METHODS FOR DETERMINING UNSTEADY AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF AIRCRAFT MODELS IN AERODYNAMIC EXPERIMENT

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper provides a review of methods for measuring quasi-static and unsteady aerodynamic characteristics of aircraft models in wind tunnels. It presents the requirements of transport aircraft manufacturers for aerodynamic coefficient uncertainties. Existing methods for measuring unsteady aerodynamic force and aerodynamic moment using strain-gauge balances, non-stationary pitch and roll angles using a pendulum accelerometers, and unsteady pressure in wind tunnels are considered.

About the authors

A. R Gorbushin

Central Aerohydrodynamic Institute; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: gorbushin@tsagi.ru
Zhukovsky, Russia; Dolgoprudny, Russia

References

  1. Зименков В.И., Левицкий Н.П., Воробьев И.И., Шарохин Н.И. Электрические весы для аэродинамических труб // Технический отчет по теме № 104 лаб. № 7 ЦАГИ. 1951.
  2. Богданов В.В., Волобуев В.С. Многокомпонентные тензометрические весы // Датчики и системы. 2004. № 3. С. 3–9.
  3. Козловский В.А., Лагутин В.И., Макушин А.В., Надеждин А.Е. Средства измерения сил и моментов для наземной аэрогазодинамической отработки РКТ в установках и стендах экспериментальной базы ЦНИИмаш // Авиакосмическое приборостроение. 2016. № 11. С. 37–42.
  4. Ewald B.F.R. Multi-component force balances for conventional and cryogenic wind tunnels // Meas. Sci. Technol. 2000. V. 11. Is. 6. P. 81–94. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/6/201
  5. Calibration and Use of Internal Strain-Gage Balances with Application to Wind Tunnel Testing // AIAA R091A-2020. 2020. https://doi.org/10.2514/4.106019.001
  6. Сенянский М.В., Гавриленков С.И. Метод оценки точности автоматических измерений весовых параметров транспортных средств при максимальных скоростях и осевых нагрузках // Приборы. 2021. № 9 (255). С. 44–54.
  7. Frank L. Experience relative to the interaction between balance engineer and the project engineer with regard to measurement uncertainty // Proceedings of a symposium sponsored by the National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., and held at Langley Research Center, Hampton, Virginia, USA, October 22–25, 1996. NASA/CP-1999-209101/PT1. P. 243–277.
  8. Босняков С.М., Горбушин А.Р., Курсаков И.А., Матяш С.В., Михайлов С.В., Подаруев В.Ю. О верификации и валидации вычислительных методов и программ на основе метода Годунова // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII. № 7. С. 1–17.
  9. Finley T., Tcheng P. Model attitude measurements at NASA Langley Research Center // AIAA 1992-0763.
  10. Lawrence А. Modern inertial technology: navigation, guidance, and control. 2nd ed. Springer-Verlag New York Inc. 1998. 278 p.
  11. Горбачев Н.А., Горбушин А.Р., Крапивина Е.А., Судакова И.А. Применение акселерометров для измерения углов тангажа и крена в аэродинамическом эксперименте // Измерительная техника. 2012. № 8. С. 25–28.
  12. Гаврилов А.А., Шипунов А.Н. Виброустойчивость механического акселерометра // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2013. № 3 (100). С. 308–315.
  13. Колбас Ю.Ю., Томилин А.В., Ладонкина М.В. Экспериментальные исследования погрешностей Q-FLEX и Si-FLEX акселерометров при механической вибрации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2017. № 3. С. 13–19.
  14. Бухаров К.Д., Горбушин А.Р., Карташев Ю.В., Петроневич В.В., Судакова И.А., Чернышев С.Л. Апробация весового непрерывного эксперимента в трансзвуковой аэродинамической трубе Т-128 на дозвуковых режимах // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII. № 7. С. 27–45.
  15. Rivers M.B., Rudnik R., and Quest J. Comparison of the NASA Common Research Model European Transonic Wind Tunnel test data to NASA test data (invited) // AIAA 2015–1093. 2015.
