Эолова арфа, самолёты и мосты
Поиск, сопровождающие развитие техники, всегда сопряжены с риском принятия неверных решений, приводящих к авария, а иногда и к катастрофам. Без этого НЕ обходится ни кораблестроение, ни Конструирование автомобилей, ни энергетика. НЕ является исключением и авиация. Путь в небо вымощен обломками несметного числа летательных аппаратов и омрачён гибелью их отважных испытателей. Но даже на этом тернистым пути встречаются явления, совершенно Непредсказуемый. Так, в 1930-х годах по миру прокатилась волна странных аварий при испытания скоростных самолётов.
По воспоминания Героя Советского Союза, заслуженный лётчика-испытателя Марка Лазаревича Галлай, очевидцы наблюдали почти одну и ту же картину: Самолет летел нормально, как вдруг какая-то неведомая сила, будто взрыв, разрушала машину. Однако никаких следов взрыва – Копоть – на упав обломках НЕ оказывалось. Пилоты, которым посчастливилось выжить, говорили о появлении перед катастрофой интенсивных вибраций нарастающей амплитуды. Таинственное и грозное явление назвали «флаттера» (от английского flutter – дрожание). Современная авиация – это техника больших скоростей. Даже обычный пассажирские самолёты летают очень быстро, лопасти вертолётных винтовых при вращения достигают почти скорости звука, Военные самолёты и ракеты движутся в несколько раз быстрее звука. И тем не менее вся эта техника не только остаётся целой, но и эксплуатируется многие годы. О том, как и почему возникает флаттера и как учёные и Инженеры научились его побеждать, рассказывает эта статья.
Аэроупругость. Древность и современность
|
Когда исследователи выяснилы природу флаттера, оказалось, что люди знакомы с ним с незапамятных времен. В основе флаттера лежит аэроупругость – область механики, в которой изучаются явления, обусловленные взаимодействие упруги тел и обтекающего их потока газа или жидкости. Согласно легендам, царь Давид на ночь вешал над своей кроватью арфу, и она издавала звуки под действием полночного бриза. Давно известен музыкальный инструмент под названием эолова арфа (в честь древнегреческого бога ветра). Он представляет собой ящик-резонатор с натянутымы над ним струнами. Вот движения струи воздуха струны вибрируют, создавая аккорды необычного, нежного тембра. Классический флаттера По Решение проблем флаттера сразу же взялись лучшие учёные. Довольно быстро разобрались, что флаттера порождается взаимодействие в конструкции упруги, инерционных и аэродинамических сил. В крыло, например, центр масс НЕ совпадает с центром жёсткосты, то есть точкой, воздействие силы на которую вызывает чистый Изгиб (без кручения). При полете Встречный поток воздуха стремится изогнуть крыло вверх, но упругие силы противятся этому. Сила же инерции, приложенная к центру масс, создаёт момент, закручивающий крыло. В результате меняется угол атаки, и крыло начинает двигаться в обратном направления, но с добавочной энергией, полученной от воздушного потока. Возникает положительная обратная связь, и энергия из потока «закачивается» в конструкции. Здесь можно провести аналогии с электроникой, где в колебательном контура, подпитываемом Источник питания, можно возложить расходы незатухающие колебания: инерция играет роль индуктивносты, жёсткость – емкость. Воздушный поток обладает практически неограниченной энергией, поэтому амплитуда колебаний крыла растёт, пока не произойдёт его разрушения. Этот вид флаттера получил название «классический». Качественная картина стала достаточно ясно, и удалось составить основные уравнения. Но они оказались столь сложными, что решить их аналитический не удавалось. Академик С. А. Чаплыгин, в 1930-х годах научный руководитель ЦАГИ, понимал, Насколько трудна задача об опасных вибрация самолета в полете. Он поручила только что поступившему в институт молодому талантливому специалисту М. В. Келдышу прорецензировать работы по вибрация. Келдыш ввёл упрощающие расчёт допущения и использовал поправочные коэффициенты, Полученные экспериментальным путём на моделях. Своими работами учёный на годы вперед определил, как нужно решать на практике задачи защиты от флаттера. В 1942 году он был награждён сталинской премия. В 1946 году М. В. Келдыша избрали действительным членом Академии наук, а впоследствии – Ее президентом.
В распоряжению специалистов тогда не было мощной вычислительной техники, а получить точные расчётные результаты не удавалось. основное внимание уделялось исследованиям флаттера на моделях. Обычный геометрическы подобный (масштабный) модели для этого не годились, так как в них не удавалось получить распределение масс и жёсткостей, как на реальном самолёте. Для испытаний в аэродинамических трубах изготавливалы динамический подобный модели. Они были очень сложными и дорогими, но зато их поведение точно соответствовало поведение самолета. В трубе можно экспериментальном определить, при какой скорости полета произойдёт флаттера, с какой частотой будут происходить колебания и на каких частях самолета возникнут колебания с наибольшимы амплитудамы.
Умелое сочетание расчёта и эксперимент уже в пятидесятые годы прошлого века позволило практически исключить случаи флаттера в полете. Неприятности случались только тогда, когда исследования по тем или иным причинам не проводились. Кстати, совместить центр масс, центр жёсткосты и аэродинамический фокус – точку, где приложений равнодействующая аэродинамических сил, – удалось в лопасти вертолётных винтовых, и они никогда не испытывают классическом флаттера. Когда этого сделать НЕ удаётся, стараются «разнесты» собственные частоты элементов планера, органов управления, подвесных грузов, например двигателей на пилонах. Такие меры препятствуют развитию положительных обратных связей и повышают критическую скорость флаттера. Вблизи скорости звука По мере роста скоростей летательных аппаратов были обнаружены и другие механизмы потери устойчивости. На околозвуковых скорости, например, на агрегатах самолета формируются так называемые скачки уплотнения. Обычно это происходит на верхней поверхности крыла, где поток разгоняется, а потом, ближе к задней кромки, замедляется (на задней кромки скорости потоковое, стекающих с верхней и нижней поверхностей крыла, Должны быть равные. Торможение происходит скачком, а в этом месте может произойти отрыв потока. В зоне отрыв возникают мощный пульсации давления, КОТОРЫЕ вызывают деформации конструкции. Положение скачка зависит от скорости – чем она больше, тем ближе скачек к передней кромки крыла, а также от деформации. Деформации в свою очередь зависит от положения скачка. Снова получается система с обратной связью, и при определённых условиях могут появиться незатухающие колебания. Правда, в этом случае неограниченной «скачки» энергии не происходит: движение скачка ограничена размера элемента планера – крыла, фюзеляжа, оперения. Колебания имеют конечную амплитуду и не всегда приводят к разрушения.
|
Известно, что в Германии с 1935 по 1943 год произошедшем около 150 авиационных аварий и катастроф, причиной которых оказался флаттера. В США за период 1940-1950-х годов было более 100 подобных лётных происшествий. Советские Авиаторы тоже понесли такого рода потери, но данные об этом сразу засекречивалы. 
