1.4 О возможности применения принципа конструктивного подобия для моделей из композиционных материалов
Во всех случаях, когда удается применить принцип конструктивного подобия, создание модели, подобной натуре по динамическим характеристикам, принципиально упрощается. Автоматически снимаются все вопросы о правильности схематизации силовой конструкции и узлов стыковки несущих и управляющих поверхностей с фюзеляжем, обеспечивается подобие поведения модели и натуры. Но в ранее описанных примерах модель и натура изготавливались из изотропных материалов.
В случае же применения композиционных (анизотропных) материалов выполнение принципа конструктивного подобия возникает принципиальное противоречие. Дело в том, что если обшивка модели будет представлять собой многослойную конструкцию из стеклоткани или углепластика со случайно выбранным направлением волокон, то обшивки модели и натуры будут иметь разное соотношение жесткостей при работе на сдвиг и растяжение-сжатие в разных направлениях.
Разрешить это противоречие можно, сделав обшивку из композиционных материалов изотропной за счет выбора числа слоев и определенного расположения волокон каждого слоя друг относительно друга. Минимально возможное число слоев для выполнения этих требований — три, причем каждый следующий слой должен быть повернут по отношению к предыдущему под углом 120°. Тогда обшивка из композитов будет работать на сдвиг, как при изотропном материале. При этом меньшая (чем для изотропных материалов) жесткость ее на растяжение-сжатие может быть компенсирована увеличением жесткости продольных и поперечных элементов конструкции, выполняемых из однонаправленного материала. Очевидно, что принцип конструктивного подобия практически не нарушается и дополнительные погрешности не возникнут. В заключение отметим два момента.
1. Если натурный ЛА изготовлен из композиционных материалов, то применение принципа конструктивного подобия сводится к воспроизведению на модели числа слоев, направления волокон и их толщины в нужных масштабах при изготовлении силовых элементов. То есть сводится к копированию натурной конструкции. Ограничения в области применения такого подхода обусловлены наличием необходимых материалов.
2. В последнее время развит и успешно внедряется метод изготовления моделей из композиционных материалов, не основанный на воссоздании в модельных условиях схемы работы силовых элементов натуры. Считается, что силовая схема модели и натуры могут быть разными, а необходимые жесткостные характеристики модели обеспечиваются выбором размеров силовых элементов модели на основе расчетных методов.
1.5 Поисковые и схематические модели
Одно из весьма важных достоинств моделирования состоит в возможности получить ответы на многие вопросы задолго до создания натурного ЛА. Упрощенную модель, быстро построенную по предварительным исходным данным, можно испытать на самых ранних этапах проектирования. Затем, производя уточнения модели по мере проработки проекта, можно отслеживать изменение характеристик ЛА в течение всего процесса разработки. Это не только облегчает работу ОКБ, но и позволяет избежать непреднамеренного ухудшения флаттерных характеристик, которое может возникнуть как результат совершенствования других свойств ЛА при проектировании.
Такая практика в аэродинамических трубах малых скоростей применялась еще с 40-50-х годов прошлого века. В скоростных аэродинамических трубах работа в этом направлении была начата позднее ‑ в 50-60-х годах. Она потребовала разработки новых конструктивных схем моделей ‑ простых в изготовлении и дешевых. Желательно было, чтобы ремонтные и восстановительные работы были тоже простыми и быстро выполнимыми. Среди таких схем наибольшее распространение получили модели с фанерным лонжероном-кессоном. Лонжерон выполняют в виде широкого сердечника прямоугольного сечения с направлением волокон рубашки фанеры вдоль оси жесткости. Обшивка сердечника изготавливают тоже из фанеры, но с направлением волокон рубашки под некоторым углом к оси жесткости (рис. 8).
Рисунок 8. Схемы фанерных лонжеронов
По такой же схеме строят модели для испытаний в аэродинамической трубе малых скоростей, что дает возможность «стыковать» результаты испытаний в трубах малых и больших скоростей. При этом приходится преодолевать следующие трудности.
Модели одного и того же ЛА, выполненные строго по условиям подобия и испытанные в разных аэродинамических трубах, после пересчета на натуру результатов испытаний должны иметь совпадающие границы устойчивости, если в эксперименте не были допущены ошибки. При испытаниях на малых числах М, когда сжимаемость воздуха еще не может заметно проявляться, достижение границы флаттера происходит за счет повышения плотности воздуха ρ в рабочей части, причем плотность воздуха ρ должна быть тем больше, чем меньше число М, при котором желательно достичь флаттера. Следовательно, для соблюдения подобия по массам необходимо производить дополнительную загрузку моделей так, чтобы числа Nw у модели, испытанной в низкоскоростной АДТ, совпадали с числами Nw, реализуемыми в скоростной АДТ.