Измерения параметров движения и деформации вращающихся моделей и элементов конструкции летательных аппаратов методом видеограмметрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нонкин Григорий Евгеньевич

• Нонкин Григорий Евгеньевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Нонкин Григорий Евгеньевич

1.1 Обзор литературы

1.2 Основное содержание работы

2 ОСНОВЫ МЕТОДА ВИДЕОГРАММЕТРИИ

2.1 Особенности получения изображении в объективе

2.2 Математические принципы видеограмметрии

2.3 Схема с конвергенцией изображений

3 СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ФОРМЫ И ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ

3.1 Описание способа

3.2 Лабораторные исследования

3.3 Результаты измерений

3.4 Выводы

4 ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА ДВИЖЕНИЯ ЛОПАСТИ

4.1 Математическое описание движения

4.2 Модель упругой деформации

5 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МОДЕЛИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА В АДТ ПРЕДЛОЖЕННЫМ МЕТОДОМ

5.1 Исследование движения модели несущего винта вертолета в АДТ Т-105

5.2 Исследование движения модели несущего винта в АДТ Т-104

6 СРАВНЕНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ ВИДЕОГРАМЕТРИИ И СТОРОННЕЙ СТЕРЕОСИСТЕМЫ

6.1 Стереограмметрическая система

6.2 Описание лабораторного эксперимента

6.3 Обработка штатным программным обеспечением стереосистемы

6.4 Обработка пакетом программ, разработанным в ЦАГИ

6.5 Лабораторные исследования

6.6 Пробные измерения деформации модели в аэродинамической трубе

6.7 Рабочие измерения положения и деформации модели в АДТ Т-128

7 МЕТОД СТЕРЕОГРАММЕТРИИ

7.1 Разделение движений

7.2 Измерения методом стереограмметрии

7.3 Наземные измерения параметров движения и деформации лопастей воздушного винта пассажирского самолета

Основные результаты и выводы работы

Список литературы

Приложение А - Патенты и Акты о внедрении

1 Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерения параметров движения и деформации вращающихся моделей и элементов конструкции летательных аппаратов методом видеограмметрии»

Актуальность работы

Форма и положение летательного аппарата относительно набегающего потока воздуха определяют его основные аэродинамические характеристики. Под действием комплекса нагрузок в потоке воздуха форма объекта изменяется, что привод к изменению требуемых аэродинамических характеристик. Для коррекции этих изменений необходимо контролировать и отслеживать движение и деформацию модели. Аэродинамические характеристики модели исследуются при испытаниях в аэродинамических трубах [1]. Оптимизация аэродинамического контура летательного аппарата проводится в модельном аэродинамическом эксперименте, в котором расчетная форма планера воплощается в модель в уменьшенном масштабе или в натуральную величину. Доводка аэродинамического профиля элементов конструкции летательного аппарата выполняется в натурном эксперименте на земле и в полете [2]. При этом постоянно повышаются требования как к точности, так и к объему измерений геометрических параметров перемещений и деформации объектов испытаний. Поэтому развитие и применение методов измерения параметров движения и деформаций элементов конструкции летательных аппаратов является одной из актуальных целей аэродинамического эксперимента в контроле, испытаниях и метрологическом обеспечении при производстве летательных аппаратов [3], [4]. В этом отношении в последнее время хорошо себя зарекомендовал оптический метод видеограмметрии.

Значительная часть агрегатов и машин в самолетостроении составляют вращающиеся механизмы такие, как воздушные винты и вентиляторы, компрессоры и турбины, несущие и рулевые винты вертолета и другие. При вращении с высокой скоростью под воздействием аэродинамических, инерционных и других нагрузок части этих механизмов могут испытывать значительные деформации, совершать колебания и вибрации [5]. Изменение формы может приводить к ухудшению функциональных характеристик, эффективности воздушного винта и экономичности силовой установки, а также

аэродинамических, прочностных и кинематических свойств частей механизмов и моделей в целом, то есть влиять на динамическую устойчивость, на нормальное функционирование и безопасность летательного аппарата [6], [7], [8], [9].

Измерения параметров движения и деформации вращающихся объектов сталкивается с большими техническими сложностями. И в этом отношении методы видеограмметрии, благодаря своей бесконтактности, информативности, неинерционности и точности становятся практически безальтернативными. Однако сложность пространственного движения в поставленной задаче не позволяет напрямую применить существующие методы и средства бесконтактных измерений, накопленные для решения задач измерения геометрических параметров «статичных» объектов [10], [11]. Поэтому метод видеограмметрии в данном случае требует совершенствования и адаптации для обеспечения бесконтактных оптических измерений параметров сложного движения и деформации вращающихся объектов.

1.1 Обзор литературы.

Традиционным методом исследований деформаций объектов является метод тензометрии [12]. В этом методе используется тензорезистивный эффект, сформулированный лордом Кельвином в 1856 году [13]. Он заключается в том, что электрическое сопротивление материала изменяется при механической деформации. В работах [14], [15] описана двухканальная система, включающая подсистемы тензометрических и оптических измерений. Метод тензометрии требует сложной и трудоемкой подготовки, из-за того, что необходимо наклеивать на поверхность модели множество тензодатчиков, а также прокладывать связующие коммуникации и систему сбора и передачи данных [16], что усложняет процесс подготовки модели и увеличивает стоимость испытаний. Вес самих датчиков и проводов может вносить погрешность, сравнимую с диапазоном измеряемых деформаций [17]. У метода тензометрии есть еще существенные недостатки - тензодатчики нельзя использовать повторно, также нет возможности оценить движение исследуемого объекта как целого.

