Главная > Разное > Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Аэроупругость

В обсуждаемой ранее теории мы предполагали, что конструкция самолета остается жесткой. Это предположение оправдано при условии, что жесткость конструкции значительна, а скорость полета малая, но влияниями деформации конструкции нельзя постоянно пренебрегать, особенно на высоких скоростях. Эти влияния обозначают термином аэроупругостъ. Аэроупругость имеет отношение к взаимному влиянию аэродинамических сил и упругих деформаций.

Рассмотрим крыло самолета как балку. Балка имеет так называемую упругую ось; если на эту ось действует подъемная сила, то в результате появляется простой изгиб без сопутствующего ему кручения. Но если подъемная сила действует в передней части упругой оси, то в результате деформации появляются изгиб и кручение, последнее стремится увеличить угол атаки. Это, в свою очередь, увеличивает подъемную силу, и, следовательно, кручение. Конечно, упругость крыла сопротивляется этой деформации. Однако поскольку аэродинамическая сила увеличивается приблизительно с квадратом скорости полета, тогда как упругость независима от скорости, то теоретически должна существовать критическая скорость, при которой оба воздействия равны,

и выше которой наступает упругая неустойчивость. Эта скорость называется скоростью расхождения. В реальном полете она встречается редко; в жизни я наблюдал ее лишь однажды — это был очень печальный опыт. В 1922 году планер под названием Weltensegler («Мировой парусник») участвовал в соревнованиях по планированию в горах Роны. Его построила группа честолюбивых студентов, у которых явно недоставало знаний в области упругости и аэродинамики: относительное удлинение было больше двадцати. Сначала планерист успешно плыл в восходящем потоке. Однако когда он вышел из области восходящего потока, он вошел в пикирование с возрастающей скоростью. Мы наблюдали с вершины горы, как крыло планера медленно отламывалось.

Еще одной неприятностью, связанной с упругой деформацией, является реверс рычагов управления. Рассмотрим, например, обычный элерон. Если конструкция крыла жесткая, то отклонение элерона вниз создает увеличение подъемной силы, и, следовательно, момент крена, который стремится поднять конец крыла. Но если конструкция крыла гибкая, то кручение крыла, вызванное отклонением элерона, уменьшает угол атаки конца крыла и, в связи с этим, уменьшает подъемную силу, действующую на концевой профиль, и момент крена. Таким образом, фактический момент крена может быть существенно меньше по сравнению с создаваемым тем же отклонением элерона на жестком крыле. Другими словами, элерон теряет часть своей эффективности. Поскольку это влияние возрастает со скоростью полета, то существует критическая скорость, при которой элерон полностью бесполезен, а при еще более высоких скоростях действие элерона окажется обратным.

Если учитывать упругие эффекты, то теория крыла становится сложнее, чем она представляется из главы II. Для жесткого крыла эффективный угол атаки относительного воздушного потока при любом поперечном сечении, который определяет подъемную силу и сопротивление сечения, получен как результат объединения скорости полета и индуктивного скоса потока. Для упругого крыла величина и направление относительного воздушного потока зависят также от упругой деформации, на которую в свою очередь влияет то же распределение подъемной силы. Это мы пытаемся рассчитать. Сирс предложил приближенный метод расчета такого взаимного действия [8]. Аэроупругие эффекты важны для всех высокоскоростных самолетов. Если относительное удлинение большое, то кручение крыла значительно. Для

самолетов с малым относительным удлинением мы встречаем некоторые другие виды аэроупругих деформаций, такие как распределение изгиба на хорде.

Наконец, нам следует рассмотреть совместное влияние упругих и инерционных сил. Один следующий простой пример. Предположим, что стреловидное упругое крыло выполняет снижение. Увеличение наклона благодаря снижению стремится изогнуть концы крыла вверх. Но поскольку снижение замедляется возросшей подъемной силой, то силы инерции стремятся изогнуть концы вниз. В этом примере видна существенная разница между реальным полетом и его моделированием в аэродинамической трубе: в аэродинамической трубе движение модели обычно ограничено, так что силы упругости моделируют, но без компенсирующих их сил инерции.

