RU2371693C1

RU2371693C1 - Method of determining drag coefficient of analysed body in rarefied medium and device to this end

Info

Publication number: RU2371693C1
Application number: RU2008104183/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Кривоцюк (RU); Виктор Иванович Кривоцюк; Валерий Александрович Меньшиков (RU); Валерий Александрович Меньшиков; Сергей Васильевич Пушкарский (RU); Сергей Васильевич Пушкарский; Владимир Георгиевич Пшеняник (RU); Владимир Георгиевич Пшеняник; Дмитрий Александрович Щеренко (RU); Дмитрий Александрович Щеренко
Original assignee: Виктор Иванович Кривоцюк
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-10-27
Also published as: RU2008104183A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method involves placing an analysed body into a gas medium, mechanically linked with a first standard body into a single unit and measurement of the interacting force between the said bodies. A second standard body is also put into the gas medium linked by a mechanical link, which is collinear to the first mechanical link, with the analysed body and the first standard body into a single unit. The interaction force between the second standard body and the analysed body is determined and, based on the measured interaction forces between the analysed body and the first and second standard bodies, the drag coefficient of the analysed body is determined. The device has a gas medium where the analysed body is put, a first standard body, linked to the analysed body by a mechanical link, a second standard body, linked by a second mechanical link to the analysed body, a first device for measuring force arising in the first mechanical link, a second device for measuring force arising in the second mechanical link, an arresting device and a computing device. The first and second standard bodies are in form of flat plates with the same coating or same degree of surface machining.

EFFECT: increased accuracy and elimination of the need for measuring deceleration of the body, lying the range of small and ultra-small values.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области экспериментальной газоаэродинамики и может быть использовано для определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела в разреженной среде.The invention relates to the field of experimental gas aerodynamics and can be used to determine the drag coefficient of the investigated body in a rarefied medium.

Известен способ определения коэффициента лобового сопротивления твердого тела путем его продувки в аэродинамической трубе, авторское свидетельство СССР №377660, кл. G01М 9/00, 1973 г.There is a method of determining the drag coefficient of a solid by blowing it in a wind tunnel, USSR author's certificate No. 3777660, class. G01M 9/00, 1973

Недостатком данного способа является ограниченная возможность проведения продувок исследуемых тел в свободномолекулярном потоке газовой среды, так как само создание наземных аэродинамических установок, воссоздающих свободномолекулярное обтекание исследуемых объектов, представляет собой чрезвычайно сложную научно-техническую проблему, практически неразрешимую на современном этапе развития науки и техники.The disadvantage of this method is the limited ability to purge the bodies under study in a free molecular flow of a gas medium, since the very creation of ground-based aerodynamic installations that recreate a free-molecular flow around the studied objects is an extremely complex scientific and technical problem that is practically unsolvable at the present stage of development of science and technology.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбранному в качестве прототипа является способ определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела, заключающийся во введении в газовую среду исследуемого тела, механической связью объединенного с эталонным телом, выполненным в виде пластины, спрофилированной по участку сопряженной с ней поверхности исследуемого тела, измерении силы взаимодействия между телами, измерении ускорения торможения системы из двух тел вдоль механической связи между ними и определении по результатам этих измерений искомого коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела, патент РФ №2006808, кл. 5 G01М 9/00, 1994 г.The closest in technical essence to the claimed invention and selected as a prototype is a method for determining the drag coefficient of a test body, which consists in introducing into the gaseous medium a test body combined mechanically with a reference body made in the form of a plate profiled over a portion of the surface mating with it body under study, measuring the force of interaction between bodies, measuring the acceleration of braking of a system of two bodies along a mechanical connection between them determining based on the results of these measurements are desired coefficient frontal studied body resistance RF patent №2006808, Cl. 5 G01M 9/00, 1994

Недостатком прототипа является сравнительно низкая точность и сложность в технической реализации, связанная с необходимостью измерять ускорения торможения исследуемых тел, лежащие в диапазоне малых и сверхмалых величин (10^-6-10^-9 м/с² и менее). В таблице 1, для примера, приведены материалы расчетных оценок по диапазонам возможного изменения величин ускорений торможения и величин сил в механической связи в зависимости от высоты круговой орбиты низкоорбитального космического аппарата (КА) для случая, когда исследуемое тело - КА - имеет массу 5000 кг и площадь характеристического сечения 5 м², а эталонное тело выбирается массой 5 кг и площадью характеристического сечения 2 м. Эти оценки получены с использованием данных динамической модели атмосферы, определяемой ГОСТ 22721-77 для минимума и максимума солнечной активности.The disadvantage of the prototype is the relatively low accuracy and complexity in technical implementation, associated with the need to measure the acceleration of braking of the studied bodies, lying in the range of small and ultra-small values (10 ^-6 -10 ^-9 m / s ² or less). Table 1, for example, shows materials of calculated estimates for the ranges of possible changes in the values of braking accelerations and values of forces in mechanical communication, depending on the height of the circular orbit of the low-orbit spacecraft (SC) for the case when the investigated body - SC - has a mass of 5000 kg and characteristic-sectional area of 5 m ^2, and the reference body is selected mass 5 kg and an area of the characteristic section of 2 m. These estimates are obtained using a dynamic data model of the atmosphere, determined to GOST 22721-77 least and maximum solar activity.