Известно устройство, предложенное Christopher I.M. [18], и его модернизация [19]. Принцип действия основан на приеме отраженного светового потока. Устройства позволяют определять маховые колебания лопастей в полном диапазоне и угловое расстояние между соседними лопастями. Данный способ предполагает установку датчиков на объект исследований и предполагает измерение в ограниченном числе точек.

В статье [20] описана лазерная система для определения положения лопастей и характеристик деформаций. Метод, используемый в лазерной системе, основан на регистрации отраженного лазерного излучения от законцовки лопасти. В [21] описан способ, на основе сравнения перемещения исследуемой реперной точки на поверхности лопасти с длиной волны используемого лазерного излучения. В [22] приведен пример использования лазерного сканирования совместно с оптической системой при определении деформации работающего ветрогенератора. Явным недостатком систем на основе лазерного излучения можно назвать зависимость от погодных условий, оптической плотности среды и помех от посторонних источников излучения, в частности от яркости фона.

Статья [23] содержит информацию о системе измерения деформации и давления при помощи оптоволоконных датчиков. Она создана на основе низкокогерентной и фазосдвигающей интерферометрии и состоит из датчиков на основе резонаторов Фабри-Перо. Система является беспроводной, что позволяет обойтись без токосъемников и проводов, но она требует вмешательства в конструкцию модели.

Известна оптоэлектронная система, приведенная в статье [24]. Она позволяет определить параметры движения и деформации лопастей при помощи светочувствительных детекторов, принимающих излучение от светодиодов, находящихся на лопасти. Система обладает высокой точностью, но и является трудоемкой в использовании и имеет низкую надежность.

Статья [25] содержит информацию о способе определения деформации модели на основе проективной интерферометрии. В этом случае на поверхность объекта проектируется система эквидистантных параллельных линий, под

воздействием деформаций линии меняют пространственное положение. Из изменений контуров линий получают данные о деформации объекта. Данная система является сложной и имеет требования по расположению проектора и считывающей камеры, что накладывает серьёзные ограничения при применении в аэродинамических трубах с закрытой рабочей частью, то есть с ограничениями по оптическому доступу.

В решении задач аэродинамического эксперимента хорошо себя зарекомендовали методы фотограмметрии или видеограмметрии, при которых геометрические параметры объектов и их деформации определяются по фотографическим изображениям [26], [27], [28].

В работах немецких ученых [29] и российских специалистов [30] описаны видеограмметрические системы для определения деформаций лопастей в полном круге вращения по азимуту. В этом подходе измерительная система крепится на конструкцию ротора и вращается вместе с винтом. Данный способ измерения имеет высокую точность, но дает мгновенные значения деформаций, включающие как статические, так и динамические составляющие, разделение которых не реализовано.

Другой способ реализации видеограмметрии приведен в [31], в данной работе видеограмметрическая система была смонтирована вне модели и включала 8 камер, расположенных в оптических окнах аэродинамической трубы. Способ трудоемок и сложен с точки зрения расположения камер и их синхронизации. Ведь аэродинамические трубы зачастую имеют достаточно стесненное пространство для размещения измерительного оборудования и ограниченный оптический доступ. При этом камеры могут располагаться далеко друг от друга, что удлиняет линии связи. Изучение быстротекущих процессов требует крайне точной синхронизации моментов срабатывания камер, а на длинных линиях связи возникают «размывания» фронтов сигналов, а также увеличивается вероятность наведенных помех. Поэтому синхронную съемку обеспечить проблематично.

В работе [32] описан способ измерения положения вертолетного прибора при изменении нагрузок и вектора тяги винта. Работа посвящена определению

реального положения вертолетного прибора ВП-6 в аэродинамических трубах Т-104 и Т-101 ЦАГИ и определению шести компонентов положения прибора (трех линейных и трех угловых) методом видеограмметрии с использованием одной камеры и специальных маркерных точек, нанесенных на поверхность. В данной работе убрана проблема синхронизации камер, но допущение об отсутствии деформаций неприменимо к экспериментам с моделями в аэродинамических трубах и винтам.

Цели и задачи.

Целью настоящей диссертационной работы стали совершенствование и адаптация метода видеограмметрии для обеспечения бесконтактных оптических измерений параметров сложного движения и деформации вращающихся элементов конструкции ЛА в аэродинамическом эксперименте: стендовом и натурном.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Совершенствование и адаптация метода видеограмметрии для обеспечения бесконтактных оптических измерений параметров сложного движения и деформации вращающихся элементов конструкции ЛА в аэродинамическом эксперименте: стендовом и натурном;

2. Предложена и реализована дополнительная обработка результатов, полученных методом видеограмметрии, решающая следующие задачи:

• Разделение больших перемещений объекта как целого и малых перемещений точек поверхности вследствие упругих деформаций;

• Распространение результатов измерений с дискретных точек на весь диапазон движения.

3. Разработана и опробована видеограмметрическая система для бесконтактных измерений параметров движения и деформации вращающихся моделей в аэродинамических трубах и наземных испытаниях;

4. Проведено сопоставление разработанной видеограмметрической системы и сторонней стереограмметрической системы в типовом исследовании в АДТ.