  16. Беговщиц В.Н., Кабин С.В., Колинько К.А., Нуштаев П.Д., Храбров А.Н. Метод свободных колебаний на упругом шарнире для исследования нестационарных аэродинамических производных при трансзвуковых скоростях потока // Ученые записки ЦАГИ. 1996. Т. XXVII. № 3–4. С. 39–49.
  17. Липницкий Ю.М., Мацюра Е.В., Покровский А.Н. Сверхзвуковое обтекание острого конуса, колеблющегося около нулевого угла атаки // Изв. РАН. МЖГ. 1998. № 6. С. 124–136.
  18. Козловский В.А. Экспериментальное определение в аэродинамических трубах методом свободных колебаний характеристик демпфирования спускаемых в атмосфере планет аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2005. № 1 (38). С. 81–94.
  19. Burt G.E., Uselton J.C. Effect of sting oscillations on the measurement of dynamic stability derivatives in pitch and yaw // AIAA 74–612. 1974.
  20. Bighashdel A., Zare H., Pourtakdoust S.H., and Sheikhy A.A. An analytical approach in dynamic calibration of strain gauge balances for aerodynamic measurements // IEEE Sensors Journal. 2018. 18 (9) P. 3572–3579. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2815762
  21. Wissman J., Perez-Rosado A., Edgerton A., Levi B.M., Karakas Z.N., Kujawski M., Philipps A., Papavizas N., Fallon D., Bruck H.A., and Smela E. New compliant strain gauges for self-sensing dynamic deformation of flapping wings on miniature air vehicles // Smart Mater. Struct. 2013. 22 (085031). hpttps://doi.org/10.1088/0964-1726/22/8/085031
  22. Котов М.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И., Суржиков С.Т. Проведение экспериментов по обтеканию моделей в гиперзвуковой ударной аэродинамической трубе // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Т. 14. Вып. 4. C. 1–6.
  23. Латыпов А.Ф. Динамический метод определения аэродинамических характеристик моделей по результатам экспериментов в аэродинамических трубах кратковременного действия // ПМТФ. 2006. Т. 47. № 5. С. 47–55.
  24. Козловский В.А., Липницкий Ю.М. Нестационарные аэродинамические характеристики возвращаемых аппаратов сегментально-конической формы // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4–3. С. 860–862.
  25. Bernstein L. Force measurements in short-duration hypersonic facilities // AGARDograph 214. 1975.
  26. Mee D.J. Dynamic calibration of force balances for impulse hypersonic facilities // Shock Waves. 2003. 12. P. 443–455. https://doi.org/10.1007/s00193-003-0181-6
  27. Vadassery P., Joshi D.D., Rolim T.C., and Lu F.K. Design and testing of an external drag balance for a hypersonic shock tunnel // Measurement. 2013. 46 (7). P. 2110–2117. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.03.011
  28. Ying B., Changchuan X., Chao A., and Chao Y. Gust load alleviation wind tunnel tests of a large-aspect-ratio flexible wing with piezoelectric control // Chin. J. Aeronaut. 2017. 30 (1). P. 292–309. https://doi.org/10.1016/j.cja.2016.12.028
  29. Corkery S.J., Babinsky H., and Harvey J.K. On the development and early observations from a towing tank‑based transverse wing–gust encounter test rig // Exp Fluids. 2018. 59. P. 135. https://doi.org/10.1007/s00348-018-2586-0
  30. Panta A., Watkins S., and Clothier R. Dynamics of a Small Unmanned Aircraft Parachute System // J. Aerosp Tecnol Manag. 2019. V. 10.
  31. Gorbushin A.R. Pioneering Russian wind tunnels and first experimental investigations, 1871–1915 // Progress in Aerospace Sciences. 2017. 95С. Р. 99–139. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2017.10.003__
  32. Bulletin de l’Institut aérodynamique de Koutchino. Fasc. I–V. Moscow, 1906–1914. Fasc. VI. Paris, 1920.
  33. Young C., Popernack T., and Gloss B. National Transonic Facility model and model support vibration problems // AIAA-90-1416. 1990.
  34. Buehrle R.D., Young C.P., Balakrishna S., and Kilgore W.A. Experimental study of dynamic interaction between model support structure and a High Speed Research Model in the National Transonic Facility // AIAA-94-1623. 1994.