Наиболее важный пример взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных сил называется флаттером. Кратко опишу здесь простейший случай. Рассмотрим крыло, с установленной шарнирно закрепленной поверхностью управления, и предположим, что крыло выполняет изгибное колебание в воздушном потоке. Частота этого колебания в основном равна упругой частоте крыла; на нее отчасти влияет скорость полета, но это воздействие невелико. Для простоты предположим, что поверхность управления полностью свободна. Поскольку ее омывает воздушный поток, то она становится эффективно жесткой, также как флюгер; она имеет явную упругость. Эта явная упругость определяет частоту колебания поверхности управления; ее частота, несомненно, увеличивается со скоростью воздушного потока. Если ее частота совпадает с частотой изгибных колебаний крыла, то можно наблюдать большое увеличение амплитуды колебаний.

В этом простом случае флаттер имеет характер резонанса. Возможно, простейшим примером резонанса является маятник, точка опоры которого продолжает совершать колебательное движение с частотой, равной частоте маятника. Легко доказать экспериментально, что в этом случае маятник будет испытывать значительные колебания. Явление резонанса ловко используют люди, предсказывающие с помощью маятника скрытые процессы. Например, они предсказывают существование воды или руды под землей. Они настраивают маятник на частоту своего пульса, так что малейшее движение руки заставляет маятник колебаться со значительной амплитудой. Наш простой случай с флаттером основан на подобном же принципе.

Будучи упругим, крыло всегда слегка колеблется, так что шарнир поверхности управления периодически двигается, даже если это не видно невооруженным глазом. Это движение не является нежелательным, за исключением случая, когда частота поверхности управления становится равной частоте крыла. В этом случае возникает резонанс и как крыло, так и поверхность управления развивают значительные амплитуды колебаний. Читателю может быть интересно, что является источником относительно большой кинетической энергии этого сильного колебания. Это правда, что относительный воздушный поток стремится ослабить изгибные колебания крыла, но колебания поверхности управления берут энергию из воздушного потока и возбуждают колебания крыла вместо того, чтобы гасить их. Этот пример отчасти упрощен, но он хорошо служит для демонстрации того, как при определенной скорости или определенном диапазоне скоростей могут существовать самовозбуждающиеся колебания. Реальные явления флаттера намного сложнее; например, резонансы возможны между любыми сочетаниями изгибных и крутильных колебаний крыла и многими видами колебаний поверхности управления. Флаттер является важной и трудной проблемой аэроупругости; многие авиационные инженеры специализируются по ней. В каждой крупной авиакомпании есть подразделение, специально занимающееся проблемой флаттера.

Несколько лет назад, когда скорость 450-500 миль в час все еще оставалась высокой, президенту одной авиакомпании в Калифорнии позвонили из Райт Филд (Wright Field) и сообщили, что модель самолета столкнулась с серьезным флаттером на скорости 450 миль в час.

Президент вызвал вице-президента компании, отвечающего за техническое обеспечение самолетов, и сказал: «Какой позор! У нас работают лучшие математики, флаттером занимается целый отдел, и все же генерал X звонит мне из Райт Филда и сообщает, что на скорости 450 миль в час у нас появляется флаттер!»

Поэтому вице-президент пошел к руководителю группы исследования флаттера и сказал: «Нам позвонили из Райт Филда и сообщили, что у нашего нового самолета флаттер возникает на скорости 450 миль в час!» На что инженер ответил: «Не может быть! Я рад это слышать. В своем отчете я прогнозировал флаттер на скорости 445 миль в час!»

Наука аэроупругости, включая теорию флаттера, находится сейчас в процессе бурного развития. Оно особенно необходимо, потому что большие силы, действующие на части самолета при высокоскоростном

полете, требуют от конструктора все более и более точного анализа упругих деформаций конструкции самолета. Хотя математика задачи стала сложнее, развитие новых вычислительных устройств позволяет инженеру получить решение сложных систем уравнений в значительно более короткий промежуток времени, чем раньше, и с повышенной точностью. В авиационном проектировании и строительстве находят широкое применение не только такие вычислительные устройства, но некоторые авиационные инженерные организации стараются изо всех сил улучшать и создавать новые вычислительные машины.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление