Почему модели самолетов нельзя использовать для обнаружения штопора и сваливания конструкций пилотируемых самолетов?

Кто сказал, что масштабные модели нельзя использовать для спинового моделирования?

Ключевая информация заключается в том, что число Рейнольдса не так сильно влияет на поведение сепарированного воздушного потока, поэтому вам не нужно увеличивать скорость, чтобы компенсировать меньшие размеры. Только при изучении сваливания число Рейнольдса будет иметь значение, но и здесь значимые результаты возможны при более низких скоростях.

Модели обычно используются в спиновых туннелях . Здесь и скорость, и габариты меньше, но результаты можно перенести на исходный самолет. Существует два вида спиновых туннелей:

1. Свободные туннели с открытой расширяющейся секцией, в которую опытный оператор должен бросить модель, чтобы она закрутилась в восходящем воздушном потоке. Сечение расходящееся, поэтому скорость меняется с высотой и позволяет модели найти соответствующую скорость.

Изображение с испытаний на вращение модели Grumman E-2 в 20-футовом спиннинговом туннеле NACA ( источник изображения )

2. Закрытые тоннели, в которых модель крепится на жале. Жало связано с вращающимся балансом, который может быть установлен на различные скорости крена и рыскания. Полученная матрица коэффициентов по углу атаки, углу бокового скольжения и по трем скоростям вращения вводится в компьютерную модель, которая вычисляет точки равновесия.

Модели, используемые в свободных туннелях, должны быть масштабированы как геометрически, так и инерционно, чтобы их распределение массы соответствовало исходному. Если в спин-туннеле используются вращающиеся весы, то даже динамическое масштабирование масс и инерций не требуется, и можно использовать обычную туннельную модель. Однако, если результирующее вращение имеет колебательный характер, туннель со свободным вращением имеет преимущество, потому что это становится очевидным в тесте. В закрытом туннеле вы просто получаете две точки равновесия и должны сами установить соединение.

Третий способ — испытания моделей в свободном полете, но они гораздо дороже и позволяют меньше наблюдений, чем аэродинамические трубы.

Характеристики сваливания немного сложнее предсказать с помощью моделей, но опять же можно сделать выводы из того, что можно увидеть в туннеле. Чтобы получить максимальный коэффициент подъемной силы, начиная с измеренного значения при Re = 1 000 000, вы можете использовать это масштабирование:

На графике ниже показана разница в коэффициенте подъемной силы между маленькой моделью и полноразмерным самолетом. Самые большие различия наблюдаются вокруг сваливания, а при больших углах атаки, наблюдаемых при вращении, оба ведут себя довольно одинаково.

Коэффициент подъемной силы по углу атаки для модели и полномасштабного самолета, взятый из монографии Джозефа Чемберса об испытаниях с моделями ( Моделирование полета: роль динамически масштабируемых моделей свободного полета в поддержку аэрокосмических программ НАСА ).

Для небольших самолетов относительные затраты на испытание в туннеле обычно недостаточны. Вместо этого используется настоящая вещь. Поскольку задействованные скорости невелики, испытания на вращение проводятся с помощью парашюта или сбрасываемой массы в хвостовой части самолета. В современных конструкциях можно использовать даже полноценную баллистическую парашютную систему для предотвращения крушения, если испытание на вращение закончится в безнадежной ситуации.

Установка парашюта на Columbia 400 ( источник изображения )

Масштабные модели используются для определения характеристик вращения пилотируемых самолетов. Например, см. это изображение из книги «Моделирование полета — роль динамически масштабируемых моделей свободного полета в поддержку аэрокосмических программ НАСА» Джозефа Р. Чемберса:

Однако при правильном моделировании штопорных характеристик самолета возникают значительные трудности.

Чтобы модель правильно имитировала самолет в натуральную величину, оба должны быть динамически схожими, т. е. траектория полета и угловые смещения модели и самолета будут идентичными (геометрически), хотя шкала времени обычно будет различаться.

Для модели, точно воспроизводящей характеристики штопора самолета, (баланс) аэродинамических и инерционных параметров должен быть одинаковым. Модель должна быть масштабирована (помимо геометрических параметров) по массе, моменту инерции, линейной и угловой скорости и т. д. Например, коэффициенты масштабирования в случае несжимаемого потока:

Изображение из книги «Моделирование полета — роль динамически масштабируемых моделей свободного полета в поддержку аэрокосмических программ НАСА» , Джозеф Р. Чемберс.

В случае сжимаемого потока требуется еще большее масштабирование:

Изображение из книги «Моделирование полета — роль динамически масштабируемых моделей свободного полета в поддержку аэрокосмических программ НАСА» , Джозеф Р. Чемберс.

Проблема в том, что точное дублирование всего этого масштабирования невозможно; Вы правы в том, что число Рейнольдса является наиболее важной проблемой. В спине участвуют (частично или полностью) отрывные потоки, на которые существенно влияет число Рейнольдса.

Вышеупомянутый отчет заключает:

Данные показывают значительное увеличение величины и угла атаки для максимальной подъемной силы по мере увеличения числа Рейнольдса от модельных условий до полномасштабного значения. Такие результаты могут существенно повлиять на прогнозирование летных характеристик самолета вблизи и выше сваливания.

Другой вопрос — стоимость создания модели; Правильное моделирование и тестирование (по крайней мере, дроп-тестирование) этих систем сопряжены со значительными затратами, ресурсы для которых доступны не для всех, кроме самых дорогих программ. Например, в отчете «Вращение самолета — обсуждение методов прогнозирования вращения », отчет № AD-A216-200 делается следующий вывод:

Техника капельной модели с использованием моделей в масштабе примерно 1/4 ... потенциально может охватывать все фазы вращения. Однако из-за стоимости и значительных потребностей в рабочей силе он становится жизнеспособным только для крупных проектов.

Вот почему мы не видим масштабных моделей, используемых для моделирования характеристик вращения АОН и сверхлегких самолетов.