ЦАГИ – лидер в области аэрофизических измерений

В Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н.Е. Жуковского активно разрабатывается, совершенствуется и внедряется измерительное оборудование. Оно позволяет создателям авиационно-космической техники наблюдать за своими творениями на земле, а затем улучшать их характеристики для более эффективной и безопасной эксплуатации в реальных условиях.

ЦАГИ занимает лидирующие позиции в метрологической и измерительной области. Об этом говорит тот факт, что инновации института широко востребованы и в России, и за рубежом. О таких новых разработках рассказал начальник отделения измерительной техники и метрологии, главный метролог ЦАГИ Василий Петроневич.

— Василий Васильевич, в каких направлениях работы Ваше отделение добилось особенно заметных успехов за последнее время?

— Пожалуй, главное достижение в том, что мы реализовали ряд инновационных проектов. Так, в отделении получены новые результаты в области прецизионных тензометрических преобразователей, многокомпонентных аэродинамических тензовесов, специальных метрологических эталонов.

Особенно хочется отметить, что завершен важный этап по созданию многоканального модуля давления нового поколения совместно с партнерами. Он предназначен для измерения давления на поверхности модели во время аэродинамических испытаний. Работы над этим продуктом, который носит название «Inser», начались около четырех лет назад. Вместе с фирмой ООО «Драйвер» (г. Саранск) разработан 32-канальный аналоговый модуль (ММД-32). Первый опытный макетный образец был создан в 2011 году, однако на его доработку понадобилось время. Параллельно велась разработка цифрового варианта модуля. Их погрешность составляет порядка 0,05% — 0,10% — это мировой уровень. Особо отмечу, цифровой модуль — принципиально новый уровень. В нем существенно упрощается структура многоканальной измерительной системы и значительно сокращается количество кабелей связи с центральным компьютером.

В 2014 году модули ММД-32 были апробированы в промышленной трансзвуковой аэродинамической трубе (АДТ Т-128) и подтвердили свои метрологические характеристики в реальном эксперименте.

Сегодня ММД-32 серии «Inser» находятся на высоком уровне готовности. Мы уже передали всю необходимую документацию в Госстандарт, и скоро наша совместная разработка будет сертифицирована и включена в Госреестр средств измерения Российской Федерации.

Всего за три года удалось перейти от опытного макетного образца к готовому продукту, то есть создать фактически новое поколение многоканальных средств измерения давления. Это очень весомый результат в области отечественного приборостроения.

Наряду с ЦАГИ, этими модулями уже оснащены экспериментальные установки МКБ «Радуга», ФГУП «СибНИИА» и МФТИ.

— В чем же преимущества модулей нового поколения?

— Главное их достоинство — габариты. При сопоставимой точности они примерно в 3 раза меньше по объему, чем другие аналоги, в том числе и зарубежные. Это позволяет увеличивать количество точек измерения, размещать оборудование в элементах конструкций малых размеров и, соответственно, повысить экономичность и информативность эксперимента.

Наличие термостабилизаторов в модулях нового поколения — еще одно преимущество разработки. Известно, что для повышения точности температура модулей в процессе исследований должна быть постоянной, на уровне 60? С. Раньше эти условия обеспечивались за счет крупногабаритной внешней аппаратуры и большого количества кабелей. Теперь же на модуль подается только питание. Оно обеспечивает термостабилизацию и работу датчиков и цифровой части.

— А какое оборудование использовалось раньше: отечественное или зарубежное?

— В середине 90-х годов прошлого века, для обеспечения экспериментов по распределению давления, нашим отделением был разработан собственный измерительный модуль на 24 канала ММД-24. Измерительными системами на базе этих модулей оснащены основные промышленные трубы ЦАГИ.

— Как происходит измерение с помощью модулей?

— Это небольшое устройство устанавливается в элемент конструкции модели, например, в фюзеляж. Модель дренируется, то есть в ней просверливаются маленькие отверстия, от которых к измерительному модулю подводятся тонкие трубочки. И в ходе эксперимента с помощью модулей специалисты исследуют, как распределяется давление набегающего потока по элементам конструкции.

