بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله به بررسی حرکت رول نوسانی، رول کامل و استخراج ضرایب دینامیکی این حرکات با توجه به نتایج تجربی بدست آمده از تونل باد میپردازد. ضریبی که استخراج آن در این حرکتها از اهمیت ویژهای برخوردار است، ضریب C یا l p ضریب رول دمپینگ میباشد. این ضریب در بررسی پایداری وسیله پرنده و همچنین طراحی کنترلر کمک شایانی به طراح مینماید. موضوع اصلی این پژوهش کالیبراسیون تونل باد و تجهیزات اندازهگیری برای بدست آوردن این ضریب میباشد. در این پژوهش ابتدا توضیحی در رابطه با تجهیزات و تونل باد بکار رفته برای بدست آوردن ضرایب دینامیکی داده میشود سپس معادلات لازم برای هر حرکت و همچنین نحوهی فیلتر کردن اطلاعات بدست آمده از تونل صورت میگیرد.
مقدمه
نیاز روزافزون به قابلیت مانور بالا در موشکها و هواپیماهای جنگنده امروزی تحول قابل توجهی در محدوده پروازی این وسایل پرنده بوجود آورده است. پرواز در زوایای حمله و جانبی بالا، نرخ سریع چرخش ، قابلیت افزایش و کاهش ناگهانی سرعت و شتاب از مهمترین ویژگیهای موشکها و هواپیماهای جنگنده مدرن بشمار میروند. چنین مانورهایی این وسایل پرنده را در معرض میدان جریان ناپایا قرار میدهند که در نتیجه رفتار آیرودینامیکی جسم کاملاً غیرخطی شده و وابستگی شدیدی بین ضرایب آیرودینامیکی طولی و عرضی بوجود میآید.[1] ایجاد ارتباط صحیح بین ضرایب طولی و عرضی و متغیرهای حرکت در معادلات حاکم برای پرواز اجسام پرنده یکی از مهمترین مسائل در تحلیل دینامیک پرواز میباشد و در طی نیم قرن گذشته روشهای تحلیلی، عددی و تجربی برای حل این مسأله بطور قابل توجهی توسعه یافته اند.[2] به منظور بدست آوردن ضرایب دینامیکی مورد نیاز، احتیاج به شناخت کامل معادلات حرکت در تستهای دینامیکی میباشد. با این معادلات میتوان دادههای خام تونل باد را پردازش کرده و ضرایب دینامیکی مورد نیاز را بدست آورد.
ترمهای این معادلات شامل تاثیرات پارامترهای مختلف در تست وسیله میباشد. به عنوان مثال تغییرات زاویه حمله در نوسانات پیچ یا زاویه جانبی در نوسانات رول و یا نرخ سرعت زاویهای .[3] مدل SDM که مدل سادهشده هواپیمای F-16 میباشد [4]، اولین بار در مرکز تحقیقات NRC کانادا ساخته شده و مورد آزمایش قرارگرفت. بعد از آن مدل مذکور در مقیاسهای متفاوت و در تونلهای باد مختلف در سراسر دنیا از جمله مرکز AEDC آمریکا، TSAGI روسیه، DFVLR آلمان و FFA سوئد ساخته شده و آزمایش گردیده است. مدل SDM یک مدل کالیبره میباشد که در ابتدا توسط مجمع تحقیقات علمی کانادا NRC در موسسه تحقیقات علمی هوافضا IAR در سال 1978 معرفی شد. این مدل در AEM ایتالیا و در آژانس تحقیقاتی دفاعی DRA انگلستان برای تستهای چرخشی و در تونل مادون صوت TPI ایتالیا برای تستهای دینامیکی نوسانی بکار برده شده است5]و.[6
.2 آزمایشهای تجربی تونل باد
مدل SDM مورد بررسی در آزمایشهای تونل باد در مقیاس حدود 0/28 میباشد که بر این اساس طول مدل باید 249 میلیمتر و دهانهی بال آن 161 میلیمتر باشد و برای آزمایشهای گذرصوتی انتخاب شدهاند. در این رژیم محدودیتهای بیشتری روی تعیین ابعاد مدل اعمال میشود که ابعاد مدلهای ناحیه گذرصوتی معمولاً کمتر از سایر رژیمها میباشد. از آنجا که مدل SDM در مرکز قدر*1 در ناحیه گذرصوتی آزمایش نشده است، مقیاس مدل، اندکی بیشتر از مقدار مذکور و برابر 0/36 انتخاب شده که در نتیجه طول مدل برابر 320 و دهانهی بال آن 207 میلیمتر خواهد بود.
