ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассказывается о возможности применения аддитивных технологий при проектировании узлов летательных аппаратов, а также продемонстрирован пример использования 3D моделирования и печати для изготовления частей несущего винта вертолёта.

Ключевые слова: аддитивные технологии; несущий винт; законцовки.

В современном мире вертолёты используются повсеместно, поэтому важно обеспечить грамотное проектирование узлов данного летательного аппарата. Современные аддитивные технологии позволяют проектировать узлы и агрегаты не прибегая к дорогостоящим и многочисленным натурным экспериментам. Главное преимущество компьютерного моделирования – скорость и относительная дешевизна.

Несущий винт вертолёта – один из самых важных его узлов, поэтому чрезвычайно важно ответственно подойти к его проектированию. На современном этапе развития вертолетостроения возможные предельные значения максимальных скоростей полета определяются двумя критическими явлениями, возникающими на лопастях несущего винта и способными вызвать срыв потока, а соответственно и потерю тяги (ведь большая часть подъёмной силы лопасти реализуется именно на её концах). Эти явления называются: волновой кризис и обратное обтекание. (рисунок 1) [2, с.88].

Рисунок 1. Критические явления на лопастях несущего винта вертолёта

Для борьбы с этими явления существуют несколько способов, одним из которых является использование специальных законцовок лопастей несущего винта, отодвигающих по времени срыв потока с концевых сечений лопасти.

На рисунке 2 показано распределение числа Маха вдоль лопастей несущего винта вертолёта. На современных вертолётах, концевые сечения лопастей обтекаются потоком с числами Маха 0,9 - 1,05. Число Маха – отношение скорости потока в данной точке к местной скорости звука в подвижной среде [1]

Рисунок 2. Распределение числа Маха вдоль лопастей несущего винта вертолёта

Для упрощения проектирования на современном этапе часто используется 3D моделирование. Для изучения влияния формы законцовок на характеристики лопасти несущего винта вертолёта также можно применять данные технологии. В ходе изучения проблемы обтекания лопастей были построены несколько моделей законцовок: прямая, стреловидная и «винглет». Затем готовые модели отправляются в «слайсер» - специальную программу, предназначенную для нарезания модели на слои для дальнейшей печати (рисунок 3).

Рисунок 3. Отображение модели в слайсере для законцовки «винглет»

Для создания моделей использовался пластик PLA REC 1,75 мм. Сопло 3D принтера – 0.5, точность 0.2 мм. Толщина стенки модели-  1,5 мм. Коэффициент заполнения 20% (количество материала внутри модели, для придания прочности). На рисунке 4 приведен результат печати стреловидной законцовки.

Рисунок 4. Стреловидная законцовка

Для проведения возможных аэродинамических экспериментов необходимо провести оценку температурных нагрузок на модель, так как используемый пластик начинает терять прочностные свойства при 51 градусе Цельсия. Примерную оценку можно провести по формуле для быстро летящего тела:

,

Где  – теплоёмкость при постоянном давлении (для воздуха );

 – температура торможения;

 - скорость набегающего потока;

 - температура набегающего потока.

Результаты расчётов температуры приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Температура торможения для различных скоростей набегающего потока

Как видно из результатов оценки температуры торможения при скоростях выше 250 м/с данный пластик не будет сохранять свои свойства, поэтому целесообразно либо применять другой пластик, либо обеспечить тепловую защиту.

Использование таких технологий упрощает и ускоряет процесс проектирования, а также может применяться для изготовления реальных узлов летательных аппаратов (конечно же с применением более дорогих и качественных материалов). С помощью таких моделей можно ставить аэродинамические эксперименты и сравнивать полученные данные с результатами численного эксперимента. Всё это призвано облегчить инженерам выполнение поставленных задач.

Список литературы:

1. Джесси Рассел Число Маха: книга. М.: АСТ, 2012. - 110 с.
2. Зинченко В.П. Влияние стреловидной законцовки лопасти на аэродинамические характеристики несущего винта при больших скоростях полёта вертолёта // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. — Харьков: ХАИ, 2010. — вып.48. — с. 88 — 96.