СТАТЬИ
 
 
comments
 
Флаттер
 


Алексей Чернов (AirMan), г.Подольск

Дискуссия, развернувшиеся на одной из веток форума по поводу флаттера, заставила меня написать этот маленький реферат, что бы в этом вопросе была полная ясность. Тут не надо ни чего изобретать. Всё уже доказано историей авиации, математическими моделями и лётными испытаниями.

Флаттером (от англ. flutter — дрожание, вибрация) называют сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибных и крутильных колебаний крыла, или других элементов конструкции самолёта, либо несущего винта вертолёта, возникающих при достижении некоторой скорости полёта. Энергия, необходимая для поддержания этих колебаний, доставляется встречным потоком воздуха.

Немного истории.

В начале 1930-х годах по миру прокатилась волна странных аварий при испытаниях скоростных самолётов. По воспоминаниям Героя Советского Союза, заслуженного лётчика-испытателя Марка Лазаревича Галлая, очевидцы наблюдали почти одну и ту же картину: самолёт летел нормально, как вдруг какая-то неведомая сила, будто взрывом, разрушала машину. Однако никаких следов взрыва, копоти на упавших обломках не оказывалось. Пилоты, которым посчастливилось выжить, говорили о появлении перед катастрофой интенсивных вибраций нарастающей амплитуды. Таинственное и грозное явление назвали «флаттер».

Немного теории.

Причиной флаттера обычно является несовпадение центра жёсткости с центром давления и недостаточная жёсткость конструкции крыла. Флаттер - весьма скоротечное и опасное явление, которое обычно заканчивается разрушением конструкции летательного аппарата. Известно много различных форм флаттера, которые определяются возможными сочетаниями деформаций конструкции во время колебаний. Наибольшую практическую значимость представляют следующие:
изгибно-крутильный флаттер крыла (оперения), характеризующийся изгибом и закручиванием крыла (оперения);
изгибно-элеронный флаттер крыла, сопровождающийся изгибом крыла и отклонением элерона;
Флаттер наступает при определенной скорости полета, которую называют критической скоростью флаттера. Для каждой формы флаттера существует своя критическая скорость. У большинства самолетов она на 25-30% превышает максимально возможную скорость полета, с тем, чтобы полностью исключалась возможность возникновения флаттера.

Изгибно - крутильный флаттер крыла.

Крыло может совершать колебания двух основных видов: изгибные и крутильные. Однако вследствие несовпадения линий центров тяжести с линией центров жесткости сечений чисто изгибные или чисто крутильные колебания крыла практически невозможны. Вне зависимости от того, каков начальный импульс, изгибный или крутильный, колебания всегда совместны - изгибно-крутильные. Рассмотрим упрощенную картину развития изгибно-крутильного флаттера крыла (см. рис. 7.2.). Предположим, что под действием какого-нибудь возмущения крыло с закрепленным неподвижно элероном прогнулось вверх, а затем это возмущение исчезло.

Каждое сечение крыла характеризуется:

    - положением центра тяжести, где приложена сила тяжести;
    - положением центра жесткости, где приложена сила упругости;
    - положением фокуса, где приложены приращения аэродинамических сил, действующих на крыло.