Методы исследования.

В основе исследований, описанных в работе, лежат законы геометрической оптики и проективной геометрии. Программные комплексы, используемые в работе, создавались в современных инженерно-расчетных прикладных программах, таких как «Mathcad» фирмы PTC (Parametric Technology Corporation), «MatLab» компании The MathWorks и "Excel" фирмы Microsoft. Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Сопоставлением данных, полученных методом видеограмметрии, с результатами, полученными другими измерительными средствами на режимах их возможного совместного применения: оптическим квадрантом при лабораторных исследованиях, индуктивным датчиком угла при исследовании винтов в АДТ Т-105, датчиками измерения углов положения модели в АДТ Т-128;

2. Сравнением результатов, полученных методом видеограмметрии, с измерениями, выполненными сертифицированной коммерческой системой, в лабораторных исследованиях и на эродинамической трубе;

3. Разработкой и сертификацией средств метрологического контроля и калибровки видеограмметрических измерительных систем;

4. Сопоставительным анализом результатов численного моделирования движения.

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

1. Предложен способ определения трехмерных координат точек поверхности с сохранением заданных геометрических связей объекта в пространстве (патент RU 2749654);

2. Предложено решение задачи отделения малых собственных деформаций объекта от движения объекта как целого и распространения результатов на весь диапазон движения;

3. Впервые предложено метод конвергенции с использованием априорной информации применять на уровне сопоставления трехмерных координат;

4. Впервые в отечественной практике разработанный метод измерения параметров движения и деформации модели летательного аппарата с

использованием аттестованной коммерческой стереосистемы применен в аэродинамических трубах в типовом аэродинамическом эксперименте; 5. Впервые в отечественной практике выполнены измерения параметров деформации изгиба и кручения лопастей натурных воздушных винтов двухмоторного пассажирского самолета в наземных «горячих» испытаниях, получены панорамные формы махового и углового движения и спектры колебаний в диапазоне до 500 Гц, отмечены особенности движения лопастей при смене режимов и оценено влияние работы двигателей друг на друга. На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ пространственного поиска координат маркерных точек с сохранением заданных геометрических связей;

2. Метод разделения больших перемещений объекта как целого и малых перемещений точек поверхности вследствие деформации через построение параметрической гипотезы движения на основе заранее известных закономерностей;

3. Результаты измерений при исследовании моделей в потоке воздуха в АДТ ЦАГИ;

4. Результаты наземных натурных измерений параметров движения и деформации лопастей воздушных винтов пассажирского самолета.

Практическая значимость:

Результаты работы способствовали успешному выполнению ряда практических задач по измерению параметров движения и деформации моделей в рамках работ по отечественным контрактам, а именно:

1. Выполнены детальные измерения на разных режимах форм деформации изгиба и кручения, а также определение спектров колебаний лопастей винтов пассажирского самолета на стоянке в натурных полевых условиях;

2. Проведены измерения параметров движения лопасти моделей несущих винтов вертолета методом видеограмметрии с конвергенцией изображений в аэродинамических трубах Т-105, Т-104 ЦАГИ;

3. Проведены измерения параметров движения и деформации моделей лопасти

несущего винта вертолета методом стереограмметрии в аэродинамической трубе Т-105 ЦАГИ;

4. Осуществлена адаптация и внедрение коммерческой видеограмметрической системы для типового аэродинамического эксперимента по исследованию деформаций моделей при вращении по углу тангажа в потоке трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ.

Личный вклад соискателя.

Соискатель лично принимал участие в совершенствовании метода видеограмметрии для бесконтактных измерений параметров движения и деформации моделей в промышленном аэродинамическом эксперименте.

Автор самостоятельно разработал оригинальный способ определения координат объекта в пространстве, проверил его в лабораторных условиях и на практике. На основе этого способа была разработан программный комплекс, реализующий метод видеограмметрии с помощью одного или двух оптических каналов. Это в перспективе дает возможность создания авторской видеограмметрической системы.

Автор предложил способ разделения больших перемещений объекта как целого и малых перемещений точек поверхности вследствие деформаций через использование параметрической гипотезы движения.

Соискатель на ведущих ролях принимал участие в процессе внедрения сторонней видеограмметрической системы в промышленный эксперимент на трубе Т-128 ЦАГИ. Автор лично разработал программу на языке Ма1ЬаЬ для определения шести компонентов положения объекта (трех линейных и трех угловых) и определения крутки и линейной деформации модели в потоке аэродинамической трубы по полученным трехмерным координатам реперных точек.

Автор занимался разработкой программного обеспечения для обработки изображений в пакетном автоматическом режиме, что, соответственно, значительно уменьшило время обработки изображений и увеличило скорость получения результатов.

За время научной деятельности автор участвовал в подготовке отчетов о

научно-исследовательской работе, публикациях в периодических изданиях, докладах на конференциях, был в составе рабочих групп по грантам от МИИ МО и РАН.

Одна работа была особенно отмечена научным сообществом:

Измерения деформации изгиба и кручения на разных режимах, а также определение спектров колебаний лопастей винтов пассажирского самолета на стоянке в натурных полевых условиях удостоена II премии ЦАГИ за 2021 год в области экспериментальной техники, измерительных, управляющих и вычислительных систем и методики эксперимента.

Соответствие паспорту специальности.

