Кіріспе

Инерциялық, серпімділік және аэродинамикалық күштердің өзара әрекеттесуі

Аэроэластикалық – физика және инженерия ғылымының, серпімді дене сұйық ағынына ұшыраған кезде туындайтын инерциялық, серпімділік және аэродинамикалық күштер арасындағы өзара әрекеттесуді зерттейтін саласы. Аэроэластикалықты зерттеуді екі негізгі салаға бөлуге болады: статикалық аэроэластикалық, ол серпімді дененің сұйық ағынына статикалық немесе тұрақты күйдегі реакциясын қарастырады, және динамикалық аэроэластикалық, ол дененің динамикалық (әдетте дірілдемелік) реакциясын зерттейді. Ұшақтар аэроэластикалық әсерлерге бейім, себебі олар үлкен аэродинамикалық жүктемелерге төтеп берумен қатар жеңіл болуы керек. Ұшақтар келесі аэроэластикалық проблемаларды болдырмау үшін жасалады:
дивергенция, онда аэродинамикалық күштер қанаттың бұрылысын арттырады, бұл күштерді одан әрі күшейтеді;
басқарудың кері тіркелуі, онда басқаруды іске қосу басқару тиімділігін азайтатын немесе шектен шыққан жағдайларда кері тіркететін қарама-қарсы аэродинамикалық моментті тудырады; және
флаттер, ол ұшақтың қирауына әкелуі мүмкін шексіз дірілдеме. Аэроэластикалық проблемаларды конструкциялардың массасын, серпімділігін немесе аэродинамикалық қасиеттерін реттеу арқылы болдырмауға болады, оларды есептеулер, жердегі діріл сынақтары және ұшу кезіндегі флаттер сынақтары арқылы анықтауға және тексеруге болады. Басқару беттерінің флаттері әдетте массалық тепе-теңдіктерді мұқият орналастыру арқылы жойылады. Аэроэластикалықтың термодинамикамен синтезі аэротермоэластикалық деп аталады, ал оның басқару теориясымен синтезі аэросервоэластикалық деп аталады.

Тарих

Самуэль Лэнглидің Потомак өзеніндегі прототиптік ұшағының екінші сәтсіздігі аэроэластикалық әсерлерге (әсіресе, торсиондық дивергенцияға) байланысты болды. Бұл мәселе бойынша алғашқы ғылыми жұмыс 1906 жылы жарық көрген Джордж Брайанның «Қатты ұшақтың тұрақтылығы теориясы» еңбегі болды. Торсиондық дивергенция мәселелері Бірінші дүниежүзілік соғыста ұшақтарды мазалады және көбінесе тәжірибе мен қателік арқылы, сондай-ақ қанаттарды нығайту арқылы шешілді. Ұшақтағы дірілдің алғашқы тіркелген және құжатталған жағдайы 1916 жылы Хэндли Пейдж O/400 бомбалаушы ұшағының рейсі кезінде болды, ол қатты құйрық діріліне ұшырады, бұл артқы фюзеляждың және лифттердің асимметриялық қозғалысына әкелді. Ұшақ қауіпсіз қонса да, кейіннен жүргізілген тергеуде Ф. В. Ланчестермен кеңесті. Оның ұсыныстарының бірі – сол және оң лифттерді берік біліктің көмегімен қатаң байланыстыру болды, бұл кейіннен жобалау талабына айналды. Сонымен қатар, Ұлттық физикалық зертханасынан (NPL) осы құбылысты теориялық тұрғыдан зерттеу сұралды, оны Леонард Бэрстоу мен Артур Фейдж жүзеге асырды. Бір семестр оқытқаннан кейін, Карман курсты Эрнест Эдвин Сехлерге тапсырды, ол осы курста және тақырып бойынша оқулықтар жазу арқылы аэроэластикалықты дамытты. 1947 жылы Артур Родерик Коллар аэроэластикалықты «ауа ағынына ұшыраған құрылымдық элементтерге әсер ететін инерциялық, серпімді және аэродинамикалық күштердің өзара әрекеттесуін және осы зерттеудің жобалауға тигізетін әсерін зерттеу» деп анықтады.

Статикалық аэроэластикалық

Ұшақта екі маңызды статикалық аэроэластикалық эффекті пайда болуы мүмкін. Дивергенция – қанаттың серпімді бұрылысының кенеттен теориялық түрде шексіз мәнге жетуі, көбінесе қанаттың зақымдануына алып келетін құбылыс. Басқарудың керілуі – бұл тек элеронды немесе басқа басқару беттері бар қанаттарда ғана кездесетін құбылыс, онда осы басқару беттері өздерінің әдеттегі қызметін кері қайтарады (мысалы, белгілі бір элерон моментімен байланысты айналу бағыты өзгеріп, кері болады).