При отклонении крыла от нейтрального положения на него будет действовать сила упругости, стремящаяся возвратить крыло в нейтральное положение. Под действием этой силы крыло, отогнутое вверх, начинает двигаться вниз, а возникшая в начале движения сила инерции, приложенная в центре тяжести, будет закручивать крыло относительно его центра жесткости. При этом угол атаки крыла станет отрицательным.
Это изменение угла атаки вызовет дополнительную аэродинамическую силу, направленную вниз и приложенную в фокусе крыла, которая будет способствовать движению крыла вниз и его дальнейшему закручиванию. Благодаря этому в момент, когда крыло достигнет нейтрального положения и сила упругости станет равной нулю, крыло продолжит свое движение, а угол его закручивания будет максимальным отрицательным. После того, как крыло, пройдя нейтральное положение, начнет отгибаться вниз, возникающая силы упругости начнет замедлять скорость прогиба крыла вниз, а сила инерции - уменьшать закрутку крыла, уменьшая угол атаки. С уменьшением угла атаки крыла будет уменьшаться дополнительная аэродинамическая сила и замедляться движение крыла вниз. Крыло отогнется вниз и займет крайнее нижнее положение. В зависимости от величины закручивания крыла и дополнительной аэродинамической силы прогиб крыла вниз может оказаться больше, чем его начальный отгиб вверх. При дальнейшем движении крыла вверх картина действия сил повторится, но величина отгиба крыла вверх будет уже большей. Это вызовет увеличение силы упругости, а, следовательно, и скорости возвращения крыла к нейтральному положению. В свою очередь последнее вызовет увеличение инерционной силы, закручивающей крыло на этапе его колебаний, и соответственное увеличение дополнительной аэродинамической силы. Изгибные колебания крыла и его закручивание будут возрастать и приведут к быстрому разрушению конструкции крыла.
При этих колебаниях возникают, конечно, и демпфирующие силы, тормозящие развитие колебаний. К ним относятся силы трения в конструкции, аэродинамические силы сопротивления, внутренние силы трения в материале конструкции.
Так, при движении крыла, например, вниз, возникает вертикальная скорость, которая, складываясь геометрически со скоростью потока воздуха, обтекающего крыло, вызывает увеличение угла атаки крыла. При этом возникает дополнительная аэродинамическая сила, направленная против движения крыла. Такая сила называется аэродинамической силой, демпфирующей колебания крыла.
До тех пор, пока работа демпфирующих сил, величина которых примерно пропорциональна скорости полета самолета, больше работы возбуждающих колебания дополнительных аэродинамических сил, пропорциональных квадрату скорости полета, возникшие колебания будут затухать.
При скорости, равной критической скорости флаттера, работа возбуждающих колебания сил оказывается равной работе демпфирующих колебания сил. При скорости полета больше этой критической скорости возникает флаттер.
С увеличением жесткости крыла критическая скорость изгибно-крутильного флаттера возрастает. Даже незначительное смещение центра тяжести вперед приводит к заметному увеличению критической скорости флаттера.
Смещения центра тяжести вперед можно достичь конструктивными мерами, в частности облегчением конструкции хвостовой части крыла или установкой в носке специальных противофлаттерных грузов - балансиров. Для повышения эффективности балансиров их устанавливают в виде болванки в носке на конце крыла или выносят вперёд в виде хорошо обтекаемой штанги.
Большое влияние на критическую скорость флаттера оказывают агрегаты и грузы, размещенные на крыле: двигатели, подвесные топливные баки, блоки с оборудованием т.п. Например, двигатели, вынесенные вперед, подобно балансирам увеличивают критическую скорость флаттера. Топливо, размещенное в отсеках крыла, также влияет на критическую скорость флаттера.

Изгибно - элеронный флаттер крыла.

Изгибно-элеронным флаттером крыла называют такую форму колебаний, при которой имеют место изгиб крыла и отклонение элерона. Кручение крыла при этом предполагается настолько малым, что им можно пренебречь. Рассмотрим физическую картину этого вида флаттера.
Будем считать, что на крыле расположен несбалансированный элерон, у которого центр тяжести расположен позади оси вращения. Для простоты предположим, что элерон аэродинамически скомпенсирован, т.е. его отклонение не вызывает моментов аэродинамических сил, препятствующих этому отклонению. Предположим также, что возможно произвольное отклонение элерона при неподвижной, "зажатой" ручке управления за счет упругости проводки управления и люфтов.
Пусть, как и в случае изгибно-крутильного флаттера, крыло под действием какого-то возмущения прогнулось вверх, а затем это возмущение исчезло, и крыло было предоставлено само себе (см. рис. 7.3.). Под действием силы упругости конструкции крыла оно начнет двигаться к нейтральному положению вниз. Вследствие действия сил инерции центр тяжести элерона будет отставать от перемещения крыла, и элерон отклонится вверх. Это вызовет появление дополнительной аэродинамической силы, приложенной в фокусе крыла и направленной вниз. Ее величина пропорциональна отклонению элерона. Эта сила заставит крыло пройти нейтральное положение и отклониться вниз. Сила упругости будет препятствовать этому движению, и тормозить его. Возникшая при этом сила инерции начнет уменьшать отклонение элерона, так что в крайнем нижнем положении крыла элерон окажется в нейтральном положении.

