских скачков одного направления. Сö.работ ВЦ М1У "Численные методы в газовой динамике", вып.4, 28, 1965.

39. Современные проблемы газовой динамики. -Сб.статей под редакцией У.Лоха. -М.: Мир, 1971, с.9-70.

40. Сунцов H.H. Методы аналогии в аэродинамике. ~М.: Физматгиз, 1958.

41. Сыщикова М.П., Березкина М.К., Семенов А.Н. Формирование течения около модели в ударной трубе. В.К. "Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений". -М.-Л.: Наука, 1967,с.7-13.

42. Тейлор, Хаджинс. Взаимодействие встречной взрывной волны с затупленным телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью. Ракетная техника и космонавтика, т.6, J& 2, 1968.

43. Тер-Минасянц С.М. Регулярное встречное взаимодействие плоских ударных волн, журнал Вычислительной математики и математической физики, т.2, № 2, 1962.

44. Тугазаков Р.Я. Дифракция ударной волны на движущимся клине "Ученые записки ЦАГИ, т.6, № I, 1975.

45. Усков В.Н. Ударные волны и их взаимодействие. -Учебное пособие ЛМИ, Ленинград, 1980.

46. Физико-газодинамические исследования (под редакцией профессора Г.И.Мишина). Изд-во Наука, -Ленинград, 1980.

47. Физические изменения в газовой динамике и при горении. (Под редакцией Р.У.Ланденбурга).-М.: ИЛ, 1957, с.260-263.

48. Фонарев A.C., Колган В.П. Численный расчет дифракции ударной волны на сфере и цилиндре и установление стационарного обтекания. Труды ЦАГИ, вып.1324, 1971.

49. Численные исследования современных задач газовой динамики под редакцией Белоцерковского О.М., -М.: Наука, 1974. 397 с.

50. Шамшурин А.Д. Расчет воздействия потока за ударной волной на крыло произвольной формы в плане при сверхзвуковых скоростях. Сб.трудов В ВИА им.Жуковского "Исследование по аэроавтоупру-гости". Выпуск 1302, 1971.

51. Шугаев Ф.В., Лисин Ю.Г. Исследование взаимодействия плоской ударной волны с затупленным телом, находящимся в сверхзвуковом потоке. Инженерно-физический журнал, т.21, № 3, 1971.

52. Якубов И.Р. Влияние вертикального ускорения при исследованиях методом гидравлической аналогии. -Изв. вузов. Серия авиационная техника. 1971, № I, с.19-23.

53. OL гот N/.X. CLn Lnieaza€ tiansfoim йъ aod jovskoc£-sho<Ä LibtezactLon siudies. Sh-ttud Ulechctn. 1962 vo£ 34. pt2.55. ßec-Дег <5. CLnaioQie zcoisckert (jOassezckvoa^E und ÜezdiektunasitoL-Уппг. Цъс^ g^ ^nN, 5.

54. Я. Die pzaitscke OLnwendßcLz&eddet LüassezanaPoqie ia auanttatlv Fotm auf^eziuWe Proßieme dez Gasdurzarniк Mitteiiua aus dezNax PfanA .У/ist.fuz Sizo/nungsfotschungV Gottinoen, SeUstmztaq , rJW;Sd& <*

55. Б&п^еп^К/р У.Ъ. Shocß. shocA UnletacL'on on a. SPendet Supezsonic Cone.~ Jouzna-E oj FEuid MecAanics, гю£. ¿<2, JuPy -jSM.

56. Gazcbnez C.P. Memozandum to J. Xez,&osr Mc Ъоппе& T)ou^as Rept.A5-&öO ЪЬЫ 71-5$, CLu.cj A.

57. Gupta O.P. CLn anaP¡t¿ca£ metod foi evaluating, the optimum depth, in hidiauítc analoou expeir'mertts. АУАА Jouinai -/965fuo£.$f л/УО p 495$---У 954.

58. Journal o f OLpp&ed Pkisics, vo£ , ЫЗ J 950.

59. Ciakthj-ee М.У. The diffvxciion. of Uad

60. A. \oc. Roy. Soc Sei я, -1950, vit 200, No -1065.65. tyhthjte M. У. Ле ditftadïon. of èlast

61. Pxoc. Яоц Soc. Se*. A, Л92гЭ1 yoím, fVo'IOô5

62. Meiiit ЪЬ. and CLtonson P. M. W ind Jltnneéi SirniLEation of Head-On bou/-Wave~&Past cüoüe. interaction M DIT Fi 6РЧ25, Üuy. У96?; Navaí Otdance JLaê/ Wkiie Oa-k, Signez Spun^. Md,

63. Mo^aa J. P. -tJntezaction. üetweQn eocpoPosio/ъ

64. Past wave and h-ipe^soruc tearntiy, whic-Pfe one3>Lmensína£ CLxp toa: i mat ioru, Tketm Уде ТАЯТЯ.6ЪЪ, June 1965.

65. Sm^W.o/. Лле. impact of a Shod Wave on a -Jlrin Jujo - dimensional CLeiojoit M oír in ^ dt Supp ezsonie - Speed. JouznoE of j-ßtLid Mechanics.1. VaM J5, Fe%. ^965.