این تونل از نوع مکشی و مدارباز میباشد . هوای آزاد با استفاده از یک موتور توربوفن با قدرت 1000 کیلووات از مجرای ورودی به داخل سیستم مکیده شده و پس از عبور از نازل با یک سرعت معین وارد مقطع کاری میشود. ابعاد مقطع کار این تونل 60 60 120 سانتی متر مکعب میباشد . با استفاده از تغییر دور موتور توربوفن مذکور و نیز تغییر شکل پروفیل نازل میتوان عدد ماخ داخل مقطع کاری را از 0/4 تا 4 تغییر داد. در واقع این تونل قادر است در هر سه رژیم زیر صوت، گذرصوتی و مافوق صوت کار کند. در شکل زیر نمایی از مدل نصب شده در داخل تونل باد نمایش داده شده است.
آزمایشها در دو حرکت نوسانی مختلف غلتشی و رول کامل در اعداد ماخ 0/6 و 1/8 انجام شده است. در آزمایشهای غلتشی، مدل در یک زاویه حمله استاتیکی خاص قرار گرفته و حول محور رول خود با دامنه و فرکانس مشخص نوسان میکند. در این حالت رفتار آیرودینامیکی مدل، تابعی از سرعت زاویهای نوسان و نرخ تغییرات زاویه جانبی القایی با زمان میشود. با استفاده از بالانس داخلی 5 مؤلفه، نیروهای عمودی و جانبی و نیز هر سه گشتاور پیچشی*1، سمت2 و غلتشی3 ایجاد شده روی مدل بصورت تابعی از زمان در چندین سیکل نوسانی اندازهگیری میشود.
در آزمایش رول کامل برای تعیین دقیق زاویه جانبی در هر لحظه از یک پتانسیومتر استفاده میشود. با ثبت ولتاژ خروجی از پتانسیومتر در هر لحظه از زمان و کالیبراسیون آن نسبت به تغییرات زاویه جانبی، ارتباط بین ولتاژ خروجی پتانسیومتر و زاویه جانبی مدل تعیین میشود.
به منظور بررسی تستهای دینامیکی رول کامل و استخراج ضرایب دینامیکی مربوط، پنج سناریو میتوان در نظر گرفت که سه حالت آن با وجود موتور و دو حالت آن بدون موتور میباشد. تستهای اجباری - همراه با موتور - به این گونه است که در روش اول هدف رسیدن به RPM نامی و سپس رها شدن موتور و افت سرعت است که دادهبرداری در این روش پس از رها شدن موتور میباشد. روش دوم چرخش موتور با RPM ثابت می باشد؛ در این روش دادهبرداری در سرعت چرخش ثابت انجام گرفته است. در روش سوم چرخش مدل از صفر تا RPM حداکثری می باشد و دادهبرداری از صفر صورت می گیرد. تستهای اختیاری - بدون موتور - به این گونه است: روش اول، چرخش مدل به کمک نیروهای آیرودینامیکی و رسیدن به دور ثابت است که دادهبرداری از سرعت صفر تا حالت پایا میباشد. روش دوم چرخش مدل به کمک نیروهای آیرودینامیکی و رسیدن به دور ثابت است و شروع داده برداری در سرعت چرخش ثابت انجام میشود.