Диссертация посвящена развитию видеограмметрических методов оптических измерений в аэродинамическом эксперименте для определения параметров движения и деформации в аэродинамическом эксперименте, что используется в задачах промышленных аэродинамических исследований объектов авиационной, ракетной и космической техники и соответствует паспорту специальности 2.5.13, а именно пунктам:

4. «Исследование влияния на технические характеристики систем и конструктивное выполнение корпуса ЛА газо- и гидродинамических процессов в проектируемых конструкциях».

10. «Технологические процессы контроля, испытаний и метрологического обеспечения при производстве летательных аппаратов, их систем и агрегатов».

Апробация работы.

Результаты работы прошли апробацию путём обсуждения на пяти международных и двух отраслевых конференциях. Наиболее значимые конференции: European Rotorcraft Forum 2019 (Варшава, сентябрь 2019г.), XIII международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, июнь 2015г.), XVI международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, июнь 2021г.), 17-я Российско-китайская научно-техническая конференция «Фундаментальные задачи аэродинамики, динамики, прочности и безопасности

полетов летательных аппаратов» (Жуковский, октябрь 2021г.), международный форум "Ключевые тренды в композитах: наука и технологии" (Москва, ноябрь 2020г.).

Основные результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из которых 4 работы в изданиях из перечня ВАК, 2 работы - в изданиях, индексируемых Scopus и 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов, выводов и списка литературы из 73 наименований. Работа содержит 140 страниц печатного текста, 85 рисунков и 12 таблиц.

1.2 Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи работы, выделена научная новизна, определены положения, выносимые на защиту, отмечены практическая значимость и достоверность результатов, приведены аргументы соответствия паспорту специальности. Проведен обзор литературы по тематике данной работы.

Глава 2 посвящена описанию основных принципов метода видеограмметрии: обозначены основные физические законы оптики и проективной геометрии, а также показаны математические выкладки, используемые в методе видеограмметрии. Изложены особенности калибровки измерительной системы, пути решения неопределенности восстановления пространственных координат, кратко описаны основные схемы измерений. Подробно дано описание с примером проведенных лабораторных исследований.

Глава 3 посвящена описанию предложенного способа измерения формы и положения объекта в пространстве, основанного на реализации схемы с конвергенцией изображений через сохранение заданных геометрических связей. Приведена информация о проведенных лабораторных исследованиях.

Глава 4 посвящена описанию проблемы разделения движений вращающегося винта как целого и собственных деформаций лопастей. Дано

решение, основанное на кинематике втулки винта с трехшарнирным креплением лопастей. Подробно описана применяемая модель упругой деформации изгиба и кручения лопастей винта.

Глава 5 посвящена применению описанной параметрической гипотезе движения лопастей при бесконтактных измерениях геометрических параметров движения моделей лопастей винтов вертолета на аэродинамических трубах ЦАГИ. Сформулированы особенности использованных видеограмметрических систем. Приведены результаты измерений в вертикальной трубе Т-105 и аэродинамической трубе Т-104.

Глава 6 посвящена сравнению измерений, проведенных предложенным методом и сторонней стереограмметрической системой. Приведены результаты сравнительных испытаний как в лабораторных условиях, так и в трансзвуковой аэродинамической трубе Т-128 на моделях крыла бесконечного размаха и модели пассажирского самолета. Оценены возможности измерения угловых параметров и деформаций кручения и изгиба. Проведен сравнительный анализ погрешностей двух вариантов измерений.

Глава 7 посвящена описанию метода видеограмметрии в варианте стереограмметрии. Отмечены особенности решения проблемы разделения движений в варианте стереограмметрии. Предложено метод конвергенции с использованием априорной информации применять на уровне сопоставления трехмерных координат. Приведены результаты измерения параметров движения и деформации модели винта вертолета в аэродинамической трубе Т-105 и наземных исследований воздушных винтов натурного пассажирского самолета на стоянке. Отмечены особенности измерений, показаны полученные результаты.

Апробация работы

Основные материалы работы докладывались и обсуждались на 1 0 отраслевых и 3 международных конференциях. Наиболее значимые выступления на конференциях:

1) 45th European Rotorcraft Forum - 2019, «Calculations and experimental studies of a helicopter rotor with elastic hub», Kirillov O, Kritsky B, Kulesh V, Mirgazov R, Shvardygulov G, Anikin V.;

2) «Бесконтактные измерения параметров движения модели лопасти несущего винта вертолета методом видеограмметрии», Галеев П.О., Кулеш В.П., Швардыгулов Г.Е., Материалы XXV научной конференции по аэродинамике, пос. Володарского, 2014г.;

3) «Videogrammrtric non-contact method of measurements of deformation of the model of helicopter's blade», Кулеш В.П., Швардыгулов Г.Е., Труды XIII Международной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков", 2015г.;

4) «Videogrammetric panoramic measurements of the parameters of motion and deformation of helicopter's blade in a wind tunnel», Kulesh V P and Shvardygulov G E, Сборник тезисов 17-й Российско-Китайской конференции «Фундаментальные задачи аэродинамики, динамики, прочности и безопасности полетов ЛА», 2021г.;

5) «Измерения параметров движения и деформации лопасти несущего винта вертолета методом стереограмметрии», Кулеш В.П., Тарасов Н.Н., Шумейко П.А., Швардыгулов Г.Е., Сборник тезисов докладов двадцать первой международной школы-семинара "МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИКИ", Евпатория, 2021г.

