Измерения удара о воду на высокой скорости

Система сбора данных при ударе о воду

Кандидат технических наук Алессандро Яфрати обратился ко мне за помощью. Ему требовалась система сбора данных для испытания удара о воду, и чем больше он говорил, тем глубже я осознавал всю серьёзность его намерений. Алессандро работает в подразделении Итальянского национального совета исследований (Consiglio Nazionale delle Ricerche — CNR) и занимается испытаниями морского транспорта с использованием как вычислительных, так и экспериментальных подходов. Институт проводит исследования кораблей, винтов, устройств возобновляемой энергии и т. д.

Самолет и вода... Алессандро имел в виду финансируемый ЕС проект FP7-SMAES («Интеллектуальный самолет в чрезвычайных ситуациях»), запущенный после аварийной посадки на воду рейса 1549 авиакомпании US Airways, также известной как «Чудо на Гудзоне». Проект направлен на лучшее понимание динамики самолета и взаимодействия жидкости с конструкцией во время удара о воду. Когда Алессандро позвонил мне в самом начале проекта, вычислительные подходы к проектированию и сертификации самолетов не были полностью надежными. Поэтому требовались полномасштабные испытания и сбор данных для дальнейшей разработки проекта и проверки вычислительных методов нового поколения.

Оборудование для испытания удара о воду на высокой скорости спроектировали и построили в исследовательском центре CNR-INM (бывшем Институте морских технологий INSEAN). Этот центр, основанный в 1927 году, расположен в юго-западном пригороде Рима, и в нём трудятся более 120 ученых, инженеров и техников.

Новое испытательное оборудование позволило CNR-INM выполнить управляемые ударные испытания пластин обшивки и 
 прочих конструктивных элементах, изготовленных из алюминия или композитных материалов. Условия эксперимента были предложены одним из партнеров проекта (Airbus Defence and Space, Мадрид), что помогло преодолеть ряд важных ограничений, которые всегда возникают при испытаниях масштабированных моделей и не позволяют охватить всю физическую картину. Совсем недавно объект был повторно использован в рамках ещё одного финансируемого ЕС проекта H2020-SARAH («Повышенная безопасность и надежная сертификация для посадки на воду самолетов и вертолетов»).

Оборудование для испытания удара о воду на высокой скорости выглядит как вагонетка американских горок, установленная вверх дном на рельсах, ведущих прямо в воду.

Оборудование для измерения удара о воду на высокой скорости

Оборудование позволяет проводить испытания с горизонтальной скоростью от 30 до 50 м/с. Оно состоит из направляющей конструкции общей длиной около 64 метров, подвешенной на пяти креплениях над 470-метровым испытательным бассейном. Направляющую можно наклонять для достижения постоянной вертикальной составляющей скорости 1,5 м/с, независимо от горизонтальной составляющей.

Испытуемые образцы и все контрольно-измерительные приборы помещаются в контейнер, плотно закреплённый в вагонетке, идущей по рельсам. Общая масса контейнера с образцом и аппаратурой составляет около 200 кг, и 900кг — вместе с вагонеткой.

Вагонетка приводится в движение пусковой установкой из 8 тяжелых эластичных канатов. Канаты прикреплены к U-образной планке, которая захватывает вагонетку и ускоряет ее до конечной скорости. Это довольно массивная конструкция, поскольку U-образная планка весит около 300 кг, а каждый эластичный канат — около 130 кг. Чтобы исключить влияние системы ускорения, незадолго до точки удара о воду у пусковой установки срабатывает тормоз, и вагонетка входит в воду без посторонней помощи. При контакте с поверхностью мощная струя воды распространяется по всей поверхности тестируемой пластины.

Для целей проектов SMAES и SARAH эксперимент заканчивается, когда струя воды — и соответствующие пики давления — достигают переднего края пластины. В момент удара модели о поверхность огромное количество воды вырывается из бассейна и во все стороны летят брызги — действительно фантастическое зрелище, которое можно наблюдать вечно. Этот эффект, а также сопротивление воды обеспечивают высокую горизонтальную нагрузку, которая снижает скорость вагонетки к концу направляющей. Оставшуюся часть энергии поглощают колеса вагонетки.