Таблица 1Table 1 Диапазоны возможного изменения величин ускорений торможения и сил в механической связи в зависимости от высоты орбиты КАRanges of possible changes in the values of braking accelerations and forces in mechanical coupling, depending on the spacecraft orbit Высота орбиты КА, кмSpacecraft orbit, km Диапазон возможного изменения величины ускорения торможения КА, м/с² The range of possible changes in the value of the acceleration of deceleration of the spacecraft, m / s ² Диапазон возможного изменения величины силы в связи, млНThe range of possible changes in the magnitude of the bond strength, mlN 180180 (2,2…4,5)·10^-5 (2.2 ... 4.5) · 10 ^-5 31.35…64.1331.35 ... 64.13 200200 (9,8…25)·10^-6 (9.8 ... 25) · 10 ^-6 13,96…35,6313.96 ... 35.63 300300 (3,4…27)·10^-7 (3.4 ... 27) · 10 ^-7 4,85…38,484.85 ... 38.48 400400 (2,3…46)·10^-8 (2.3 ... 46) · 10 ^-8 0,32…6,560.32 ... 6.56 500500 (2,2…12)·10^-9 (2.2 ... 12) · 10 ^-9 0,03…0,170.03 ... 0.17

Из данных таблицы 1 следует, что приведенные в ней величины силы в механической связи вполне доступны для измерения существующими техническими средствами с погрешностями не хуже 0,1…0,5%. В то же время измерение ускорений, лежащих в диапазоне малых и сверхмалых величин, при современном уровне развития измерительной техники этой физической величины, представляется крайне сложной научно-технической задачей. По крайней мере, на сегодняшний день отечественных средств измерения такого класса практически нет, в том числе из-за отсутствия развитой системы метрологического обеспечения такой физической величины, как ускорение для диапазона малых и сверхмалых величин (научно-технический отчет «Теоретическое обоснование и исследование сейсмоинвариантных методов поверки и градуировки микроакселерометров для космических аппаратов в наземных условиях», НИР «Комплекс - М», НИИ космических систем - филиал ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, г.Юбилейный Московской области, 2007).From the data of table 1 it follows that the magnitudes of the force in mechanical coupling given in it are quite accessible for measurement by existing technical means with errors not worse than 0.1 ... 0.5%. At the same time, the measurement of accelerations lying in the range of small and ultra-small quantities, at the current level of development of the measuring technique of this physical quantity, seems to be an extremely difficult scientific and technical task. At least today, there are practically no domestic measuring instruments of this class, including due to the lack of a developed system of metrological support for such a physical quantity as acceleration for a range of small and very small quantities (scientific and technical report “Theoretical substantiation and study of seismically invariant methods” verification and calibration of microaccelerometers for spacecraft in ground conditions ", Research Center" Complex - M ", Research Institute of Space Systems - a branch of the State Scientific and Technical Center named after MV Khrunichev, Yubileiny Moskovsk th field, 2007).

Целью настоящего изобретения является повышение точности и исключение необходимости измерения ускорений торможения тел, лежащих в диапазоне малых и сверхмалых величин. Поставленная цель достигается тем, что в газовую среду вводят второе эталонное тело, второй механической связью, коллинеарной первой, объединенное в одно целое с исследуемым телом и первым эталонным телом, и дополнительно определяют силу взаимодействия между вторым эталонным телом и исследуемым телом.The aim of the present invention is to improve the accuracy and eliminating the need to measure the braking acceleration of bodies lying in the range of small and ultra-small values. This goal is achieved by the fact that a second reference body is introduced into the gaseous medium, a second mechanical bond, collinear to the first, integrated into the whole with the body under study and the first reference body, and the interaction strength between the second reference body and the body under study is additionally determined.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ.Figure 1 presents the device that implements the method.

Оно содержит исследуемое тело 1, первое эталонное тело 2, второе эталонное тело 3, первую механическую связь 4 между первым эталонным телом 2 и исследуемым телом 1, вторую механическую связь 5 между вторым эталонным телом 3 и исследуемым телом 1, первый измеритель 6 силы, возникающей в первой механической связи 4, второй измеритель 7 силы, возникающей во второй механической связи 5, вычислительное устройство 8, арретир 9, шахту невесомости 10, улавливатель 11.It contains the test body 1, the first reference body 2, the second reference body 3, the first mechanical connection 4 between the first reference body 2 and the test body 1, the second mechanical connection 5 between the second reference body 3 and the test body 1, the first meter 6 of the force arising in the first mechanical connection 4, the second meter 7 of the force arising in the second mechanical connection 5, the computing device 8, the arrester 9, the zero gravity shaft 10, the trap 11.