Публикации в изданиях ВАК РФ:

1) Ученые записки ЦАГИ "Измерения параметров движения и деформации лопасти несущего винта вертолета методом стереограмметрии", В.П. Кулеш, Н.Н. Тарасов, Г.Е. Швардыгулов, П.А. Шумейко, 2021г.;

2) Ученые записки ЦАГИ «Бесконтактные измерения геометрических параметров деформации крыла модели самолета в потоке аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ», В.П. Кулеш, К.А. Курулюк и Г.Е. Швардыгулов, 2022г.;

3) Вестник Московского Авиационного Института «Измерение параметров движения и деформации консоли крыла самолета в полете методом видеограмметрии», Кулеш В.П., Курулюк К.А., Нонкин Г.Е., Сенюев И.В., 2024г.;

4) Вестник Московского Авиационного Института «Измерения параметров движения и деформации лопастей воздушного винта натурного самолета методом стереограмметрии», Кулеш В. П., Курулюк К. А., Нонкин Г. Е., Сенюев И. В., 2024г.

Публикации Scopus:

1) Сборник материалов форума "Ключевые тренды в композитах: наука и технологии", " Non-contact measurements of composite aircraft wing prototype under load", K A Kuruluk, V P Kulesh and G E Shvardygulov, 2020г.;

2) Journal of Physics: Conference Series (JPCS), "Specifics of application of videogrammetric system Vic-3D in aerodynamic experiment", A R Gorbushin, K A Kuruluk, V P Kulesh and G E Shvardygulov, 2021.

Патенты РФ:

1) «Способ измерений формы и положения объекта в пространстве», авторы -Кулеш В.П. и Швардыгулов Г.Е., Патент РФ № 2749654, МПК G01B 11/16, бюл. №№ 17, 2021.;

2) «Устройство для измерения геометрических параметров движения и деформации вращающихся объектов», авторы - Кулеш В.П., Амосов П.Е., Сенюев И.В., Курулюк К.А., Нонкин Г.Е., Мошаров В.Е., Патент РФ RU 2808386 C1 от 28.11.2023.

2 ОСНОВЫ МЕТОДА ВИДЕОГРАММЕТРИИ

Методы видеограмметрии и фотограмметрии основаны на законах проективной геометрии, то есть на законах центральной проекции объекта в трехмерном пространстве на двумерную плоскость объектива [33]. Началом истории систематических исследований проективной геометрии можно считать конец XVIII века, а именно работу Жана-Виктора Понселе (1788-1867) - «Трактат о проективных свойствах фигур» (1813). Наибольшее влияние на развитие проективной геометрии оказали работы Штейнера (1793-1863), Штаудта (17981867) и Шаля (1793-1880) в XIX веке [34], [35].

В настоящее время в методах видеограмметрии центральную проекцию фиксируют с помощью цифровых камер в виде изображения. В аэродинамическом эксперименте обычно используют камеры, работающие в оптическом диапазоне

электромагнитных волн. Получаемые изображения представляются в растровом виде. В максимально простом представлении камеру можно описать, как устройство, имеющее приемный объектив - 1 и регистрирующую матрицу - 2, помещенную в светонепроницаемый корпус - 3 (Рис. 1). Регистрирующая матрица называется плоскостью регистрации изображения [36], она перпендикулярна оптической оси.

2.1 Особенности получения изображении в объективе

Характеристики изображений, получаемых с цифровых камер, в большой степени определяются характеристиками объектива [37]. Объектив состоит из системы собирающих и рассеивающих линз, центры которых расположены на одной прямой - оптической оси объектива. В идеальном варианте объектив является тонкой линзой, которая собирает лучи света от точки объекта в пространстве Sl, строго в точку ее образа на изображении (Рис. 2). Основными характеристиками тонкой линзы являются: фокусное расстояние, главная точка О в плоскости линзы и оптическая ось, расположенная нормально главной плоскости и пересекающая точку О. Прохождение света через тонкую линзу описывается по законам линейной оптики, расстояние от плоскости линзы до плоскости объекта (переднее рабочее расстояние) Ь1 и расстояние от линзы до плоскости изображения (заднее рабочее расстояние) Ь2 связаны между собой формулой тонкой линзы (1):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нонкин Григорий Евгеньевич, 2025 год

Список литературы

1. ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1993-2003. Физматлит, 2003.

2. Надеждин К.Д., Шарнин Л.М., Кирпичников А.П. Визуальные методы определения деформаций и напряжений на поверхности испытуемых конструкций // Вестник технологического университета. 2016. Vol. 19. No. 12. pp. 143-146.

3. Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и на дальнейшую перспективу. ФГУП "ЦАГИ", 2012.

4. Гарибальди А.В., Кулеш В.П. Бесконтактные измерения с высокой плотностью точек и формирование трехмерных числовых моделей тел сложной формы // Датчики и системы. 2010. Vol. 5. P. 54.

5. Володько А.М. Основы летной эксплуатации вертолетов. Динамика полета. Транспорт, 1986. 263 pp.

6. Кулеш В.П., Фонов С.Д. Измерение параметров движения и деформации модели самолета в аэродинамической трубе методом видеограмметрии // Ученые записки ЦАГИ, Vol. 1, No. XXIX, 1998. pp. 165-176.

