DE2731875C3 - Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im Windkanal - Google Patents
Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im WindkanalInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im Windkanal mit den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Die Erfindung kann bei der Untersuchung der
dynamischen Festigkeit und von Schwingungs- und Flattercharakteristiken von Luftfahrzeugen Verwendung
finden.
Die Untersuchung der genannten Probleme an dynamisch ähnlichen Modellen ist für die Flugsicherheit
der Luftfahrzeuge von äußerst wichtiger Bedeutung, i.
Die Schaffung von Vorrichtungen zur Durchführung solcher Untersuchungen ist eine sehr komplizierte
technische Aufgabe. Einerseits darf eine Aufhängung die Bewegung des Modells nicht merklich behindern, da
die Prüfbedingungen im Windkanal den Bedingungen eines freien Fluges angenähert entsprechen müssen, und
zum anderen soll sie das Modell in der Mitte des Arbeitsabschnittes des Windkanals halten und größere
Bewegungen des Modells unterbinden sowie sein eventuelles Herausschleudern aus der in den Windkanälen
mit offenem Arbeitsabschnitt erzeugten Strömung verhindern.
Das letztere ist besonders wichtig bei Untersuchungen eines mit keiner besonderen Anlage zur Flugsteuerung
ausgerüsteten Modells, was das Experiment wesentlich vereinfacht sowie dessen Wirksamkeit
erhöht.
Die Befestigung des Modells im Arbeitsabschnitt des Windkanals, welche bei der Untersuchung die sechs
Freiheitsgrade der Bewegung des Modells gewährleistet, kann eine Instabilität des Modells als ein starrer
Körper verursachen (das sogenannte »Aufhängeflattern«) sowie die zu untersuchenden Charakteristiken
der Natur beeinflussen, die durch Umrechnung von Prüfergebnissen am Modell nach den Maßstabkoef '-zienten
der mechanischen Ähnlichkeitstheorie ermittelt werden.
Deshalb werden bei Schaffung einer Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im Arbeitsabschnitt des Windkanals
unter Versuchsbedingungen Mittel ausführlich untersucht und entwickelt, welche die Stabilität des
aufgehängten Modells im Windkanal für beliebige Strömungsgeschwindigkeiten gewährleisten und einen
möglichst geringen Einfluß der Aufhängung auf Prüfergebnisse haben. Diese Probleme werden zur Zeit
wegen der komplexen Erscheinungen experimentell untersucht.
Es ist eine Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im Windkanal bekannt (US-PS 32 76 251), welche bei
Prüfungen eines dynamisch ähnlichen Flugzeugmodells auf Flattern bei Transsonikgeschwindigkeiten der
Strömungen im Windkanal verwendet wird (vgl. NASA proc. of Symposium on Aerolastic and Dynamic
Modelling Technology 23—25, September 1963, Dayton, Ohio 1964). Die Aufhängung besteht aus zwei in der
horizontalen und vertikalen Ebene des Flugkörpers angeordneten Seilen, eines vorderen und eines hinteren,
die schlingenartig durch Rollen am Modell geführt und durch eine bestimmte Seilspannung sichernde Federn an
den Wänden des Windkanals festgemacht sind. Die Rollen sind im Rumpf vor und hinter dem Schwerpunkt
des Modells befestigt.
Die Aufhängung simuliert Freiflugbedingungen unter
Erhalt der sechs Freiheitsgrade der Bewegung des Modells als starrer Körper. Diese Vorrichtung besitzt
eine geringere Masse als das Modell und bietet die Möglichkeit, Untersuchungen bei Transsonik- und
Supersonikgeschwindigkeiten der Strömung durchzuführen.
