15.2. Вынужденные колебания агрегатов самолета в полете

Колебания агрегатов ЛА в полете возникают под воздействием возмущающих сил. Их источниками являются колебания силовых устройств, акустические колебания, турбулентность атмосферы, сорванный поток от впереди расположенных частей ЛА. Возникающие при этом силы вызывают колебания агрегатов планера (крыла и оперения) и их отдельных частей. Совпадение частот собственных и вынужденных колебаний приводит к резонансу и увеличению амплитудных колебаний. Сами колебания (например, циклические воздействия турбулентной атмосферы) приводят к усталостному износу конструкции и ее старению, к выходу из строя оборудования и т. д. Вынужденные колебания возникают в результате взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных сил (флаттера крыла, оперения и т. д.). Трансзвуковые вынужденные колебания рулей (элеронов) возникают из-за неточности обводов агрегатов планера и рулей, несимметричных скачков уплотнения и люфтов в проводке управления.

Бафтинг оперения – это вынужденные колебания оперения под воздействием сорванного завихренного потока от впереди расположенного крыла, надстроек на фюзеляже, пилонов двигателей, подвесных баков, открытого грузового люка и т. п.

При возникновении резонансных колебаний возможно быстрое разрушение конструкции. В других случаях повторные нагрузки на оперение со временем приводят к его усталостному разрушению.

Различают скоростной и нескоростной бафтинг. Скоростной бафтинг возникает на околозвуковых скоростях полета при отрыве пограничного слоя при возникновении скачков уплотнения. Нескоростной бафтинг возникает при срыве потока на больших углах атаки.

Энергия вихрей при скоростном бафтинге в десятки раз превосходит энергию вихрей при нескоростном бафтинге.

Меры борьбы с бафтингом заключаются в улучшении аэродинамических форм ЛА, снижении интерференционного влияния агрегатов в местах их стыков, выносе горизонтального оперения из зоны спутной струи, недопущении режимов полета, при которых полностью предотвратить бафтинг не удается.

Флаттер – это самовозбуждающиеся незатухающие колебания частей ЛА, возникающие в результате взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных сил.

С проблемой флаттера крыла, оперения и других частей ЛА сталкивались каждый раз при резком снижении жесткостных характеристик конструкции (переход к монопланному крылу, снижение профилей, переход к стреловидным крыльям) и при резком увеличении скоростей полета. Проблемой разрушительного действия флаттера занимались ученые М. В. Кельдыш, Е. П. Гроссман, В. Н. Беляев и др. Была разработана теория, подтвержденная экспериментальными исследованиями этого опасного явления, и получены основные соотношения для определения критической скорости флаттера . Сейчас без подтверждения того, что критические скорости, при которых наступают различные формы флаттера  ни один ЛА не сертифицируется. Запас по должен быть таким, чтобы соблюдалось условие

 (1,25–1,3)

Известно много форм флаттера частей ЛА, отличающихся различными сочетаниями деформации конструкции во время колебаний (рис. 15.3). Перечислим наиболее распространенные из них:

– изгибно-крутильный флаттер крыла (оперения), сопровождающийся изгибом и закручиванием крыла (оперения);

– изгибно- (или (и) крутильно-) элеронный флаттер, при котором происходит изгиб (кручение) крыла или и то, и другое вместе и отклонение элеронов;

– изгибно- (или изгибно-крутильно-) рулевой флаттер горизонтального оперения, сопровождающийся изгибом (изгибом и кручением одновременно) фюзеляжа и симметричным отклонением рулей.

Закономерности возникновения и развитие различных видов флаттера общие.

Изгибно-крутильный флаттер – это такая форма незатухающих вынужденных колебаний крыла, которая характеризуется совместностью изгибно-крутильных колебаний крыла и наличием возбуждающих и демпфирующих аэродинамических, упругих и инерционных сил.

Для того чтобы колебания были незатухающими, надо чтобы работа возбуждающих сил была равна или была больше работы демпфирующих сил, а сами колебания были совместными изгибно-крутильными. Совместность изгибно-крутильных колебаний крыла практически всегда имеет место. Это объясняется тем, что вне зависимости от того, каков начальный импульс, вызвавший колебания крыла (изгибный или крутильный), из-за несовпадений линий ЦМ и ЦЖ сечений колебания и деформации крыла всегда совместны.

б

а

в

г

д

Рис. 15.3. Виды флаттера крыла и оперения [6]:

а – симметричный изгибно-элеронный флаттер крыла; б – асимметричный изгибно-элеронный флаттер крыла; в – изгибно-рулевой флаттер горизонтального оперения; г – крутильно-рулевой флаттер горизонтального оперения;

д – флаттер вертикального оперения

Физическая картина изгибно-крутильного флаттера. Пусть крыло порывом ветра или отклонением элерона отклонилось от нейтрального положения вверх или вниз (на величину у для рассматриваемого отсека крыла, площадью (рис. 15.4)). Крыло упругое, и после прекращения внешнего воздействия оно начнет двигаться к нейтральному положению, набирая скорость. Имея при подходе к нейтральному положению максимальную энергию (эпюра , рис. 15.4, а), крыло проскочит его и дойдет до другого крайнего положения. Так начинается колебательный процесс. При этом эпюры скорости и ускорения имеют вид, показанный на рис. 15.4, а.