7. Кулеш В.П. Бесконтактные измерения геометрических параметров формы, движения и деформации объектов в экспериментальной аэродинамике // Датчики и системы, Vol. 3, 2004. pp. 22-27.

8. Kompenhans J., Raffel M. Particle image velocimetry in aerodynamics: technology and applications in wind tunnels // Journal of visualisation, Vol. 2, No. 3/4, 2000. pp. 229-244.

9. Алесюк А.И., Шкадова В.П., Шкадов В.Я. Материалы XXIV Научно-технической конференции по аэродинамике // Влияние формы обтекаемого тела, наличия экрана и внешних воздействий на процессы развития вихревого следа. 2013. P. 28.

10. Ромасевич В.Ф., Самойлов Г.А. Практическая аэродинамика вертолетов. 51-56 pp.

11. Koulech V.P., Fonov S.D., Yakovlev V.A. Application of optical and interference methods in experimental aerodynamics // AGARD - conference proceedings, 1998. pp. 17.1-17.12.

12. Клокова Н.П. Тензорезисторы: теория, методики расчета, разработки. Машиностроение, 1990. 224 pp.

13. Дэлли Д., Райли У. Тензодатчики // In: Экспериментальная механика. Москва: Мир, 1990. pp. 78-80.

14. Прохоров П.Д. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук.

15. Анакин В.А., Ким Н.В., Прохоров П.Д. Оценка положения лопасти вертолета двухканальной системой измерений // Научный вестник МГТУ ГА, Vol. 19, No. 6, 2016. pp. 77-85.

16. Мохов В.Ф. Методики подготовки и проведения статических испытаний натурных авиационных конструкций // Труды ЦАГИ, No. 2615, 1995.

17. Марченко И.О., Гужов В.И., Хайдуков Д.С., Серебрякова Е.Е., Давыдов А.М., Поздняков Г.А. Сборник трудов XV Международной научно-практической конференции "Инновационные, информационные и коммуникационные технологии" // Бесконтактное измерение рельефа поверхности на основе методов структурированного освещения. 2018. pp. 381-386.

18. Christopher I.M. Position detector, Patent EP 0112031B1, 1987.

19. Christopher I.M. Helicopter blade position detector, Patent US 8190393B2, 2012.

20. Nagy P.B., Greguss P. Helicopter blade tracking by laser light // Optics and laser technology, December 1982. pp. 299-302.

21. Антропов В.Ф., Бураков Г.Б., Дьяченко А.С. Экспериментальные исследования по аэродинамике вертолета. Машиностроение, 1980.

22. Grosse-Schwiep M., Piechel J., Luhmann T. 2nd Conference for wind power drives // An approach for the measurement of rotor blade deformations during operation. Aachen. 2015. pp. 567-577.

23. Liu Y., Lacher A., Wang D., Purekar A., Yua M. Wireless fiber optic sensor system for strain and pressure measurements on a rotor blade // Fiber optic sensors and application, Vol. V, 2007. pp. 145-156.

24. Youwei H., Weizhen C., Yan L., Wanxin L. An optoelectronic system for the inflight measurement of helicopter rotor blades motions and strains // Optical metrology and inspection for industrial application, 2012. pp. 314-320.

25. Fleming G.A., Althoff-Gorton S. Proceedings of SPIE - The International society for optical engineering // Measurements of rotorcraft blade deformation using projection moire interferometry. 1998. pp. 149-165.

26. Бруевич П.Н. Фотограмметрия. Москва: Недра, 1990.

28. Burner A.W., Tianshu L. Videogrammetric model deformation measurement technique // Journal of Aicraft. 2001. Vol. 38. No. 4. pp. 745-754.

29. Voight A.E., Dauer J., Knaak F. 43rd European rotorcraft forum // Measurement of blade deflector of an unmanned intermeshing rotor helicopter. 2017.

30. Иншаков С.И., Кулеш В.П., Мошаров В.Е., Радченко В.Н. Видеограмметрический метод бесконтактных измерений мгновенной деформации лопастей вращающихся воздушных винтов // Ученые записки ЦАГИ, Vol. XLIV, No. 4, 2013. pp. 72-79.

31. Abrego A., Meyn L., Burner A.W., Barrows D. AHS Technical meeteing on aeromechanics design for vertical lift // Summary of full-scale blade displacement measurements of the UH-60A airloads rotor. 2016.

32. Кулеш В.П., Курулюк К.А. Материалы XXVIII научно-технической конференции по аэродинамике // Бесконтактные измерения положения вертолетного прибора в аэродинамических трубах с помощью оптического метода видеограмметрии. 2017. P. 162.

33. Евгенов С.В. Дагер, Ньепс, Тальбот. Популярный очерк об изобретателях фотографии. Кинематограф.лит, 1938.

34. Краснопевцев Б.В. Основные события в истории фотограмметрии в 19 и 20 веках.

35. Куштин В.И. История развития видеограмметрии.

36. Коатес К., Фоулер Б., Холст Г. Научные цифровые камеры // Оптоэлектрические приборы, Vol. 4, No. 58, 2016. pp. 102-110.

37. Русинов М.М. Фотограмметрическая оптика. Геодезиздат, 1962. 215 pp.

38. Андреев Л.Н., Ежова В.В. Прикладная теория аберраций. СПб: Университет ИТМО, 2020. 103 pp.

39. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. 2nd ed. Искусство, 1978. 50-52 pp.