Eine konkrete Form und Ausführung der Modellaufhängung
wird je nach der Bauart des Modells gewählt, und zwar Einzel- oder Doppelrollen im Rumpf; bzw. das
Vorderseil verläuft senkrecht oder waagerecht, und das Hinterseii ist dabei in der Ebene angeordnet, die
senkrecht zur Ebene des Vorderseils liegt
Bei der Anordnung des Vorderseiles in der Vertikalebene wird dieses mit einem Ende an der oberen Wand
des Windkanals vor dem Modell starr befestigt, über eine im Bugabschnitt des Modellrumpfes (d. h. vor dem
Schwerpunkt des Modells) angebrachte Rolle geführt und mit seinem anderen Ende mitteis einer Feder an der
unteren Wand befestigt. Das Hinterseil befindet sich in diesem Fall in der Horizontalebene und ist an den
'Seitenwänden ähnlich wie das Vorderseil festgemacht.
; Das derart aufgehängte Modell hat die sechs Freiheitsgrade seiner Bewegung: Die vertikale Bewegung und
die Drehung (Stampfen) um die Querachse des Modells .wird ermöglicht durch seine Bewegung an den Rollen
auf der Halbschleife des Vorderseils sowie durch die Pendelbewegung des Modells um die durch die
Befestigungspunkte des Hinterseils verlaufende Achse; die Seitenbewegung sowie die Drehung um die
Hochachse (Nicken) durch die Pendelbewegung des Modells um die durch die Befestigungspunkte des
Vorderseils gehende Achse sowie durch die Bewegung des Modells an den Rollen auf der Halbschleife des
Hinterseils; die Längsbewegung des Modells erfolgt auf Kosten der elastischen Befestigung der Vorder- und
Hinterseile; die Drehung um die Längsachse erfolgt bei einer geringen Bewegung des Modells an den Rollen auf
der vorderen und hinteren Halbschleife.
Die Vibrations-, Frequenz- und Slabilitätseigenschaften des Modells werden durch die Spannung des
Hinterseils bestimmt, die mittels einer Spanneinrichtung geregelt wird. Die Spannkraft wird durch einen Geber
erfaßt. Offensichtlich hängt die Spannkraft von den Charakteristiken des Modells bei seiner Prüfung ab,
jedoch soll die Spannung ausreichen, um den »Flugzustand« des Modells sowie die dynamische Stabilität des
Systems »Modell-Aufhängung« zu sichern, aber klein genug, um niedrigere Eigenfrequenzen des Systems
»Modell-Aufhängung« gegenüber der Frequenz des Modells als ein starrer Körper während des freien
Fluges zu halten. Das auf dieser Aufhängung zu untersuchende Modell ist mit einer Anlage zur
Flugsteuerung in der Windkanalströmung ausgerüstet.
Jedoch ermöglicht die genannte Aufhängung keine Versuche an verhältnismäßig schweren Modellen bei
kleineren Strömungsgeschwindigkeiten z. B. im Unterschallbereich, weil in diesem Falle eine überaus große
Spannkraft zur Seilspannung erforderlich ist, welche eine wesentliche Änderung des Frequenzbereiches des
Systems »Modell-Aufhängung« hervorrufen kann. Bei Versuchsarbeiten erweist sich jedoch die Anlage zur
Flugsteuerung des Modells als notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Aufhängen eines Luftfahrzeugmodells zu schaffen, mit
der Untersuchungen an dynamisch ähnlichen Modellen breitester Klasse unter angenäherten Freiflugbedingungen
möglich wird und !bei der eine Anlage zur Flugsteuerung des Modells bei Windkanalversuchen für
kleinere Geschwindigkeiten entfallen.
Diese Aufgabe wira erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Das Seilsystem kann aus zwei Seilen bestehen, die in der Horizontalebene angeordnet sind und zu beiden
Seiten des Modellrumpfes parallel zu dessen Längsachse verlaufen. In diesem Fall wird die Befestigung der
genannten Seile an dem Modell zweckmäßigerweise vor dessen Schwerpunkt mittels eines einseitigen
Hebels mit gleichen Armen bewerkstelligt, welcher durch einen am Modell ausgebildeten Querschlitz
hindurchgeht und sich gelenkig auf demselben abstützt, während die Befestigung der Seile am Modell hinter
seinem Schwerpunkt mittels Führungen bewerkstelligt werden kann, die am Modellrumpf einseitig gelagert
siiid.
