Автор: В.П. КУЛЕШ, В.Е. МОШАРОВ

Доктор технических наук В. П. КУЛЕШ, руководитель отдела оптико- физических методов исследований Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), кандидат физико-математических наук В. Е. МОШАРОВ, старший научный сотрудник того же института

При разработке нового летательного аппарата проводят всесторонние исследования различных вариантов его аэродинамической формы. Для этого создают модели, в уменьшенном масштабе точно повторяющие предполагаемые формы будущих самолетов, вертолетов, космических кораблей и т.д., и испытывают их в потоке воздуха. Эта процедура позволяет определить нагрузки, воспринимаемые во время полета как самим аппаратом, так и отдельными его элементами. Для измерения интегральных аэродинамических сил и моментов (подъемная и боковая сила, лобовое сопротивление и моменты сил вокруг трех ортогональных осей) модель помещают в потоке воздуха на специальные аэродинамические весы и проводят так называемые весовые испытания.

Для понимания физической природы течения воздушной массы вокруг летательного аппарата и, как следствие, создания конфигурации с наименьшим аэродинамическим сопротивлением и оптимизации прочности конструкции необходимо изучать распределение локальных нагрузок по поверхностям моделей. Для этого существует отдельный вид эксперимента - исследование распределения давления.

При традиционном методе на поверхности специально выполненной модели проделывают многочисленные (сотни и тысячи) отверстия и трубочками соединяют их с датчиками давления. Эта процедура называется дренированием, а модель - дренажной. Такие испытания проводят относительно редко, так как они очень трудоемки и дороги, но каждый самолет хотя бы раз проверяется обязательно. Скажем, по данным американской фирмы "Локхид Мартин", стоимость модели для весовых испытаний составляет около 570 тыс. долл., а дренажной - более 950 тыс. И еще. Если бы было возможно использовать весовые модели для других видов испытаний, то распределенные нагрузки можно было бы получать на ранних стадиях проектирования летательных аппаратов и тем ускорить весь цикл их создания.

Поиск альтернативных способов измерения распределения давления вели давно, но для практической реализации ни один не подходил. В конце 70-х годов внимание специалистов нашего института Г. Е. Первушина и Л. Д. Невского привлекли работы доцента Ленинградского технологического института И. Захарова, который исследовал тушение люминесценции органических красителей (люминофоров) молекулами кислорода. Они попытались использовать это явление для измерения распределения давления воздуха (в состав которого входит кислород) на поверхности модели в аэродинамических трубах. И опыт удался. Саму идею ученые запатентовали в 1980 г., а реализующее ее первое чувствительное к давлению покрытие (слой селикагеля с адсорбированными в нем молекулами органического люминофора) - в 1981 г. Это вещество - авторы назвали его бароиндикатором - получилось очень несовершенным, ибо с его помощью можно было только увидеть "картинку" воспринимаемых испытываемыми моделями нагрузок, но не измерять их.

Первые результаты такого визуального наблюдения распределений давления на сфере и на пластине были опубликованы в 1982 г. Однако несмотря на несовершенство этих опытов, они продемонстрировали перспективность данного направления. К его разработке были привлечены Институт химической физики АН СССР, Институт физической химии АН УССР, химические факультеты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Ленинградского и Карагандинского государственных университетов. И к концу 1989 г. было создано несколько различных типов покрытий, чувствительных к давлению (их назвали люминесцентными преобразователями давления - ЛПД). Появились средства возбуждения и цифровой регистрации интенсивности люминесценции, методика числовой обработки полученных изображений. Несколько аэродинамических труб ЦАГИ были оборудованы ЛПД.

Суть новой технологии заключена в том, что на поверхность модели тонким слоем наносят покрытие, состоящее из связующего вещества, скажем полимера, и люминофора, и помещают ее в аэродинамическую трубу, а свечение последнего генерируют возбуждающим светом. Картину распределения интенсивности люминесценции на модели наблюдают с помощью цифровых камер и регистрируют компьютером. Причем фиксируют ее дважды, сначала без нагрузки, затем с потоком воздуха на заданных режимах обтекания. Уменьшение давления приводит к большей интенсивности люминесценции, а увеличение - напротив, к ее уменьшению. Точную зависимость интенсивности люминесценции от давления определяют заранее путем процедуры калибровки ЛПД-покрытия. Важным этапом этой технологии является числовая обработка полученных в эксперименте изображений, в результате которой из картины распределения интенсивности получают картину распределения искомого давления.

В настоящее время ЛПД-технология переживает настоящий бум. Трудно найти аэродинамический центр, авиационную фирму или лабораторию, где бы ее не применяли. В США и ведущих странах Западной Европы ежегодно проводят специализированные конференции и совещания, целиком или отдельными секциями посвященные методу ЛПД.

Однако ЦАГИ, пожалуй, имеет наибольший опыт и успехи по использованию этой технологии. С ее помощью здесь проведены многочисленные испытания моделей многих отечественных и зарубежных самолетов. Впервые именно у нас применили ЛПД для изучения гиперзвуковых течений в ударной аэродинамической трубе, продолжительность режима в которой составляет всего 20 мс. Для этого разработали специальное покрытие, быстро реагирующее на изменения давления. Оно незаменимо при решении задач нестационарной аэродинамики и исследовании быстропротекающих процессов.

ЦАГИ также принадлежит приоритет в использовании ЛПД для исследований распределений давления на быстровращающихся объектах: воздушных винтах, лопастях несущих винтов вертолета, лопатках компрессоров. В дальнейшем этот метод может оказаться весьма полезным в разработках не только турбореактивных двигателей, но и турбин электростанций, компрессоров газоперекачивающих станций. Правда, тогда необходимо будет создать ЛПД-покрытия с новыми свойствами, адекватными высоким температурам и давлениям. Потребуется также усовершенствовать измерительную аппаратуру и программные средства обработки изображений. Ученые многих стран в настоящее время проводят исследования по этим направлениям.

В последние годы идет проникновение технологии люминесцентных преобразователей давления в область низких дозвуковых скоростей, характерных не только для режимов взлета и посадки летательных аппаратов, но и для автомобилестроения, промышленной аэродинамики, аэродинамики зданий и сооружений. Определение полей давления рассматриваемым методом - трудная задача, но привлекательная еще и тем, что такие измерения, как и все оптические, являются бесконтактными, не вносящими заметных искажений в изучаемый процесс. Американским ученым уже удалось получить вполне достоверные результаты при скоростях воздушного потока около 30 м/с (100 км/ч) и делаются попытки проводить измерения при скорости 10 м/с, для которой необходимы гораздо более чувствительные покрытия.

Словом, достижения ученых ЦАГИ признаны и широко используются и совершенствуются во всем мире.