Механические связи 4 и 5, строго коллинеарные между собой и относительно оси исследуемого тела 1, вдоль которой определяется его коэффициент лобового сопротивления. Исследуемое тело 1 и эталонные тела 2 и 3 имеют различные баллистические коэффициенты. Эталонные тела 2 и 3 имеют возможность после разарретирования перемещаться вдоль механических связей 4 и 5. Для повышения точности и обеспечения универсальности устройства по применению эталонные тела 2 и 3 выполняются в виде плоских пластин, как это показано на фиг.2, где обозначения соответствуют обозначениям фиг.1, а сами пластины имеют одинаковое покрытие или степень обработки поверхности.Mechanical bonds 4 and 5, strictly collinear with each other and with respect to the axis of the investigated body 1, along which its drag coefficient is determined. The test body 1 and the reference bodies 2 and 3 have different ballistic coefficients. Reference bodies 2 and 3 have the ability to move along mechanical bonds 4 and 5 after sizing. To increase the accuracy and universality of the device for use, reference bodies 2 and 3 are made in the form of flat plates, as shown in FIG. 2, where the symbols correspond to the symbols of FIG. .1, and the plates themselves have the same coating or degree of surface treatment.

Для обеспечения статической устойчивости плоских пластин 2 и 3 механические связи 4 и 5 выполняются в виде трех и более жестких измерительных стержней, равномерно и симметрично закрепляемых на стенках каждой плоской пластины 2 и 3, при этом используются измерители сил в количестве, равном числу применяемых измерительных стержней, жестко закрепленные на исследуемом теле 1 (либо корпусе прибора, если способ реализуется в виде автономного измерителя).To ensure the static stability of flat plates 2 and 3, the mechanical connections 4 and 5 are made in the form of three or more rigid measuring rods, uniformly and symmetrically fixed to the walls of each flat plate 2 and 3, using force meters in an amount equal to the number of measuring rods used rigidly mounted on the test body 1 (or the device case, if the method is implemented as a stand-alone meter).

Измерители сил 6 и 7, как это показано на фиг.3, содержат подвижную шаровую опору 12, измерительный стержень 13, сравнивающий блок 14, усилитель-регулятор 15, три пары независимых друг от друга и расположенных взаимно-ортогонально электростатических детекторов 16, содержащих силовые и детектирующие электроды. Такое техническое решение по исполнению измерителей сил 6 и 7 исключает непосредственный механический контакт между телами, полностью устраняя силы трения в системах подвеса эталонных тел 2 и 3 относительно исследуемого тела 1, чем способствует повышению точности устройства.The force meters 6 and 7, as shown in FIG. 3, comprise a movable ball bearing 12, a measuring rod 13, a comparing unit 14, an amplifier-regulator 15, three pairs of mutually orthogonally electrostatic detectors 16, containing power and detecting electrodes. Such a technical solution for the execution of force meters 6 and 7 eliminates direct mechanical contact between the bodies, completely eliminating the friction forces in the suspension systems of the reference bodies 2 and 3 relative to the body under study 1, thereby increasing the accuracy of the device.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.A device that implements the proposed method works as follows.

Перед началом испытаний в память вычислительного устройства 8 вводится информация о параметрах эталонных тел и информация о массе и площади характеристического сечения исследуемого тела, определяемые перед испытаниями путем взвешивания и измерения необходимых габаритных размеров.Before starting the tests, information on the parameters of the reference bodies and information on the mass and area of the characteristic cross section of the body under study, which are determined before the tests by weighing and measuring the required overall dimensions, are entered into the memory of computing device 8.

Через некоторое время после отделения исследуемого тела 1 от верхней крыши шахты невесомости 10, находящейся под заданным разрежением, либо после его выведения путем отстрела с помощью пневмопушки в рабочую часть аэродинамической трубы, воссоздающей свободномолекулярный поток, либо после выведения на модельную полетную трассу арретир 9 по специальной команде, например, от вычислительного устройства 8 разарретирует измерители сил 6 и 7. В режиме свободного падения (полета по инерции) между эталонными телами 2 и 3 и исследуемым телом 1, в силу различия их баллистических коэффициентов, возникают силы взаимодействия (сжатия) F₁(t)и F₂(t).Some time after the separation of the test body 1 from the upper roof of the zero gravity mine 10, which is under a given vacuum, either after it is removed by shooting with a pneumatic gun into the working part of the wind tunnel, which reconstructs the free-molecular flow, or after removal on the model flight track, areretir 9 according to a special for example, from the computing device 8, it will parry force meters 6 and 7. In the free fall mode (inertia flight) between the reference bodies 2 and 3 and the body under study 1, due to azlichiya their ballistic coefficients interaction occur (compression) force F ₁ (t) and F ₂ (t).