Басқаруды кері ауыстыру

Басқару бетінің кері бұрылуы – басты көтергіш бетінің деформациясына байланысты басқару бетінің күтілетін реакциясының жоғалуы (немесе кері бұрылуы). Қарапайым модельдер үшін (мысалы, Эйлер-Бернулли сәулесіндегі бір ғана қанатты жаппа) басқарудың кері жылдамдықтары бұрылыс дивергенциясы сияқты талдамалық түрде есептелуі мүмкін. Басқаруды кері бұру аэродинамикалық тиімділікке қолданылуы мүмкін және Каман серво қақпақ ротор дизайнының бір бөлігін құрайды. Суда, фольганың бұрылу инерциясының массалық қатынасы, оны қоршап тұрған сұйықтық цилиндрінің массалық қатынасына қарағанда, екілік дірілдің пайда болуы үшін әдетте тым төмен болады, бұл ең қарапайым бұрылу және көтерілу дірілінің тұрақтылығын анықтайтын нақты шешім арқылы көрсетілген. Аэродинамикалық күштерге ұшырайтын құрылымдар – қанаттар мен аэрофойлдар, сондай-ақ мұржалар мен көпірлер – дірілді болдырмау үшін белгілі параметрлер шегінде мұқият жобаланады. Мұржалар сияқты бұрыс пішіндер, құрылымдық дірілдерді тудыратын Карман орамдары деп аталатын үздіксіз айналмалы ағынды шығарады. Осы орамдардың пайда болуын тоқтату үшін мұржалар көбінесе қапталады. Аэродинамикалық және механикалық қасиеттері толыққанды түсінілмеген күрделі құрылымдарда, дірілді тек егжей-тегжейлі сынау арқылы жоюға болады. Тіпті ұшақтың массасының таралуын немесе бір компоненттің қатаңдығын өзгерту, сырттай байланыссыз аэродинамикалық компонентте діріл тудыруы мүмкін. Ең жұмсақ жағдайда, бұл ұшақ құрылымында «гул» ретінде сезіледі, бірақ ең күшті жағдайда, ол өте жылдам және бақылаусыз дамып, ұшаққа ауыр зақым келтіруі немесе оның жойылуына әкелуі мүмкін, мысалы, 1938 жылғы Northwest Airlines рейсі 2, 1959 жылғы Braniff рейсі 542 немесе 1940 жылдардың басындағы Финляндияның VL Myrsky истребителінің прототиптері. Атақты Такома Көпірі аэроэластикалық дірілдің салдарынан қирады.

Аэросервоэластикалық

Кейбір жағдайларда автоматты басқару жүйелері флаттерге байланысты құрылымдық дірілдерді алдын алуға немесе шектеуге көмектесетіні көрсетілген.

Шалпанның айналып-шашылып соғатын күші

Шалпанның айналу тербелісі – бұл айналатын шалпанның аэродинамикалық және инерциялық әсерлері мен тіректік конструкцияның беріктігіне байланысты туындайтын тербелістің ерекше жағдайы. Шалпанның және қозғалтқыш тіректерінің көлденең қисайю және бағытталған бұрылу дәрежелеріне байланысты динамикалық тұрақсыздық пайда болуы мүмкін, бұл шалпанның тұрақсыз прецессиясына әкеледі. Қозғалтқыш тіректерінің бұзылуы салдарынан екі Lockheed L 188 Electra ұшағында – 1959 жылы Braniff Flight 542 рейсінде және 1960 жылы Northwest Orient Airlines Flight 710 рейсінде айналу тербелісі орын алды.

Трансоникалық аэроэластикалық

Ағым трансдыбыстық режимде өте сызықты емес, қозғалатын соққы толқындары басым. Трансоникалық Мах сандарымен ұшатын ұшақтар үшін дірілден сақтану миссиялық маңызға ие. Шок толқындарының рөлін алғаш рет Холт Эшли талдады. Ұшақтың тұрақтылығына әсер ететін "трансоникалық құлдырау" деп аталатын құбылыс, онда діріл жылдамдығы ұшу жылдамдығына жақындауы мүмкін, 1976 жылдың мамыр айында Лэнгли зерттеу орталығының Фармер және Хансон баяндады.

Болжамдау және емдеу

1950–1970 жылдары AGARD аэроэластикалық проблемаларды шешу және тексеру процестерін, сондай-ақ сандық шешімдерді сынауға арналған стандартты мысалдарды егжей-тегжейлі сипаттайтын «Аэроэластикалық нұсқаулықты» әзірледі. Аэроэластикалық құбылысқа сыртқы аэродинамикалық жүктемелердің өзгеруін ғана емес, сонымен қатар ұшақтың құрылымдық, демпферлік және массалық сипаттамаларын да қарастыру қажет. Болжам жасау үшін ұшақтың математикалық моделі құрылады, ол ұшақ құрылымының динамикалық сипаттамаларын бейнелеу үшін серіппелер мен демпферлермен байланысқан массалар тізбегі түрінде болады. Модельге аэродинамикалық күштердің әсер етуі және олардың өзгеруі туралы мәліметтер де енгізіледі. Бұл модель флаттердің қауіпсіздік шегін болжауға және қажет болған жағдайда потенциалды проблемаларды шешу жолдарын сынауға мүмкіндік береді. Массаның таралуындағы және жергілікті құрылымдық беріктіктегі шағын, мұқият таңдалған өзгерістер аэроэластикалық проблемаларды шешуде өте тиімді болуы мүмкін. Сызықтық құрылымдардағы флаттерді болжау әдістеріне p әдісі, k әдісі және p-k әдісі жатады.

Медиа

Бұл бейнелер NASA Әуе күштерінің белсенді аэроэластикалық қанатты ұшу зерттеу бағдарламасының екі кезеңін көрсетеді. Бағдарламаның мақсаты – трансоникалық және үстіркілді жылдамдықтарда жоғары өнімді ұшақтардың маневрлеу қабілетін жақсарту үшін аэродинамикалық бұрылуға қабілетті иілгіш қанаттардың мүмкіндіктерін зерттеу. Бұрылуды тудыру үшін эларондар және алдыңғы жиектік жақтаулар сияқты дәстүрлі басқару беттері қолданылады.

Белгілі аэроэластикалық ақаулар

Бастапқы Такома Найроуз көпірі аэроэластикалық дірілдеу салдарынан қирады.