  35. Бертынь В.Р., Овсянников Н.А., Юшков И.И. Методика тарировок и обработки результатов испытаний на многокомпонентных весах тензометрического типа в аэродинамических трубах // Технические отчеты ЦАГИ. 1963.
  36. Wang Y., Liu Y., and Jiang Z. Design of a pulse-type strain gauge balance for a long-test-duration hypersonic shock tunnel // Shock Waves. 2016. 26. Р. 835–844. https://doi.org/10.1007/s00193-015-0616-x
  37. Gounko Yu.P., Kharitonov A.M., Latypov A.F. et al. Technique for determination of heat fluxes and force characteristics of ramjet/scramjet models in a hot-shot wind tunnel // Proc. of the 10th Intern. conf. on the methods of aerophys. res., Novosibirsk – Tomsk, 9–16 July 2000. Novosibirsk: Publ. House of Siberian Branch of Russ. Acad. of Sci., 2000. Pt 3. P. 51–56.
  38. Sahoo N., Suryavamshi K., Reddy K.P.J., and Mee D.J. Dynamic force balances for short-duration hypersonic testing facilities // Exp Fluids. 2005. 38. P. 606–614. https://doi.org/10.1007/s00348-005-0932-5
  39. Abdel-jawad M.M., Mee D.J., and Morgan R.G. New calibration technique for multiple- component stress wave force balances // Rev. Sci. Instrum. 2007. 78 (6). https://doi.org/10.1063/1.2744235
  40. Богданов В.В., Ромашкин С.Т. Многокомпонентные весовые измерительные системы для импульсной аэродинамической трубы ЦАГИ // Труды ЦАГИ. 1974. Вып. 1599. С. 3–18.
  41. Гродзовский Г.Л. Информационные характеристики аэродинамических тензометрических систем // Ученые записки ЦАГИ. 1979. Т. Х. № 4. С. 79–89.
  42. Богданов В.В., Дроздов С.М., Казанский Р.А. Исследование по созданию многокомпонентных весов с улучшенными динамическими характеристиками для аэродинамических труб кратковременного действия // Датчики и системы. 2006. № 1 (80). С. 15–21.
  43. Маслов А.А., Старов А.В., Цырюльников И.С. Применение акселерометров при измерении аэродинамических сил в установках кратковременного действия // Сибирский физический журнал. 2022. Т. 17. № 3. С. 22–28.
  44. Ying B., Changchuan X., Chao A., and Chao Y. Gust load alleviation wind tunnel tests of a large-aspect-ratio flexible wing with piezoelectric control // Chin. J. Aeronaut. 2017. 30 (1). P. 292–309. https://doi.org/10.1016/j.cja.2016.12.028
  45. Gorbushin A.R., Bolshakova A.A. Unsteady axial force measurement by the strain gauge balance // Measurement. 2020. 152С. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381
  46. Gorbushin A.R., Kozik A.E., and Anokhina E.N. Non-stationary load measurement using six-component straingauge balances // Measurement. 2024. 226. 114176. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114176
  47. Beitia J., Loisel P., Fell C., and Okon I.M. Miniature accelerometer for high-dynamic, precision guided systems // 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). 2017. St. Petersburg. P. 1–6.
  48. Marshall R., Landman D. An Improved Method for Determining Pitch and Roll Angles using Accelerometers // AIAA 2000-2384. 2000.
  49. Fuijckshot P.H. Looking for the last drag count model vibrations vs. drag accuracy // NLR TP. 1996. 9648.
  50. Yin G., Jiang H., Xie Y., Li P., Zhao L., and Yang Z. Vibration effect correction method of inclinometer in intermittent transonic wind tunnel // Sensors and Actuators A: Physical. 2021. V. 331. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112938
  51. Gorbushin A.R., Kozik A.E. Novel method for measuring non-stationary pitch and roll angles with a pendulous accelerometer in the presence of vibrations // Measurement. 2023. 223, 113724. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113724
  52. Panda J., Garbeff T.J., Burnside N.J., and Ross J.C. Unsteady pressure fluctuations measured on a hammerhead space vehicle and comparison with Coe and Nute’s 1962 data // Int. J. Aeroacoust. 2018. 17 (1–2). P. 70–87. https://doi.org/10.1177/1475472X17743626__