Zweckmäßigerweise werden die genannten Seile in einem Punkt vor und im anderen hinter dem Modell
befestigt, wobei im vor dem Modell angeordneten Befestigungspunkt der Seile an dem Gehäuse des
Windkanals eine Seilrolle angebracht werden kann, über die zwei entsprechende miteinander verbundene
Seilenden gelegt sind.
Das System von vertikalen Seilen kann auch aus vier Seilen bestehen, von denen zwei in der Vertikalebene
der Modellsymmetrie vor und hinter dem Schwerpunkt des Modells und die zwei anderen zusätzlichen Seile in
der Vertikalebene verlaufen, die hinter dem Schwerpunkt des Modells senkrecht zur Vertikalebene der
Modellsymmetrie liegt
Das System von den Vertikalseilen kann außerdem dreiseilig ausgebildet sein, von denen das eine in dem
vor dessen Schwerpunkt befindlichen Punkt, zwei andere in der hinter dem Schwerpunkt senkrecht zur
Vertikalebene der Modellsymmetrie verlaufende Vertikalebene mit dem Modell verbunden sind.
Die Enden von den in der Vertikalebene angeordneten Seilen können zweckmäßigerweise über elastische
Elemente mit entsprechenden Hebeeinrichtungen verbunden werden, welche die Lageregelung des Modells
im Arbeitsabschnitt des Windkanals sowohl bei dessen Einstellung wie auch beim Prüfvorgang ermöglichen.
Alles Obengesagte gewährleistet die Durchführung von Versuchsarbeiten an dynamisch ähnlichen Modellen
breitester Klasse unter den dem freien Flug angenäherten Bedingungen.
Bei einem solchen Aufbau der Vorrichtung zum Aufhängen eines Luftfahrzeugmodells im Windkanal
entfällt bei den Untersuchungen die Anlage zur Flugsteuerung des Modells.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen Aufhängung im Windkanal in Seitenansicht,
F i g. 2 schematisch die Vorrichtung zum Aufhängen eines Luftfahrzeugmodells im Windkanal in Draufsicht,
F i g. 3 ein Schema der Befestigung von den in der Horizontalebene liegenden Seilen an dem Modell vor
seinem Schwerpunkt G,
Fig.4 ein Schema einer anderen Anordnung von waagerecht liegenden Seilen,
F i g. 5 ein Schema einer anderen Anordnung von waagerechten Seilen,
F i g. 6 schematisch eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung zum Aufhängen eines Luftfahrzeugmodells
im Windkanal.
Die Vorrichtung zum Aufhängen eines Luftfahrzeugmodells 1 (Fig. 1) im Arbeitsabschnitt 2 eines
Windkanals 3 für kleinere Geschwindigkeiten ist als ein System von Seilen ausgebildet und enthält wenigstens
ein in der Horizontalebene liegendes Seil 4, dessen eines Ende mittels eines elastischen Elementes 5 am Gehäuse
des Windkanals 3 und dessen anderes Ende im Punkt 6 am Modell 1 vor seinem Schwerpunkt G befestigt ist,
und wenigstens zwei Seile 7, die in der Vertikalebene
der Modellsymmetrie verlaufen. Die einen Enden der Seile 7 sind über elastische Elemente 8 an dem Gehäuse
des Windkanals 3 befestigt und die anderen mit dem Modell 1 in Punkten 9, 10 verbunden, welche sich in
einem Abstand vor und hinter dem Schwerpunkt G des Modells befinden. Dieser Abstand wird unter Berücksichtigung
der Stabilitätssicherung des Systems »Modell-Aufhängung« in der Strömung V des Windkanals
gewählt. Der Strömungsvektor irn Windkanal ist in allen
Zeichnungen durch einen Pfeil angedeutet.
