ZNACZENIE WSPÓŁCZESNYCH ZAAWANSOWANYCH TECHNIK POMIAROWYCH DLA ROZWOJU LOTNICTWA - AIM² EU PROJECT

Transkrypt

1 ZNACZENIE WSPÓŁCZESNYCH ZAAWANSOWANYCH TECHNIK POMIAROWYCH DLA ROZWOJU LOTNICTWA - AIM² EU PROJECT Anna KUCABA-PIĘTAL Politechnika Rzeszowska, Rzeszów Fritz BODEN DLR, Getynga, Niemcy

2 AIM² EU PROJECT - KONSORCJUM 1. AIRBUS Operations SAS, Francja 2. Avia Propeller s.r.o., Czechy 3. Cranfield University, Anglia 4. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v., Niemcy (koordynator) 5. EVEKTOR, Czechy 6. Moscow Power Engineering Institute (Uniwersytet Techniczny), Rosja 7. Stichting Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium, Holandia 8. Office National d Études et de Recherches Aérospatiales, Francja 9. Piaggio Aero Industries, Włochy 10. Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Polska

3 AIM² EU PROJECT - CELE Rozwój nowych nieinwazyjnych technik pomiarowych (PIV, IPCT, IRT, FBG, LIDAR, BOS) Pomiar parametrów przepływowych i cieplnych w strudze przy powierzchni samolotu oraz deformacji powierzchni z mikroskalowa dokładnością Opracowanie standardów do wykorzystania tych technik pomiarowych dla wykonywania testów samolotów w locie na skale przemysłową Upowszechnienie zdobytej wiedzy podczas realizacji projektu będą zorganizowane warsztaty w 2013 oraz wydana książka na ten temat Podczas prac nad projektem metody te będą rozwijane i testowane na samolotach konsorcjum. Dwie z metod, IPCT oraz IRT będą testowane na samolotach Politechniki Rzeszowskiej Numeryczne obliczenia deformacji skrzydła zostaną wykonane w PRZ celem weryfikacji wyników doświadczalnych. 3

4 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) PIV służy do pomiaru chwilowych prędkości pola prędkości przepływu przy wykorzystaniu rozpraszania światła laserowego na cząsteczkach wskaźnikowych dodanych do przepływu. Metoda ta pozwala na pomiary pól prędkości przepływu w wysokich polach elektrycznych, szczególnie w przepływach turbulentnych i strukturach wirowych. W lotnictwie (PIV) jest powszechnie stosowany do określania chwilowych pól prędkości przepływu. Główną zasadą tej techniki jest obrazowanie położenia cząstek wskaźnikowych dodanych do przepływu strugi, System kamer rejestruje światło lasera rozproszone na cząstkach. Obrazy położeń cząstek są zapisywane w pamięci komputera a następnie analizowane z wykorzystaniem zaawansowanych technik analizy obrazu. W rezultacie uzyskujemy chwilowe wartości prędkości strugi.

5 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) Rysunek 1: Konfiguracja PIV w tunelu aerodynamicznym

6 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) Rysunek 2: Konfiguracja PIV na samolocie Dornier Do w DLR podczas AIM badań w locie.

7 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) Rysunek 3: Przykład chwilowego wektorowego pola prędkości otrzymanego podczas pomiarow w locie metodą PIV.

8 IMAGE PATTERN CORRELATION TECHNIQUE (IPCT) IPCT jest to optyczną technika pomiarowa deformacji kształtu i powierzchni, która opiera się na fotogrametrii w połączeniu z nowoczesnymi algorytmami korelacji opracowanych dla (PIV). Najprostsza konfiguracja IPCT składa się z jednej kamery obserwującej powierzchnię obiektu pokrytą losowo wzorem znaczników ( np. fragment skrzydła samolotu). Gdy obiekt zostanie wprawiony w stan obciążenia, spowoduje to deformację wzoru na jego powierzchni (skrzydle), co skutkuje zmiana położenia znaczników na obrazie. Cross-korelacja wzoru po deformacji z obrazem wzoru z obrazem odniesienia daje w wyniku dwu wymiarowe pole wektorowe przemieszczeń. Użycie dwóch kamer umożliwia uzyskanie trójwymiarowego obrazu deformacji. Metoda IPCT może być również stosowana do pomiaru deformacji powierzchni na szybko wirujących obiektach, takich jak np. łopaty śmigła.

9 IMAGE PATTERN CORRELATION TECHNIQUE (IPCT) Rysunek 1: Zasada pomiaru metoda IPCT (a obraz odniesienia, b obraz po deformacji, c wektory przemieszczenia)

10 IMAGE PATTERN CORRELATION TECHNIQUE (IPCT) Rysunek 2: Zasada stereoskopowych pomiarów metoda IPCT dla określania 3 wymiarowych przemieszczeń.