Эти силы фиксируются измерителями сил 6 и 7 и сигналы о их величинах поступают в вычислительное устройство 8, в котором определяется искомая характеристика исследуемого тела 1 по алгоритму (научно-технический отчет «Теоретическое обоснование и исследование методов экспериментального определения коэффициентов сопротивления движению объектов в разреженных средах» по Проекту №07-01-13500, финансируемому Российским фондом фундаментальных исследований по Соглашению №07-1185/26 от 22 июня 2007 г., НИИ космических систем - филиал ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, г.Юбилейный Московской области, 2007):These forces are recorded by force meters 6 and 7, and signals about their values are sent to computing device 8, which determines the desired characteristic of the body under study 1 according to the algorithm (scientific and technical report "Theoretical justification and study of methods for the experimental determination of resistance coefficients of objects in rarefied environments for Project No. 07-01-13500, funded by the Russian Foundation for Basic Research under Agreement No. 07-1185 / 26 of June 22, 2007, the Research Institute of Space Systems - a branch of the State Scientific and Technical Center named after MV Khrunichev, Yubileyny, Moscow Region, 2007):

где: m₀, m₁, m₂ - массы, h₀, h₁, h₂ - коэффициенты лобового сопротивления, Н₀, H₁, H₂ - площади характеристических сечений исследуемого тела 1, первого 2 и второго 3 эталонных тел соответственно.where: m ₀ , m ₁ , m ₂ are masses, h ₀ , h ₁ , h ₂ are drag coefficients, Н ₀ , H ₁ , H ₂ are the characteristic cross-sectional areas of the investigated body 1, first 2 and second 3 reference bodies, respectively .

После набора необходимой измерительной информации измерители сил 6 и 7 арретируются, а с целью предотвращения разрушения устройства в целом далее задействуется система спасения, например специальный амортизационный улавливатель (для шахты невесомости), сетчатая ловушка (для аэродинамической трубы) или парашютная система (при сходе объекта с орбиты).After collecting the necessary measuring information, the force meters 6 and 7 are arrested, and in order to prevent the destruction of the device as a whole, a rescue system is then activated, for example, a special shock-absorbing trap (for a weightless shaft), a mesh trap (for a wind tunnel) or a parachute system (when the object comes off orbits).

Для определения коэффициентов лобового сопротивления исследуемого тела 1 при других углах атаки эксперимент повторяется. При этом ось чувствительности устройства, реализующего заявленный способ, определяемая направлением механических связей 4 и 5, разворачивается на заданный угол путем перемещения прибора по корпусу исследуемого тела.To determine the drag coefficients of the investigated body 1 at other angles of attack, the experiment is repeated. In this case, the sensitivity axis of the device that implements the claimed method, determined by the direction of mechanical connections 4 and 5, is rotated by a given angle by moving the device along the body of the body under study.

Claims

1. A method for determining the drag coefficient of a test body in a rarefied medium, which consists in introducing into the gas medium a test body combined mechanically with the first reference body as a whole, measuring the interaction force between these bodies, characterized in that the second standard is introduced into the gas medium body, the second mechanical bond, collinear first, combined into a whole with the studied body and the first reference body, additionally measure the strength of the interaction between the second reference elom and the test body based on the measured and the forces of interaction between the test body with first and second reference bodies is determined drag coefficient of resistance of the test body.

2. A device for determining the drag coefficient of a test body in a rarefied medium, containing a gaseous medium for introducing a test body into it, mechanically coupled to the first reference body as a whole, an arrestor and a computing device, characterized in that it further comprises a second reference body, connected by a second mechanical bond, collinear to the first, with the body under study, the first meter of the force that occurs in the first mechanical bond, the second meter of the force that occurs in the second mechanic connection, while the first and second reference bodies are made in the form of flat plates having the same coating or degree of surface treatment.

3. The device according to claim 2, characterized in that each mechanical connection is made in the form of three or more rigid measuring rods, uniformly and symmetrically mounted on the rear walls of each reference body.

4. The device according to claim 3, characterized in that each force meter is made in the form of a movable ball bearing mounted on the end of the measuring rod, the comparison unit, the amplifier-controller, three pairs of independent from each other and located mutually orthogonally electrostatic detectors containing power and detecting electrodes holding the movable ball bearing in a central position relative to the body of the force meter, the outputs of the detecting electrodes are connected to the inputs of the comparison unit, the outputs of which are yucheny to the inputs of an amplifier-regulator, which outputs are connected to inputs of the power electrodes.