Bei der Ausführung nach F i g. 2 enthält das Seilsystem zwei Seile 11, welche in der Horizontalebene
zu beiden Seiten des Modellrumpfes 1 angeordnet sind. Die Seile 11 sind am Gehäuse des Windkanals 3 vor und
hinter dem Modell 1 über elastische Elemente 12,13 und am Modell 1 selbst in zwei Punkten 14, 15 vor und
hinter seinem Schwerpunkt befestigt. Die Seile 11 können in den vor dem Schwerpunkt G des Modells
liegenden Punkten 14 an dem Modell 1 über einen Hebel 16 mit gleichen Armen starr befestigt werden und hinter
dem Schwerpunkt G des Modells 1 (Punkt 15) durch Führungen 17 lose hindurchgehen, welche am Modellrumpf
1 einseitig gelagert sind.
In der Fig. 3 ist die Befestigung der Seile 11 am
Modell 1 mittels des gleicharmigen einseitigen Hebels 16 näher gezeigt. Der Hebel 16 geht durch einen im
Modell 1 ausgeführten Querschlitz 18 hindurch und ist mit dem Modellrumpf im Punkt 19 gelenkig verbunden.
Eine solche Befestigung der Seile 11 stellt den Ausgleich der Stirnwiderstandskräfte des Modells vor
dessen Schwerpunkt G durch die Aufhängevorrichtung sicher, was die Stabilität des Modells in seiner
Aufhängung in der Windkanalströmung V erhöht Die Anordnung der Befestigungspunkte 14, 15 der Seile 11
am Modell 1 bezüglich seines Schwerpunkts G wird auch ausgehend von der Bedingung der Stabilitätssicherung
des Systems »Modell-Aufhängung« in der Windkanalströmung Vunter Berücksichtigung der Nachbildung
der Bedingungen eines freien Fluges gewählt
Wie aus Fig.4 ersichtlich, können die in der Horizontalebene verlaufenden Seile 20 in einem Punkt
21 vor und in einem Punkt 22 hinter dem Modell 1 am Gehäuse des Windkanals 3 mittels elastischer Elemente
23,24 befestigt werden.
Die in der Hcrizontalebene liegender. Seile 25 bei der
Ausführung nach Fig.5 sind am Gehäuse des Windkanals 3 vor dem Modell 1 mittels einer Seilrolle 26
befestigt, über die die Enden von den miteinander verbundenen Seilen 25 gelegt sind. Die Seilrolle 26 ist
mit einem Ende eines elastischen Elementes 27 verbunden, dessen anderes Ende am Gehäuse des
Windkanals 3 befestigt ist
Es sind verschiedene Varianten der Anordnung der senkrechten Seile möglich, welche das Modell 1 im
Arbeitsabschnitt 2 des Windkanals 3 halten (F i g. 1,6).
So können neben den zwei in der Vertikalebene verlaufenden Seilen 7 noch zwei zusätzliche Seile 28
(Fig.6) vorgesehen werden, welche in der senkrecht
zur Symmetrieebene des Modells liegenden Ebene verlaufen, oder diese zwei allein verwendet werden,
während das hinter dem Schwerpunkt G des Modells 1 angreifende Seil 7 wegfällt. Die zusätzlichen Seile 28
werden am Modell in Punkten 29 festgemacht, die in gleichem Abstand von der Symmetrieebene des Modells
liegen. Die anderen Enden der Seile 7 und 28 werden mittels der elastischen Elemente 8 am Gehäuse des
Windkanals 3 befestigt oder mit entsprechenden Kcbeeinrichtungen 30 verbunden. Durch die Befestigung
der oberen Enden der Seile 7 und 28, die ihre senkrechte Bewegung ermöglicht, kann die Lage des
ίο Modells 1 im Arbeitsabschnitt 2 des Windkanals 3
sowohl bei seiner Einstellung wie auch im Versuch geregelt werden.