40. Фомин А.В. Фотографические объективы. 3rd ed. Легпромбытиздат, 1987. 2325 pp.

41. Иофис Е.А. Фотокинотехника. Советская энциклопедия, 1981. 80-81 pp.

42. Brown D.C. Decentering distortion of lenses // Photogrammetric emgineering. May 1966. Vol. 3. No. 32. pp. 444-462.

43. Conrady A.E. Decentred lens-systems // Monthly notices of the royal astronomical society. 1919. Vol. 79. No. 5. pp. 384-390.

44. Сердюков В.М. Фотограмметрия. Высшая школа, 1983.

45. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Наука, 1984. 831 pp.

46. Лурье А.И. Аналитическая механика. Физматлит, 1961. 824 pp.

47. Fraser C.S. XVII Congress, International Society of Photogrammetry & Remote Sensing // Photogrammetric camera component calibration — a review of analytical techniques, Workshop on Calibration and Orientation of Cameras in Computer Vision. Washington, DC. 1992.

48. Дубиновский В.Б. Калибровка снимков. Недра, 1982. 224 pp.

49. Кулеш В.П. Способ калибровки видеограмметрических систем и контрольное приспособление для его осуществения, Патент на изобретение 2645432, 2018.

50. Show W.L., Childers B.A., Shortis M.R. The calibration of video cameras for quantative measurements // EISA. 1993. pp. 93-178.

51. Скиридов А.С. Стереофотограмметрия. Геодезиздат, 1959.

52. Fonov S.D., Kulesh V.P., Vermel V.D., Zabolujev V.F. Application of videogrammetric method for industry control of geometrical parameters of railway wheel // Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering. 1999. Vol. 027-786X/99. pp. 353-365.

53. Грибанов Д.Д., Кулеш В.П., Мартынов А.К., Орлов А.А., Фонов С.Д. Лазерно-оптический метод исследования траектории движения и изгибно-крутильных деформаций лопастей моделей несущих винтов // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Vol. XI. No. 6. pp. 88-95.

54. Кулеш В.П. Способ бесконтактных измерений геометрических параметров объекта в пространстве и устройство для его осуществления, Патент на изобретение 2551396, 2015.

55. Kuruliuk K.A., Kulesh V.P. ICMAR 2016: Proceedings of the 18th International Conference on the Methods of Aerophysical Recearch // Non-contact measurement of helicopter device position in wind tunnels with the use of optical videogrammetry method. 2016. P. 030006.

56. Кулеш В.П. Особенности применения видеограмметрии в экспериментальной аэродинамике // Измерительная техника. 2018. No. 11. pp. 34-39.

57. Кулеш В.П., Швардыгулов Г.Е. Способ измерений координат точек объекта в пространстве, Патент на изобретение RU 2749654, 2021.

58. Горбушин А.Р., Ишмуратов Ф.З., Нгуен В.Н. Исследование зависимости упругих деформаций «жестких» аэродинамических моделей от их геометрических и конструкционных параметров // Вестник Московского авиационного института, Vol. 29, No. 2, 2022. pp. 45-60.

59. Vic-3D [Электронный ресурс] URL: https://correlatedsolutions.eu/category/ products/dic-systems/vic-3d/

60. Бесконтактные датчики деформации Vic-3D [Электронный ресурс] URL: https:/ /inteltest.ru/izmerenie-deformacii/sistemy-analiza-deformacii-vic-3d/vic-3d/.

61. Фотограмметрические измерительные системы V-STARS [Электронный ресурс] URL: http://tesis.com.ru/infocenter/downloads/vstars/v_stars.pdf

62. Системы анализа деформированного состояния ARAMIS-3D Motion and Deformation Sensor [Электронный ресурс] URL: https://www.gom.com/ metrology-systems/aramis.html

63. Князь В.А. Труды юбилейной 25-й международной научной конференции ГРАФИКОН-2015 // Оптическая система захвата движения для анализа и визуализации трехмерных процессов. 2015. pp. 232-236.

64. Peters W.H., Ranson W.F., Sutton M.A., Chu T.C., Anderson J. Application of digital correlation methods to rigid body mechanics // Optical Engineering. 1983. Vol. 22. No. 6. pp. 738-742.

65. Sutton M.A., Orteu J.J., Schreier H.W. Image correlation for shape, motion and deformation measurements. Springer, 2009. 321 pp.

66. Yamaguchi I. Speckle displacement and decorrelation in the diffraction and image fields for small object deformation // Optica Acta: International Journal of Optics, Vol. 27, No. 10, 1981. pp. 1359-1376.

67. Владимиров А.П. Динамическая спекл-интерферометрия деформируемых объектов. Екатеринбург. 2002. Диссертация.

68. Vladimirov A.P., Popov D.O. Rigid Rotations of a plate and the related speckle displacements // Technical Physics Letters, Vol. 29, No. 10, 2003. pp. 855-857.

69. Диковицкий В.В., Менькова А.А. Повышение качества визуализации стереоизображений за счет изменения угла конвергенции // Труды Кольского научного центра РАН. 2016.

70. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. Диалог-МИФИ, 1998. 350 pp.

71. Шмырева В.Н., Яковлев В.А. Применение фото- и стереофотограмметрических методов в аэродинамическом эксперименте // Ученые записки ЦАГИ. 1988. Уо1. XIX. N0. 6. рр. 47-51.

