Взаимодействие аэродинамических сил и упругой деформации конструкции называется аэроупругостью.

⇐ ПредыдущаяСтр 23 из 28Следующая ⇒

На малых скоростях аэродинамические силы относительно малы и влияние деформаций конструкции незначительно. На больших скоростях и аэродинамические нагрузки, и вызываемые ими деформации самолёта значительно возрастают. Аэродинамические силы пропорциональны V², а способность конструкции сопротивляться упругой деформации остаётся постоянной. Это отношение внешних и внутренних сил приводит к тому, что на определённой скорости аэродинамические силы пересилят жёсткость конструкции и произойдёт дивергенция (неограниченная деформация, поломка). Самолёт должен быть так спроектирован, чтобы дивергенция возникала на скоростях более V_D/M_D.

Определения:

Упругость: Не существует идеально жёстких конструкций. При создании самолёта стремятся обеспечить минимальный вес конструкции. Это приводит к тому, что самолёт – довольно гибкая конструкция. Степень гибкости конструкции зависит от таких характеристик, как относительное удлинение крыла, степень его сужения, стреловидность и т.д.

Люфт рулевых поверхностей: Возможность их перемещения при неподвижных органах управления в кабине.

Распределение массы: Расположение центра масс поверхности по отношению к оси жёсткости (относительно которой происходит деформация скручивания).

Массовая компенсация: Груз, предназначенный для изменения расположения центра масс поверхности по отношению к оси жёсткости.

Дивергенция: Деформация конструкции, неограниченно развивающаяся вплоть до разрушения.

Флаттер: Быстрые и неконтролируемые колебания поверхности, возникающие из-за взаимодействия аэродинамических и инерционных сил. Обычно приводит к разрушению конструкции.

На рисунке показано поведение законцовки крыла самолёта, попавшего в восходящий порыв воздуха.

Увеличившаяся подъёмная сила крыла прогнула крыло, и законцовка приподнялась из положения 1 в положение 2. Поскольку прирост подъёмной силы действует на крыло в точке аэродинамического фокуса, а он расположен впереди оси жёсткости крыла, то крыло ещё дополнительно закрутилось на увеличение угла атаки. Это привело к дополнительному приросту подъёмной силы, и законцовка быстро переместилась в положения 3 и 4. Крыло в данный момент напоминает затянутую пружину и может сломаться, если её затянуть слишком сильно.

Насколько велика будет деформация крыла зависит от: жёсткости конструкции, расстояния между фокусом и осью жёсткости и скоростного напора.

Методы борьбы с дивергенцией:

- конструкцию можно сделать жёстче, но это увеличит её вес

- уменьшить расстояние между аэродинамическим фокусом и осью жёсткости.

Флаттер

Во флаттере участвуют аэродинамические силы, силы инерции и упругие свойства конструкции. Распределение массы и жёсткость конструкции определяют вид и собственную частоту её колебаний. Если на конструкцию воздействует внешняя сила с частотой близкой к частоте собственных колебаний, то возникает явление резонанса, когда резко увеличивается амплитуда колебаний, что может привести к разрушению.

Предположим, что под воздействием вертикального порыва воздуха крыло изогнулось вверх. При этом в конструкции возникнут упругие силы, равнодействующая которых будет приложена на оси жесткости и направлена вниз. Под действием силы упругости крыло с каким-то ускорением начнет возвращаться в нейтральное положение. При движении вниз с ускорением на крыле возникнут инерционные силы, результирующая которых будет направлена вверх и приложена в центре масс, находящемся в большинстве конструкций позади оси жёсткости. Эта сила закрутит крыло на уменьшение угла атаки. Изменение угла атаки из-за кручения приведет к появлению дополнительной аэродинамической силы, направленной вниз в сторону движения крыла и, следовательно, усиливающей его изгибные колебания. Кроме этого, аэродинамическая сила создаст относительно оси жесткости крутящий момент также на уменьшение угла атаки.

Пройдя нейтральное положение, крыло, вследствие полученной кинетической энергии, будет прогибаться вниз. Из-за возникших при этом упругих сил, действующих теперь уже вверх, скорость движения крыла вниз начнет падать. По этой причине изменится направление ускорения (оно будет направлено вверх), а, следовательно, изменится и направление действия инерционных сил. Действующие вниз инерционные силы создадут относительно оси жёсткости момент, который начнет раскручивать крыло в противоположную сторону. И вся картина будет повторяться.

Таким образом, мы видим взаимодействие аэродинамических, упругих и инерционных сил, точками приложения которых являются аэродинамический фокус, ось жёсткости и центр тяжести несущей поверхности соответственно. И чем меньше будут расстояния между этими точками, тем меньше будут крутящие моменты.

На рисунке внизу показан типичный вид флаттера крыла.

Возникновение флаттера недопустимо в пределах эксплуатационного диапазона высот и скоростей полёта вплоть до V_D/M_D. Колебания, возникающие за пределами этой скорости, также должны демпфироваться.

При создании самолёта стремятся, чтобы собственная частота колебаний его частей была высокой (увеличивают жёсткость конструкции) и скорость возникновения флаттера значительно выше максимальных эксплуатационных скоростей. Любые изменения в жёсткости конструкции или распределении массы меняют собственную частоту колебаний конструкции, а значит и скорость возникновения флаттера. Если самолёт не получает должного технического обслуживания, допускается большой люфт в проводке управления, то это может привести к возникновению флаттера в эксплуатационном диапазоне скоростей.

Основные меры предотвращения флаттера крыла:

- повышение жёсткости конструкции (увеличивает вес крыла)

- установка двигателей на пилонах перед крылом, таким образом, центр тяжести конструкции смещается вперёд (хотя в оригинальном тексте сказано, что ось жёсткости смещается вперёд).

⇐ Предыдущая 18 19 20 21 222324 25 26 27 Следующая ⇒