Die bevorzugte Ausführung nach F i g. 6 besitzt somit zwei in der Horizontalebene liegende Seile 25, ein in der
Vertikalebene der Modellsymmetrie vor dem Schwerpunkt G des Modells angeordnetes Sei! 7 sowie zwei in
der senkrecht zur Symmetrieebene des Modells liegenden Vertikalebene verlaufende Seile 28.
Die in der Horizontalebene liegenden Seile 25 sind über elastische Elemente 27 am Gehäuse des Windkanals
3 befestigt. Die Spannkraft dieser Seile wird von einer Spanneinrichtung 31 erzeugt, die über ein
Seilrollensystem 32 auf die Seile 25 einwirkt
Die Aufhängung gemäß der Erfindung legt die Position des Modells im Arbeiisabschnitt des Windkanals
bestimmt fest und gewährleistet die sechs Freiheitsgrade für die Bewegung des Modells als starrer
Körper. Die Bewegungsfreiheit in der Vertikalebene wird im Grunde genommen durch die Steifigkeit der
elastischen Elemente 8 bestimmt, welche durch die Modellmasse beansprucht werden. Die Bewegungsfreiheit
des Modells in der Querrichtung hängt von der Länge der Seile 7, 28 und in geringerem Maße von der
Spannkraft der Seile 25, in Längs- bzw. Strömungsrichtung aber nur von der Steifigkeit der elastischen
Elemente 27 ab. Somit gestattet die Aufhängung, die Bewegungsfreiheit des Modells in beliebigen Richtung
praktisch unabhängig von anderen Richtungen zu beeinflussen.
Die vertikal bewegbare Befestigung der oberen Enden der vertikalen Seile 7, 28 durch die Hebeeinrichtungen
30 (F i g. 6) bietet die Möglichkeit, die Montage des Modells im Arbeitsabschnitt des Windkanals
beträchtlich zu vereinfachen sowie das Modell ohne Steuergeräte zu lenken, die in vielen Fällen wegen
konstruktiver Schwierigkeiten undurchführbar sind.
Die Daten vom Modell aus kann man auf jede bekannte Weise erhalten.
Die Untersuchungen eines erfindungsgemäß aufgehängten Versuchsmodells werden wie folgt durchgeführt:
Für alle elastischen Elemente 8, 27 der Vorrichtung werden die Steifigkeitscharakteristiken sowie Längenmaße
der Seile 7,25,28 und ihre Befestigungspunkte am Modell 1 ermittelt Das Modell 1 wird dann an den
unteren Enden der Seile 7,28 befestigt und die Seile 25, welche in der Horizontalebene liegen, werden montiert
und ihre Enden mit dem Modell 1 befestigt Der Aufbau der Vorrichtung ist sehr einfach und die Montage des
Modells 1 im Arbeitsabschmtt 2 des Windkanals 3 nimmt wenig Zeit in Anspruch. Nach dem Aufhängen
des Modells 1 wird zur Kontrolle die Eigenfrequenz der Schwingungen des Modells als starrer Körper geschrieben,
wobei darauf geachtet wird, daß die höchste Eigenfrequenz der Modellschwingungen als starrer
Körper in der Aufhängung um ein Vielfaches kleiner als die niedrigste Eigenfrequenz der elastischen Schwingungen
des Modells ist
Nach Beendigung der Montage des Modells im Ärbeitsabschnitt des Windkanals und der Kontrollmessungen
der Eigenfrequenz der Schwingungen des Modells werden die geplanten Untersuchungen vorgenommen,
deren Methodiken sich voneinander unterscheiden können, was zu keinen Änderungen an
Parametern der Vorrichtung führt.
Eine Asymmetrie am Modell, die in der Strömung V des Windkanals auftritt, wird durch Änderung der
Längen der zugehörigen vertikalen Seile 7, 28 mittels der Hebeeinrichtungen 30 ausgeglichen.
Mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit nimmt bei richtig gewählten Parametern, wie Steifigkeit der
elastischen Elemente, Länge der Seile, Anordnung der Befestigungspunkte des Seilsystems am Modell, auch die
Stabilität des an der Vorrichtung aufgehängten Modells zu.