72. Кулеш В.П., Тарасов Н.Н., Швардыгулов Г.Е., Шумейко П.А. Измерения параметров движения и деформации лопасти несущего винта вертолета методом стереограмметрии // Ученые записки ЦАГИ. 2021. Уо1. LП. N0. 5. рр. 77-86.

73. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Государственное издательство технико-научной литературы, 1952. 192 рр.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ки

.111

2 808 38613) С1

(51) МП К

ООЛЗ 11/16 (2И№.01}

001В11Л)3 (2№й.0[)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(52) СП К

СО/В 11/16 (2023-08); СО! Б 11/03 (2023-03)

О

щ

00 л 00 а 00

о:

(21)(22) Злят*: 2023124663. 27.09.2023

(24) Дат! начади СтгчгПСрОка дейслш* патенте: 27.09.2)023

Ли г;) рс: ис гршшн:

28.11.2023 Прнорщгецы I

(22) Даш под;............ 27.09.2023

(45) Опубликован!): 28.11.2023 Бкш. Хв 34

Адрес .1-14 переписки:

140160. Московская обл.. г. Жуковский ул. Жуковскот. 1, Отдел ннтШСНуиьни! собственности 2, ЦТТ.КПР, ФАУ "ЦАГИ". Синрнив! Лкдшш Валериевна

(72) Аа™р(ы):

Кулеш Владимир Петрович (КиХ Амосов Пал«л Евгеньевич (К1Л. СеннИЬ И вив Владимирович (ИТ I. К у рул ¡с к Ксеннв Александровна (1Ш), Нинкик Григорий ЕитеЕсьевич Г К:■. \1iHuapoB Владимир Евгеньевич (Ки)

(73) Пл'генчоиблйдАТСЛьО©:

Федеральное лвпиинное учрежде н 11С "Централ ьный аароандридипаынческий институт имеШ профессора П.Е. Жуковскот" (ФАУ ЦАГИ") (Ы1)

(56) Синеок докуиекс он, итировнккых в Отчете Ь поиске: КП 23М676 С2, 20.10.2007. ЦП 2720076 01, 23.04:2020. 1Р 2002318108 А, 31.10.2002. 014 1М1Ф7855 А, 10.122014. ОМ 205228397 и, 11.052016.

(54) Устройпво для намерения [ еоыетр! певгкнх параметров движет ш 11 деформации вращающихся о([ъектов

(57) Реферат:

1-1 юбре 1еннеО]>нкнгсн к обланл и оилпескнх Намерений 1рехмерных Лрордннат, параметров положения м Деф]рмащ1н обьектОв в прос ]ринк; гне мел ндоч видеограыне грин и чих^]' применят 1:04 я прои ми мешенных испыганшх/ии бесконсакчных намерений гейме фнческнх параметров линейнфю и угловфг<) лкнження ийолелу е ч ых вращающихся обьектон, например лопаг к-м воздушных винтов, вин гон нерг&лгш,

ПрОМЫШЛСННЫХ ЖЭГШЛЯТОрОЕ ИЛИ ИИКГОВ ветросенераторов. Технический речульгат поньппенне тОчшнли 1:<мереннй, увеличение диапашна намерении и расширение ¡I-1,шашка скорснпн нращення. У-ссрСйСтвф Додержит основание, жестко Скрепленное на валу враншклцегОСя объекта, на котором смонтированы цифровая камера, блок

еннхрокинаинп, Отметчик ¿г-шму га. а также систему гнгснческн контрастных реперов, выполненную в виде набора Отлс.м>нык верл нкальных свегоотражалелч: нанесенную на Аштрашруелун) поверхнос: ь вращающей оси объекта, и нычнслисе.льнук! систему реI н^сраини н обработки цифровых изображений, дОполиител но введены НЫнульсный »Спич ник свега, а сахже ршктаОЯЯошй отдельно датчик угдоноп) ган№ннн, механпчпЖМ (тня::анный с валом ирш I |дьишспМм объекта, ирп :лш блок синхроншаиин выпОиснен н виде логического сепаратора пм1 суды/он, а вычшелтелыная сис ]ема регистрации нобриботкн цифровых тображенш дополнена нодулеч иленшфикапни образов локальных енг[ оо ¡ражакЯЛ 7 пл.

73 С

го со о

со и со <т>

о

Главный конструктор по Ил-114 и его модификаций

М.А. Алексеев

«Ил»

2025 г.

АКТ

об использовании в ПАО «Ил» научных результатов диссертационной работы Нонкина Г.Е., представленной на соискание ученой степени

Настоящий акт подтверждает, что результаты лиссертационнои работы научного сотрудника НИО-7 ФАУ ЦАГИ Нонкина Г.Е. «Измерения параметров движения и деформации вращающихся моделей и элементов конструкции летательных аппаратов методом видеограмметрии», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 2.5.13 - «Проектирование, конструкция, производство, испытания и эксплуатация летательных аппаратов» внедрены в производственную практику ПАО «Ил», а именно:

Специализированная стереограмметрическая система и разработанные алгоритмы обработки были использованы для бесконтактных измерений методом стереограмметрии деформаций лопастей воздушных винтов ABl 12-114 в составе силовой установки самолета Ил-114-300 в наземных испытаниях. Получены числовые характеристики деформации изгиба и кручения, а также составлены спектры колебаний лопастей.

Ведущий конструктор по СУ ^^ _ И.В. Попов

кандидата технических наук