Введение к работе
Актуальность. В системе создания и совершенствования изделий различного назначения, в том числе военного, важную роль играет многоцелевой испытательный комплекс, включающий в себя различные стенды и установки. На этих стендах и установках осуществляется отработка конструкций и узлов на стойкость к внешним воздействиям, моделируются условия транспортировки и хранения радиоактивных материалов, аварийные ситуации, обеспечивается законченный цикл комплексной функциональной отработки боевого снаряжения современного ракетного оружия. При этом возрастают требования по ужесточению параметров испытаний и к качеству получаемой в результате испытаний информации, и к точности измерений. Это обуславливает необходимость совершенствования как самих стендов и установок, так и приборов и методов регистрации и измерений, а также необходимость проведения расчетного и экспериментального моделирования сопутствующих физических процессов.
Степень разработанности темы исследования связана с развитием техники и методик, используемых для пулеосколочных и аэробаллистических испытаний. Одним из наиболее важных результатов подобных испытаний является определение аэродинамических сил и моментов, а также линейных и угловых координат объекта испытаний во время его свободного полета (иначе говоря, внешнетраекторных данных, полученных в ходе испытаний).
Особое значение придается проблеме наиболее точного определения линейных и угловых координат объекта при подходе его к мишени. Эти параметры являются одними из основных регистрируемых данных при проведении пулеосколочных испытаний изделий, содержащих энергоемкие вещества, и средств их защиты. Из практики известно, что на пробивную способность пули может существенно оказать влияние изменение угла атаки на 1-2; аналогично, и степень воздействия на одно и то же изделие, содержащее энергоемкие вещества, при такой же разнице в угле подхода может быть принципиально разным (например, привести к стационарной детонации или не привести). В связи с этим, принципиальное значение придается определению фактического положения поражающего элемента в момент касания поверхности мишени. Для этого необходимо, во-первых, осуществлять регистрацию углов атаки с абсолютной погрешностью, не превышающей 0,5; во-вторых, разработать алгоритмы определения внешнетраекторных данных и аэродинамических характеристик тел вращения для обработки опытных данных; в-третьих, произвести расчетные исследования аэродинамических параметров движения объекта испытаний с по-
мощью численных методов расчета, реализованных в современных пакетах инженерного анализа с целью верификации и корректного моделирования физических процессов, сопровождающих эксперимент. Данные проблемы являются актуальными для подобного рода испытаний.
Наряду с вышесказанным, одной из проблем является увеличение скоростей полёта, что вызывает необходимость корректного моделирования, оценки возможности и методической отработки проведения аэробаллистических испытаний при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях обтекания. Проблема корректного моделирования физических процессов, сопровождающих гиперзвуковой полёт тела, является фундаментальной задачей механики. Основной методической особенностью проблем аэродинамики больших скоростей является трудность их экспериментального моделирования. Этим объясняется та ситуация, что теоретические исследования по уровню и глубине значительно опережают экспериментальные достижения. В связи с этим, актуальной проблемой является оценка возможности и методической отработки проведения аэробаллистических испытаний при гиперзвуковых скоростях обтекания.
Также, наряду с пулеосколочными и аэробаллистическими испытаниями, важную практическую роль имеют испытания конструкций на моделирование аварийных воздействий, например, соответствующие требованиям МАГАТЭ по отношению к разрабатываемым транспортным упаковочным комплектам. Испытания представляют из себя разгон комплекта до требуемой скорости, отделение комплекта от средств разгона и последующее соударение под заданным углом с имитатором мишени. Для этого объект испытаний монтируется на ракетном поезде, включающем ракетные двигатели, и способном перемещаться вдоль рельсовых направляющих. Для регистрации процесса разгона, отделения, полета и соударения используется как различная фотографическая аппаратура и различные методы визуализации аэродинамических процессов, так и средства оптико-фотоэлектронной регистрации, включаемые в состав поезда. Для получения качественной оптико-фотоэлектронной информации о разгоне и отделении объекта испытания от средства разгона необходимо обеспечить работоспособность оптико-фотоэлектронного оборудования в условиях нагрузок ракетного трека. Таким образом, оценка прочности и динамики регистрирующей аппаратуры в ходе аэробаллистического эксперимента является также актуальной задачей.