  53. Haghdoost M.R., Thethy B.S., Edgington-Mitchell D., Habicht F., Vinkeloe J., Djordjevic N., Paschereit C.O., and Oberleithner K. Mitigation of pressure fluctuations from an array of pulse detonation combustors // ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. 2021. 143 (7). https://doi.org/10.1115/1.4049857
  54. Tsutaya K., Liu Z., Kubo M., and Miyagawa K. Mitigation method for pressure fluctuations induced by acoustic resonance // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. 1909. 012038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1909/1/012038
  55. Seifert A.A., Pack L.T. Oscillatory excitation of unsteady compressible flows over airfoils at flight Reynolds numbers // AIAA 1999-0925. 1999.
  56. Giovanangeli J.P. A new method for measuring static pressure fluctuations with application to wind-wave interaction // Exp Fluids. 1988. 6. P. 156–164.
  57. Panton R.L., Lee M., and Moser R.D. Correlation of pressure fluctuations in turbulent wall layers // Physical Review Fluids. 2017. 2. 094604. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.094604
  58. Duan L., Nicholson G.L., Huang J., Casper K.M., Wagnild R., and Bitter N. Direct numerical simulation of nozzlewall pressure fluctuations in a Mach 8 wind tunnel // AIAA 2019-0874. 2019. https://doi.org/10.2514/6.2019-0874
  59. Wagner A., Schülein E., Petervari R., Hannemann K., Ali S., Cerminara A., and Sandham N. Combined freestream disturbance measurements and receptivity studies in hypersonic wind tunnels by means of a slender wedge probe and direct numerical simulation // J. Fluid. Mech. 2018. 842. P. 495–531. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.132
  60. Dunham J. A probe for measuring fluctuating flows in axial compressors // J. Sci. Instrum. 1962. 39. 328.
  61. Ayers G., Hooser M., Black D., and Leader A. Exploration of dynamic rocket sled modeling parameters at Holloman High Speed Test Track // AIAA 2009-1707. 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-1707
  62. Wuest W. Pressure and flow measurement – flight testing // AGARD-AG-160. Vol. 11. 1980.
  63. Громыко Ю.В., Поливанов П.А., Сидоренко А.А., Бунтин Д.А., Маслов А.А. Экспериментальное исследование естественного шума гиперзвуковой аэродинамической трубы “Транзит-М” // Теплофизика и аэромеханика. 2013. № 4. С. 491–504.
  64. Grossir G., Paris S., Bensassi K., and Rambaud P. Experimental characterization of hypersonic nozzle boundary layers and free-stream noise levels // AIAA 2013-1130. 2013. https://doi.org/10.2514/6.2013-1130
  65. Tsuji Y., Ishihara T. Similarity scaling of pressure fluctuation in turbulence // Physical Review E. 2003. 68. 026309. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.026309
  66. Helmholtz H. On the sensations of tone as a physiological basis for the theory of music. 3rd ed. Cambridge Library Collection — Music: A. Ellis, Trans. Cambridge: Cambridge University Press. 2009. https://doi.org/10.1017/CBO9780511701801
  67. Theodoro F.R.F., Reis M.L.C.C., and d’ Souto C. An overview of the dynamic calibration of piezoelectric pressure transducers // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. 975 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/975/1/012002
  68. Brandão R., Schnitzer O. Acoustic impedance of a cylindrical orifice // J. Fluid. Mech. 2020. 892. A7. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.187
  69. Деревянко В.А., Кукушкин С.В., Латыпов А.Ф. Метод восстановления давления в потоке газа по данным измерений в аэродинамических трубах кратковременного действия // ПМТФ. 2014. Т. 55. № 6. С. 74–83.
  70. Gorbushin A.R., Anokhina E.N., and Stolyarov E.P. Unsteady pressure measurement in the presence of a cavity between the sensor and the flow // Sensors and Actuators A: Physical. 2023. 349. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.114095

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).