Введение

Взаимодействие инерционных, упругих и аэродинамических сил

Аэроэластичность – это раздел физики и техники, изучающий взаимодействие инерционных, упругих и аэродинамических сил, возникающее при обтекании упругого тела потоком жидкости. Изучение аэроэластичности можно разделить на две основные области: статическая аэроэластичность, рассматривающая статическую или установившуюся реакцию упругого тела на поток жидкости, и динамическая аэроэластичность, изучающая динамическую (обычно вибрационную) реакцию тела. Летательные аппараты подвержены аэроэластическим эффектам, поскольку они должны быть легкими и одновременно выдерживать большие аэродинамические нагрузки. Конструкция летательных аппаратов предусматривает предотвращение следующих аэроэластических явлений:
дивергенция, при которой аэродинамические силы увеличивают кручение крыла, что, в свою очередь, усиливает эти силы;
обращение управления, когда активация органов управления создает аэродинамический момент противоположного направления, уменьшающий или, в крайних случаях, полностью нивелирующий эффективность управления; и
флаттер – неконтролируемая вибрация, способная привести к разрушению летательного аппарата. Аэроэластические проблемы можно предотвратить путем изменения массы, жесткости или аэродинамических характеристик конструкции, что определяется и подтверждается расчетами, наземными испытаниями на вибрацию и летными испытаниями на флаттер. Флаттер органов управления обычно устраняется путем тщательной установки балансировочных грузов. Синтез аэроэластичности с термодинамикой известен как аэротермоэластичность, а с теорией управления – как аэросервоэластичность.

История

Второй провал прототипа самолета Сэмюэля Лэнгли на реке Потомак был связан с аэроэластическими эффектами (в частности, с торсионной расходимостью). Ранней научной работой по этой теме стала «Теория устойчивости жесткого самолета» Джорджа Брайана, опубликованная в 1906 году. Проблемы с торсионной расходимостью преследовали самолеты в годы Первой мировой войны и в значительной степени решались эмпирическим путем, путем проб и ошибок, а также путем усиления крыла. Первым зафиксированным и документально подтвержденным случаем флаттера в самолете был случай с бомбардировщиком Handley Page O/400 во время полета в 1916 году, когда он подвергся сильной продольной вибрации, вызвавшей значительную деформацию задней части фюзеляжа и асимметричное отклонение рулей высоты. Несмотря на то, что самолет благополучно приземлился, в ходе последующего расследования была проконсультирована Ф. В. Ланчестер. Одной из его рекомендаций было жесткое соединение левого и правого руля высоты жестким валом, что впоследствии стало конструктивным требованием. Кроме того, Национальная физическая лаборатория (NPL) была привлечена к теоретическому исследованию этого явления, которое впоследствии провели Леонард Бэрстоу и Артур Фейдж. После преподавания курса в течение одного семестра, Карман передал его Эрнесту Эдвину Сехлеру, который развивал аэроэластичность в рамках этого курса и в своих учебниках по данной теме. В 1947 году Артур Родерик Коллар определил аэроэластичность как «изучение взаимного взаимодействия, происходящего между инерционными, упругими и аэродинамическими силами, действующими на конструктивные элементы, подверженные воздействию воздушного потока, и влияние этого изучения на проектирование».

Статическая аэроэластичность

В самолете могут возникнуть два значительных статических аэроэластических эффекта. Дивергенция – это явление, при котором упругая крутка крыла внезапно становится теоретически бесконечной, что обычно приводит к разрушению крыла. Переворот управления – это явление, возникающее только на крыльях с элеронами или другими управляющими поверхностями, при котором эти поверхности меняют свою обычную функцию (например, направление крена, связанное с заданным моментом элерона, становится обратным).