Es ist theoretisch gezeigt und experimentell nachgewiesen,
daß die beschriebene Aufhängung bei der Untersuchung der Aeroelastizität an Modellen im
Windkanal für kleinere Geschwindigkeiten es gestattet, unangenehme Erscheinungen bei der Versuchsdurchführung,
wie die Instabilität des Modells in der Aufhängung (das sogenannte »Aufhängeflattern«) im
Unterschallbereich der Windkanalströmung vollständig auszuschalten.
Die Aufhängung mit den Seilen 7, 28, welche in den Vertikalebenen angeordnet sind, erweitert bedeutend
ίο die Klasse von Modellen, die unter den Bedingungen der
Nachbildung eines freien Fluges in Windkänälen für kleinere Geschwindigkeiten untersucht werden können.
Die Verbindung der Seile mit den zugehörigen Hebeeinrichtungen 30 ermöglicht es auch, die Einstellung
des Modells im Arbeitsabschnitt des Windkanals zu vereinfachen sowie das Modell zu steuern, ohne daß
Steuerorgane am Modell selbst notwendig sind. Dieser Umstand verbilligt bedeutend das Experiment.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
230249/301
Claims (12)
1. Aufhängung für ein Luftfahrzeugmodell im Windkanal, die als ein System aus gespannten Seilen
ausgebildet ist, wobei die einen Seilenden über elastische Elemente am Gehäuse des Windkanals
befestigt und die anderen Seilenden mit dem Modell selbst verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das System wenigstens ein in der Horizontalebene verlaufendes Seil (4) und wenigstens
zwei in der Vertikalebene angeordnete und mit dem Modell (1) vor und hinter seinem Schwerpunkt
^verbundene Seile (7) enthält
2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seile (11) in der Horizontalebene
zu beiden Seiten des Modellrumpfes parallel zu seiner Längsachse verlauten.
3. Aufhängung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile (11) am Modell (1) vor seinem
Schwerpunkt (G) befestigt sind.
,:'! 4. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Seile (11) am Modell (1) mittels 'eines Hebels (16) mit gleichen Armen befestigt sind,
der durch einen im Modell (1) ausgebildeten Querschlitz (18) hindurchgeht und sich an einem
Gelenk (19) abstützt.
5. Aufhängung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile (11) am Modell (1) hinter
seinem Schwerpunkt (G) befestigt sind.
6. Aufhängung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile (11) am Modell (1) über am
Modellrumpf (1) einseitig gelagerte Führungen (17) gehalten sind.
7. Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile
(20) in einem Punkt (21) vor dem Modell (1) und in einem Punkt (22) hinter dem Modell (1) am Gehäuse
des Windkanals (3) befestigt sind.
8. Aufhängung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im vor dem Modell (1) angeordneten
Befestigungspunkt der Seile (25) am Gehäuse des Windkanals (3) eine Seilrolle (26) vorgesehen ist,
über die die miteinander verbundenen Seile (25) geführt sind.
9. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Seile (7) in der
vertikalen Symmetrieebene des Modells (1) angeordnet sind.
10. Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vertikalebene
hinter dem Schwerpunkt (G) des Modells (1) und senkrecht zur vertikalen Symmetrieebene des
Modells wenigstens zwei zusätzliche Seile (28) angeordnet sind.
11. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das System der vertikalen Seile dreiseilig ausgebildet ist, von denen das eine Seil vor
dem Schwerpunkt (G) und zwei weitere Seile hinter dem Schwerpunkt (G) des Modells in einer
senkrecht zur vertikalen Symmetrieebene des Modells (1) verlaufenden Vertikalebene am Modell
angreifen.
12. Aufhängung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der
Vertikalen Seile (7,28) über die elastischen Elemente
(8) mit Hebeeinrichtungen (30) verbunden sind, durch die die Lage des Modells (1) im Arbeitsab-•
schnitt des Windkanals (3) sowohl bei seiner Einstellung wie auch beim Versuch einstellbar ist
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