Пусковая установка с помощью лебёдки вытягивает вспомогательную вагонетку, удерживающую основную вагонетку гидравлическими клещами. Вспомогательная вагонетка оснащена двумя храповыми механизмами, которые используются во время запуска для удержания системы с помощью зубцов, расположенных на рельсах. Точка расцепления выбирается таким образом, чтобы достичь желаемой скорости удара и компенсировать потерю прочности упругих канатов. По соображениям безопасности управление испытанием происходит удаленно снаружи здания, а храповые механизмы и точку расцепления помогают контролировать две веб-камеры.

Система измерения и сбора данных на модели

Для проведения испытаний контейнер оснащается бортовой системой сбора данных, управление которой происходит через удалённый компьютер. Измерительная система состоит из надежного промышленного регистратора данных SBOX, компьютера с твердотельным накопителем объёмом 100 ГБ, 4 системами SIRIUS (8 аналоговых каналов, 8 цифровых каналов и 1 CAN) и одной системой  DEWE-43A (8 аналоговых каналов, 8 цифровых каналов и 2 порта CAN).

Измерения проводились с помощью:

• датчиков давления (до 30 датчиков, Kulite XTL 123B, полный диапазон 2МПа, частота выборки 200 кГц);

• вибрационных акселерометров (Kistler M101 и Kistler M301A, диапазон 1000 г, частота выборки 200 кГц);

• тензодатчиков (одноосные или двухосные датчики в зависимости от конкретного образца, частота выборки 200 кГц).

Суммарные силы, действующие на пластину, измеряются 4 датчиками нагрузки для вертикальных компонент (Kistler 9343A) и 2 датчиками для горизонтального направления (Kistler 9363A).

И Алессандро, и я знали, что технология SIRIUS DualCoreADC© оптимальна для получения сигнала как от тензодатчиков, так и от миниатюрных датчиков давления благодаря отличному соотношению между сигналом и шумом (160 дБ). 40 аналоговых каналов обеспечивают идеальную синхронизацию при частоте выборке 200 кГц. Технология помогает получить плавный сигнал во время удара о воду и даёт возможность  визуализировать развитие волны давления вместе с напряжениями материала и общей вертикальной нагрузкой.

В начале проекта я не был полностью уверен, что наши системы сбора данных могут пережить такой механический удар как при начальном ускорении, так и при окончательном замедлении с помощью колёс. Кроме того, в случае повреждения водонепроницаемой защиты вода, попавшая внутрь, могла бы привести к серьёзным поломкам измерительного оборудования.

Все показания хранятся в мощном регистраторе данных SBOX и передаются в конце испытания на удаленный компьютер через стандартную беспроводную локальную сеть. Перед началом сбора данных проверяется функциональность каналов, зарядное устройство и доступное пространство на диске. Несмотря на то, что соединение Wi-Fi всегда остаётся активным, подключение к удалённому компьютеру прерывается на время испытания, чтобы предотвратить случайные команды, которые могут остановить сбор данных. Подключение возобновляется в конце испытания, чтобы остановить сбор данных и загрузить полученную информацию.

Наконец, модель с приборами ускоряется до горизонтальной скорости 47 м/с. Удар о воду действительно очень сильный: даже снаружи слышен страшный шум, а записи с камер подтверждают, насколько впечатляющее зрелище представляет собой этот эксперимент.

Этот уникальный эксперимент стоил нам огромных трудов и множества бессонных ночей.
Слова Алессандро после завершения испытаний

Позже выяснилось, что даже он сомневался в осуществимости проекта:

Я не верил, что приборы Dewesoft смогут точно измерить показания во время такого сильного удара о воду, но в итоге мы провели несколько испытаний и собрали и проанализировали гигабайты данных, не потеряв ни одного образца. Полученная информация была очень полезна для партнеров, а наше испытательное оборудование зарекомендовало себя как чрезвычайно точное и надёжное.

Во время испытаний прочная алюминиевая обшивка получила лишь незначительные повреждения. Алессандро Яфрати был доволен — и теперь я с волнением жду его нового невероятного проекта.