Целью работы является проведение расчетных исследований физических процессов, возникающих в ходе аэробаллистических испытаний, верификация построенных моделей на основе экспериментальных данных, получен-
ных в ходе экспериментов на многоцелевом испытательном комплексе, анализ и рекомендации по методам определения внешнетраекторных данных, обсуждение и интерпретация полученных экспериментальных данных. Задачи исследования:
-
Анализ методов определения внешнетраекторных параметров тел вращения применительно к аэробаллистическим и пулесколочным испытаниям.
-
Расчетно-экспериментальное определение динамического воздействия, сопротивления разрушению и аэродинамических характеристик движения тел простой формы (шар, конус) при сверх- и гиперзвуковых скоростях обтекания.
-
Верификация полученных расчетных данных на основе экспериментальных зависимостей.
-
Проведение расчетных исследований прочности и динамических характеристик регистрирующей аппаратуры, используемой в практике аэробаллистических испытаний транспортных упаковочных контейнеров.
Научная новизна
-
Метод определения внешнетраекторных параметров, используемый в пулеосколочных и аэробаллистических испытаниях для определения фактического положения поражающего элемента при подлете к мишени.
-
Результаты расчетно-экспериментального исследования динамического воздействия и сопротивления разрушению объектов при проведении аэробаллистических испытаний при гиперзвуковых скоростях обтекания.
-
Определение динамического воздействия и сопротивления разрушению оптико-фотоэлектронной аппаратуры при проведении аэробаллистических испытаний в условиях ракетного трека.
Теоретическая значимость исследования:
-
Сформулирован метод наземных стереофотограмметрических измерений внешнетраекторных параметров, используемый для определения пространственных координат летательного аппарата в пулеосколочных и аэробаллистических испытаниях.
-
Представлена методика математической обработки результатов стереофотограмметрических измерений.
Практическая значимость исследования:
-
Полученные в результате численного моделирования данные позволяют применять методы и пакеты современного инженерного анализа для моделирования физических процессов при гиперзвуковых скоростях обтекания.
-
В результате проведенного расчетно-экспериментального исследования и методической отработки проведения аэробаллистических испытаний при ги-
перзвуковых скоростях обтекания появляются перспективные направления исследований в этой области, в частности, корректное моделирование процесса аэротермомеханического разрушения и уноса материала объекта испытаний.
3. Анализ динамического воздействия на видеооборудование, а также другую регистрирующую технику, монтируемую на блоке видеорегистрации при проведении аэробаллистических испытаний транспортных упаковочных комплектов позволяет обеспечить работоспособность регистрирующей аппаратуры и дать рекомендации к её защите.
Методология исследования основана на использовании обще- и частно-научных методов познания. Системный подход положен в основу комплексного рассмотрения проблем динамики и разрушения объектов аэробаллистических испытаний. Решение задач аэродинамического обтекания тела и механики деформируемого твердого тела основано на использовании теоретических и эмпирических методов исследования, разработанных в области математического анализа, механики жидкости и газа, механики деформируемого твердого тела, численных методов в механике.
Положения, выносимые на защиту
-
Метод определения внешнетраекторных параметров в условиях аэробаллистических и пулеосколочных испытаний.
-
Результаты расчетно-экспериментальных исследований тестовых объектов шаровой и конической форм при гиперзвуковых скоростях обтекания.
-
Результаты расчетно-экспериментальных исследований динамики и прочности регистрирующей аппаратуры в условиях испытаний на ракетном треке.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнением с экспериментальными данными, представленными как в известных работах других авторов, так и полученными в настоящем исследовании.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, симпозиумах и съездах: 17-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (Нижний Новгород, 2012), IX Всероссийской научной конференции им. Ю. И. Неймарка «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2012), 7-ой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013), XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Нижний Новгород, 2013).
В законченном виде работа докладывалась на семинаре в Федеральном
государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» на кафедре «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивления материалов».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, приведенных в списке литературы.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, общих выводов и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 117 страниц, диссертация содержи 54 рисунка, 3 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 50 наименований.