Если характерные точки ЦМ, ЦЖ и F в сечении крыла расположены в последовательности F, ЦЖ, ЦМ (рис. 15.4, а), то при колебательном и поступательном движении крыла это сечение будет перемещаться вверх и вниз (изгибные колебания), вперед по полету, закручиваясь на увеличение или уменьшение угла (крутильные колебания).

В положении I (рис. 15.4, б) у = 0; сила инерции максимальна, так как При движении вверх, в положении II, под действием момента от силы инерции на плече крыло начинает закручиваться на положительный угол вследствие чего появляется дополнительная аэродинамическая сила приложенная в F-фокусе. Эта сила совпадает по направлению с перемещением отсека при изгибе крыла, и поэтому играет роль возбуждающей силы (трансформируя энергию набегающего потока воздуха в энергию колебаний). Одновременно при перемещении отсека крыла вверх на него действует поток воздуха со скоростью (рис. 15.4, б), что приведет к изменению его угла атаки на . В результате появляется дополнительно приложенная в фокусе аэродинамическая сила

Эта сила (со знаком минус) направлена против перемещения отсека при изгибе крыла и играет роль демпфирующей силы.

б

а

в

Рис. 15.4. Возникновение изгибно-крутильного флаттера крыла [1]:

а – схема колебательного движения; б – силы, действующие на флаттер

при колебательном движении; в – график зависимости сил А_в и А_д от скорости

В положении III угол закручивания и сила Р_в достигают максимума; сила , так как ; сила так как

При перемещении из положения IV в положение V знаки (а значит и силы ) изменяются на обратные, и момент от силы на плече начнет разворачивать отсек крыла на уменьшение угла . Сила Р_в уменьшится, а из-за уменьшения уменьшится В положении V Отсюда ; = 0, так как = 0.

Ориентация крыла в положениях VI–IX повторяет картину в обратном порядке (рис. 15.4, б).

Анализ изменения в течение периода колебаний деформаций, изгиба и закручивания, показывает совместность изгибно-крутильных колебаний.

Сдвиг фаз между деформациями изгиба у и закручивания равен . При значении у = у_max = 0, и наоборот, при у = 0 .

Если , то Р_в лишь часть периода будет направлена в сторону движения. Однако в зависимости от скорости полета поступающей в колеблющуюся систему энергии и в этом случае может хватить для поддержания колебаний.

Основную роль в образовании сдвига фаз играет аэродинамический момент от возбуждающей силы Р_в. Значение этой силы пропорционально квадрату скорости, а значение Р_д – скорости в 1-й степени. График изменений работы этих сил А_в и А_д по скорости представлен на рис. 15.4, в. При А_д  0 за счет работы упругих сил (например, сил трения). Скорость, при которой А_в = А_д, называется критической скоростью флаттера .

При V = колебания крыла носят гармонический характер. При V > и А_д < А_в колебания происходят с нарастающей амплитудой.

Конструктивные меры по предотвращению изгибно-крутиль-ного флаттера. К таким мерам относятся меры по выполнению условия > V_max. Критическая скорость флаттера приближенно определяется из условия равенства момента аэродинамической возбуждающей силы Р_в моменту упругих сил М_упр.

Используя выражение (15.2), находим М_упр:

Отсюда получим

(15.9)

(15.10)

Конструктивные меры по предотвращению флаттера включают меры по повышению жесткости крыла на кручение , а также меры, предотвращающие или снижающие взаимодействие аэродинамических и инерционных сил за счет уменьшения плеча моментов этих сил.

Флаттер не возникнет, если или (однако при А_в < А_д флаттер не возникнет и при ). Сближение положений точек крыла ЦМ, ЦЖ и F достигается размещением силовых элементов и грузов вдоль хорды крыла, которое смещает ЦМ сечения крыла вперед.

При флаттер просто невозможен, так как предотвращается совместимость изгибных и крутильных колебаний крыла, которая является важнейшим условием возникновения флаттера. Это же условие преследует установка на крыле противофлаттерных грузов. Установка таких грузов в носке концевой части крыла, где достигают наибольшего значения, решает задачу борьбы с флаттером при наименьших затратах массы.

Положительную роль в решении этой задачи играет установка на крыле двигателей с выносом гондол с двигателями вперед по отношению к хорде крыла.

Применение треугольных и стреловидных крыльев с > 0 и большим , у которых изгиб сопровождается закручиванием крыла на уменьшение угла атаки, позволяет уменьшить диапазон изменения дополнительных аэродинамических сил, возникающих в процессе колебаний, и отодвинуть тем самым в сторону больших скоростей.

Таким образом, в полете ЛА под действием нагрузок возникают аэроупругие явления, которые связаны с взаимодействием аэродинамических, упругих и инерционных сил. Аэроупругие явления подразделяются на статические и динамические. К статическим аэроупругим явлениям относятся реверс и дивергенция. К динамическим явлениям – бафтинг и флаттер.