Перевернуть рулевое управление

Перевертывание поверхности управления – это потеря (или изменение на обратное) ожидаемой реакции поверхности управления из-за деформации основной несущей поверхности. Для простых моделей (например, одиночного элерона на балке Эйлера-Бернулли) скорости перевертывания управления могут быть выведены аналитически, подобно скоростям торсионной расходимости. Перевертывание управления может быть использовано в аэродинамических целях и является частью конструкции ротора сервозакрылков Камана. В воде отношение массы инерции тангажа крыла к массе окружающего его цилиндра жидкости обычно слишком мало для возникновения бинарного флаттера, что подтверждается явным решением простейшего определителя устойчивости при флаттере тангажа и вертикальном колебании. Конструкции, подверженные воздействию аэродинамических сил – включая крылья и профили, а также дымовые трубы и мосты – обычно тщательно проектируются в известных пределах, чтобы избежать флаттера. Тупые формы, такие как дымовые трубы, могут генерировать непрерывный поток вихрей, известный как вихревая улица Кармана, который может вызывать структурные колебания. Штрипсы обычно оборачивают вокруг дымовых труб, чтобы предотвратить образование этих вихрей. В сложных конструкциях, где аэродинамические и механические свойства конструкции изучены не полностью, возможность флаттера можно исключить только путем проведения детальных испытаний. Даже изменение распределения массы самолета или жесткости одного компонента может спровоцировать флаттер в, казалось бы, несвязанном аэродинамическом элементе. В легкой форме это может проявляться как "гул" в конструкции самолета, но в наиболее тяжелой форме он может развиваться неконтролируемо с высокой скоростью и приводить к серьезным повреждениям самолета или его разрушению, как это произошло с рейсом 2 Northwest Airlines в 1938 году, рейсом 542 Braniff в 1959 году или с прототипами финского истребителя VL Myrsky в начале 1940-х годов. Знаменитый мост Такома Нэрроуз был разрушен в результате аэроэластического флаттера.

Аэросервоэластичность

В некоторых случаях было продемонстрировано, что автоматические системы управления могут помочь предотвратить или ограничить структурные колебания, вызванные трепетом.

Вихревая вихря

Вихревой трепет винта – это особый случай трепета, включающий аэродинамические и инерционные эффекты вращающегося винта и жесткость поддерживающей конструкции гондолы. Динамическая неустойчивость может возникать при колебаниях по углам тангажа и рыскания винта и опор двигателя, что приводит к неустойчивой прецессии винта. Отказ опор двигателя привел к возникновению вихревого трепета на двух самолетах Lockheed L 188 Electra: в 1959 году на рейсе Braniff 542 и в 1960 году на рейсе 710 авиакомпании Northwest Orient Airlines.

Трансоническая аэроэластичность

Поток в трансоническом режиме сильно нелинеен и характеризуется доминированием движущихся ударных волн. Предотвращение флаттера критически важно для самолетов, летающих на трансонических скоростях. Роль ударных волн впервые была проанализирована Холтом Эшли. Феномен, влияющий на устойчивость самолета и известный как "трансонический провал", при котором скорость начала флаттера может приближаться к скорости полета, был описан в мае 1976 года Фармером и Хансоном из Исследовательского центра Лэнгли.

Прогноз и лечение

В период с 1950 по 1970 год AGARD разработала Руководство по аэроэластичности, в котором подробно описаны процессы, используемые для решения и верификации аэроэластических задач, а также стандартные примеры для тестирования численных методов. Аэроэластичность охватывает не только внешние аэродинамические нагрузки и характер их изменения, но и структурные, демпфирующие и массовые характеристики летательного аппарата. Прогнозирование включает в себя построение математической модели летательного аппарата в виде ряда масс, соединенных пружинами и демпферами, настроенными для представления динамических характеристик конструкции летательного аппарата. Модель также учитывает детали приложенных аэродинамических сил и их изменение. Эта модель может быть использована для прогнозирования запаса по флаттеру и, при необходимости, для проверки решений потенциальных проблем. Небольшие, тщательно подобранные изменения в распределении массы и локальной структурной жесткости могут быть весьма эффективными при решении аэроэластических задач. Методы прогнозирования флаттера в линейных конструкциях включают p-метод, k-метод и p-k метод.

Медиа

Эти видео подробно описывают двухфазную программу лётных исследований NASA и ВВС США "Active Aeroelastic Wing", направленную на изучение потенциала аэродинамического скручивания гибких крыльев для повышения маневренности высокопроизводительных самолётов на трансонических и сверхзвуковых скоростях, при котором традиционные элементы управления, такие как элероны и предкрылки, используются для создания этого скручивания.

Заметные аэроэластические неисправности

Оригинальный мост Такома-Нарроуз был разрушен из-за аэроэластического флаттера.