Под действием силы упругости крыло начнет отклоняться вверх, а сила инерции будет отклонять элерон вниз. Появится аэродинамическая сила, направленная вверх, и картина развития флаттера повторится.
Как и в случае изгибно-крутильного флаттера, возбуждающей является аэродинамическая сила. Если скорость полета превысит критическую, когда работа возбуждающей аэродинамической силы окажется больше работы сил, демпфирующих колебания, колебания начнут возрастать и могут привести к аварии. Скорость, при которой наступает явление саморазвивающихся колебаний, когда крыло изгибается и одновременно самопроизвольно отклоняются элероны, изменяя аэродинамическую силу и все больше раскручивая крыло, называется критической скоростью изгибно-элеронного флаттера.
Как отмечалось выше, изгибно-элеронный флаттер возможен, если при колебаниях крыла элерон отклоняется в сторону, обратную движению крыла. Происходит это вследствие того, что элерон имеет возможность поворачиваться относительно оси шарниров и центр тяжести у несбалансированного элерона находится позади его оси вращения. В соответствии с этим основные меры, направленные на повышение критической скорости изгибно-элеронного флаттера, сводятся к весовой балансировке элеронов, увеличению жесткости проводки управления и устранению люфтов в ней. Критическая скорость флаттера зависит также от расположения элерона по размаху, увеличиваясь при смещении элерона от конца в среднюю часть крыла.
При весовой балансировке центр тяжести элерона совмещают с осью вращения или добиваются, чтобы он находился впереди оси вращения. В соответствии с этим говорят о 100%-ной весовой балансировке или перебалансировке элеронов. Достигается балансировка с помощью грузов (балансиров), устанавливаемых перед осью вращения элерона. Балансировка может осуществляться сосредоточенными грузами, вынесенными вперед на кронштейне, или грузом, равномерно распределенным по размаху элерона. В случае балансировки равномерно распределенным по размаху грузом все сечения элерона балансируются примерно одинаково, но вес груза получается большим, составляя иногда до 50% веса элерона. При балансировке сосредоточенными грузами вес последних требуется значительно меньший, однако балансировка сечений элерона при этом существенно неодинакова: сечения, где расположен груз, оказываются перебалансированными, а все другие - несбалансированными. При колебаниях крыла это приводит к возникновению сил, скручивающих элерон, что снижает эффект балансировки.

Аэродинамический метод измерения воздушной скорости.

Воздушной скоростью полета называется скорость перемещения самолета относительно воздушной среды. При этом различают истинную воздушную скорость и приборную скорость. Истинная воздушная скорость используется экипажем в навигационных целях самолетовождения, а приборная скорость используется летчиком для пилотирования самолета. Показания указателя воздушной скорости принято называть приборной скоростью.
В самолетовождении считают, что вектор воздушной скорости совпадает с продольной осью самолета и лежит в горизонтальной плоскости. Такое допущение существенно не влияет на точность решения навигационных задач. Приборы, предназначенные для измерения воздушной скорости полета, называются указателями скорости.
Наиболее распространенным методом измерения воздушной скорости полета является аэродинамический, основанный на замере давления встречного потока воздуха - скоростного напора. Величина скоростного напора определяется скоростью движения тела и плотностью воздуха:


Таким образом, при малых скоростях полета для определения истинной воздушной скорости необходимо измерять динамическое давление, статическое давление и температуру воздуха на высоте полета. При переходе к истинным скоростям, превышающим 400 км/ч, необходимо учитывать сжимаемость воздуха. Поэтому тарировка современных указателей скорости производится по более сложным формулам.

Практические выводы.

Для конкретной конструкции летательного аппарата флаттер будет наступать на одной и той же величине скоростного напора. С ростом высоты полёта плотность воздуха уменьшается, что приводит к увеличению критической скорости флаттера.
В начале реферата говорилось, что современные летательные аппараты, как правило, обладают 25-30% запасом по критической скорости флаттера от максимальной возможной скорости полёта. Так, почему современные планеры подвержены этому грозному явлению? Дело в том, что это расплата за большое удлинение крыла. Даже применяя современные материалы, крайне сложно добиться требуемой жесткости крыла. Поэтому для современных планеров, критическая скорость флаттера лежит в достигаемом диапазоне скоростей.
Позволю себе дать один практический совет. Если Вы хотите достигнуть максимально разрешенной скорости для вашего планера, не делайте этого резким увеличением скорости полёта. Чем ближе скорость полёта к максимально разрешенной, тем плавне должно происходить дальнейшее её наращивание. Тогда у Вас будет время для реакции при появлении признаков флаттера и если он всё таки наступил, просто выпустите интерцепторы или плавно возьмите ручку управления на себя, до пропадания характерной тряски.

comments