11 IMAGE PATTERN CORRELATION TECHNIQUE (IPCT) Rysunek 3: Przykład wykorzystania pomiaru IPCT do okreslenia odchylenia skrzydła Piaggio P180 podczas lotu (na lewo - zarejestrowany obraz skrzydła podczas lotu; na prawo - obliczona metodą IPCT na podstawie tych zdjęć 3D deformacja skrzydła) IPCT

12 IMAGE PATTERN CORRELATION TECHNIQUE (IPCT) Rysunek 4: Pomiar w locie deformacji łopatki śmigła samolotu Piaggio P180 ( 2000 rpm), na lewo zarejestrowana para zdjęć łopatki, po prawej - zdeformowana powierzchnia obliczona metoda IPCT. IPCT

13 BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN (BOS) Jest to metoda pozwalająca n wizualizację gradientów gęstości ośrodka [4]. Wykorzystuje ona zjawisko odchylania promieni świetlnych przy zmianie indeksu refrakcji ośrodka. Związek pomiędzy zmianą indeksu refrakcji ośrodka czyli tzw. współczynnikiem załamania światła i gęstością ośrodka jest opisany równaniem Lorenza-Lorentza zgodnie z prawem Gladstone a Dela. Wizualizowane gradienty gęstości ośrodka mogą być spowodowane ściśliwością powietrza, nierównomiernym rozkładem temperatury czy tez procesami mieszania rożnych składników. W Technice BOS układ optyczny składa się z kamery zogniskowanej na tle, na którym umieszczone zostały stochastycznie (losowo) znaczniki. Jeśli teraz obiekt wywołujący gradient gęstości umieścimy pomiędzy kamera a tłem to pozycja znacznika na tle w polu widzenia kamery ze względu na zmianę współczynnika załamania światła będzie w obrazie przesunięta w stosunku do referencyjnego położenia bez gradientu gęstości. Lokalne przesunięcia znaczników będących elementami wzoru punktowego są następnie określone przez cross-korelacje obrazów zapisu pomiarów w niezakłóconym i referencyjnym wzorcu tła obliczane i uzyskujemy na tej podstawie wykresy gradientów gęstości.

14 BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN (BOS) Rysunek 1: Szkic konfiguracji BOS

15 BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN (BOS) Rysunek 2: Wizualizacja strugi z silnika startującego odrzutowca metodą BOS (na lewo: obraz referencyjny, w środku: obraz podczas startu, na prawo: wynik obliczeń na podstawie obrazów: - struga uwidoczniona kolorami: czerwonym i niebieskim) x

16 FIBER BRAGG GRATING METHOD (FBG) Jest to metoda [6] wykorzystująca odcinki włókien światłowodowych w światłowodowych czujnikach (FOS), do wykrycia zmian odkształcenia, ciśnienia i temperatury w lokalnym otoczeniu wokół tychże włókien. Mierzone wielkości takie jak odkształcenie lub ciśnienie statyczne są określane na podstawie identyfikacji wartości długości fali odbitej. Światłowodowe czujniki (FOS) były intensywnie badane przez ostatnie 3 dekady, i oferują szereg istotnych zalet w porównaniu z konwencjonalnym urządzeniami do pomiaru ciśnienia. Ich zaletą są małe wymiary (zazwyczaj mikrometra średnicy), niska waga, duży zakres temperatury pracy i mają wysoce elastyczne struktury - 0,2 mm

17 Rysunek 1: Przykład rozszczepienia ze wzgl. na długość fali tablica FBG czujników. Każde pudełko reprezentuje jeden FBG którego kolor oznacza fale, o określonej długości, którą odbija Rysunek 2: (a) Schemat dzialania FBG (b) spektrum fali odbitej

18 INFRARED THERMOGRAPHY (IRT) Metoda opiera się na pomiarze promieniowania podczerwonego powierzchni i umożliwia globalne określenie oraz wizualizację rozkładu temperatury powierzchni z dużą dokładnością. W badaniach aerodynamicznych termografia służy głownie do badań warstwy przyściennej. Ze względu na skok wartości naprężenia a w następstwie wartości współczynnika przenikania ciepła przy przejściu laminarnej warstwy w turbulentną, metoda ta pozwala zarówno na wykrywanie i wizualizację przejścia przepływu w warstwie przyściennej z laminarnego w turbulentny, jak również na wizualizację separacji strugi, a w niektórych przypadkach także wirów.

19 INFRARED THERMOGRAPHY (IRT) Rysunek 1: DLR szybowiec Janus ze zmodyfikowana powierzchnia skrzydła i kamerą IR Rysunek 2: Zdjęcie w podczerwieni (IRT) Iewego skrzydła szybowca Janus obrazujące przejście warstwy laminarnej w turbulentną

20 LIDAR Jest to metoda umożliwiająca bardzo precyzyjny i zdalny pomiar prędkości strugi. Metoda wykorzystuje zjawisko Dopplera dla fali świetlnej rozpraszanej na naturalnych aerozolach. Laser wysyła poprzez specjalny układ optyczny bardzo krótkie i dokładnie odmierzone, ale silne impulsy światła o konkretnej długości fali i w określonym kierunku. Pomiar opiera się ona na określeniu wielkości przesunięcia fali świetlnej (uzyskanej z jednego lasera), który odbija się na naturalnych aerozoli atmosferycznych. Zmiana częstotliwości jest proporcjonalna do prędkości przepływu powietrza i jest wykrywana za pomocą interferometru.

21 Rysunek 1: LIDAR anemometer na pokładzie Dauphin 6075 podczas prob DALHEC Rysunek 2: Konfiguracja LIDAR dla wykrywania wirów spływających z końcowek helikoptera.

22 PODSUMOWANIE Istotnym elementem modyfikacji samolotu czy nowej konstrukcji są testy w locie, niezbędne do weryfikacji konstrukcji oraz do do uzyskania certyfikacji. Znaczenie badań w tym aspekcie wymienionych technik pomiarowych jest tutaj nie do przecenienia, zaś rozwijanie niezawodnych i łatwych w użyciu dedykowanych systemów pomiarowych pozwoli na skrócenie czasu testowania samolotów oraz obniży koszty tych badań. Ograniczenie godzin lotów samolotów testowych pozwoli również na zminimalizowanie skutków środowiskowych w wyniku mniejszej ilości spalanego paliwa.

23 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