— Чтобы измерить давление, модель в любом случае придется сверлить?

— Дренированию существует альтернатива — так называемый метод люминесцентных преобразователей давления (ЛПД. — Прим. ред.). Это единственный бесконтактный способ измерения давления на поверхности исследуемой модели. Для его реализации объект испытаний покрывают специальной краской. Она содержит молекулы люминофора, который возбуждается светом соответствующей длины волны. При изменении давления меняется и интенсивность свечения, измеряемая цифровыми камерами. Точность этого метода меньше, чем дренажа, но он позволяет увидеть с большим пространственным разрешением давление на всей исследуемой поверхности. ЦАГИ обладает приоритетом в создании этого метода. Именно в стенах института он зародился и распространился на весь мир. И сегодня мы широко используем этот метод в процессе аэродинамических испытаний в промышленных трубах для отечественных и зарубежных контрактов. В 2014 году ЦАГИ впервые применил метод ЛПД для исследования звукового удара в аэродинамической трубе. Это важный шаг на пути создания сверхзвукового гражданского самолета.

— Это своего рода наглядная визуализация обтекания объектов воздушным потоком?

— Да, мы получаем цветную картинку, но каждый цвет соответствует определенному давлению. Распределение давления можно интегрировать и получать силы, действующие на элементы конструкции летательного аппарата. Т.е. ЛПД — это количественный метод. И он, кстати, безальтернативен при испытаниях малогабаритных моделей, в которых невозможно разместить даже самые новые модули.

В области качественной визуализации у нас тоже произошло существенное продвижение. Я имею в виду жидкие кристаллы.

— Вы говорите о той технологии, которая используется в жидкокристаллических дисплеях телефонов и в современных телевизорах?

— Не совсем. Но можно сказать, что физический эффект этих двух технологий схож. В дисплеях кристаллы чувствительны к электрическому полю, а наши — к напряжению трения. Когда мы решили попробовать метод визуализации с помощью таких жидких кристаллов, оказалось, что таковые невозможно купить, их просто нет на рынке. И в 2010 году мы начали совместную работу с Институт теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН, где был опыт производства жидких кристаллов, правда, в основном чувствительных к температуре, а не к трению. Там начали разрабатывать для нас этот продукт. А мы, в свою очередь, приступили к испытаниям моделей, и созданию экспериментальных методик и измерительных систем.

— Каким образом кристаллы чувствуют изменения течения потока?

— Кристаллы, нанесенные на поверхность модели, представляют собой дифракционную решетку. С ростом напряжения трения шаг решетки увеличивается и меняется цвет света отражаемого покрытием. Это позволяет увидеть переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный, скачки уплотнения, падающие на поверхность и области отрыва потока.

Надо сказать, что силы трения в дозвуковых и трансзвуковых аэродинамических трубах разные, и могут отличаться в 100 раз. Очевидно, что нельзя одним видом кристаллов охватить все трубы, то есть для разных задач мы используем разные кристаллы, создаем новую методику. В прошлые годы мы провели полный цикл исследований метода при дозвуковых скоростях потока. А в 2014 году впервые в трансзвуковой АДТ Т-128 сделали штатную систему для визуализации жидкими кристаллами и испытали ее.

Однако, надо понимать, что методика создается не сразу — это длительный и трудоемкий процесс. Более того, перед нами стоит задача перейти от визуализации трения к количественному измерению. Это работа на годы.

— Если говорить в целом, что дают эти новые разработки и методы для авиационной отрасли?

— В результате применения этих новых методов и средств измерения исследователи получают экспериментальные данные, которые необходимы для того, чтобы совершенствовать авиационную технику, улучшать ее аэродинамические характеристики. Это позволит повысить эффективность, экономичность, экологичность и безопасность создаваемых самолетов, и, следовательно, повысить конкурентоспособность отечественной авиации.