Май 1960 года. Популярность темы флаттера в научно-познавательных радио и телепередачах, а также в литературе уже сошла на нет. Там фигурировало необычайное количество технических терминов, но наиболее часто употребляемыми были скорость, вибрации, колебания и прочность. Я заканчиваю 9-й класс и все, что у меня отложилось об этом широко обсуждаемом явлении, так это то, что причиной разрушительных колебаний при флаттере является недостаточная прочность той или иной части самолета.
Воскресение, погода на знаменитом аэродроме Тушино летная, но самолеты ДОСААФ не взлетают и не садятся, зато вовсю летают авиамодели. Мы с другом тоже привезли для испытаний только что изготовленную мною кордовую пилотажную авиамодель. И вот двигатель запущен, обороты отрегулированы, друг удерживает модель, я прибежал к ручке управления, дал знак левой рукой и модель взлетает. Первые два или три круга – полет был нормальным. А затем, очень неожиданно, когда модель летит против ветра, возникают вибрации, они сопровождаются характерным звуком, и весьма четко ощущаются на ручке управления. Эти вибрации визуально наблюдаются на стабилизаторе и на кордах, при этом корды уподоблены колеблющимся струнам. Проходивший мимо авиамоделист, явно старше нас с другом, по-видимому студент МАИ, закричал своему товарищу: «смотри – флаттер!». И в моей голове замаячила мысль о предстоящей аварии и потере только что построенной модели. К счастью ветер стих, и я стал перемещаться с асфальтированной взлетной площадки в сторону высокой травы. Имея полную скорость при исправно работающем двигателе, модель, конечно, в траве скапотировала, воздушный винт сломался, но все остальное осталось целым, даже оказавшийся таким хилым, стабилизатор.
В последствии, овладев знаниями в аэродинамике на уровне инженера-физика, я разобрался в сущности произошедшего с моей моделью явления. Причина флаттера заключалась в недостаточной жесткости конструкции стабилизатора. В то далекое время бальза была жутким дефицитом и не на все модели ее хватало. Данная пилотажка изготавливалась из авиационной фанеры, сосны и липы, поэтому в максимальной степени была подвержена облегчению. Ее стабилизатор и рули высоты выполнялись из липового 3-х миллиметрового шпона с окнами для облегчения и заполнением этих окон нервюрами, как показано на рис. 1.
Изготовленный таким образом каркас стабилизатора и рулей высоты обклеивался крашенной длинноволокнистой микалентной бумагой, а затем эта бумага до шести раз покрывалась авиационным лаком – эмалитом. Совокупная жесткость липовых передней и задней кромок стабилизатора оказалась недостаточной. На рис. 2 представлено поперечное сечение стабилизатора с рулем высоты.
При этом литерой F отмечен фокус – точка приложения приращения подъемной силы У стабилизатора при изменении его угла атаки. Поскольку профиль стабилизатора симметричный, то фокус является и центром давления. Литерами ЦЖ отмечен центр жесткости стабилизатора (без руля высоты, поскольку именно стабилизатор воспринимает нагрузку, возникающую на нем и на руле высоты). Центр жесткости является осью, вокруг которой упруго закручивается консоль стабилизатора под действием аэродинамической силы. Если фокус F находится впереди центра жесткости ЦЖ, как в нашем случае, то увеличение подъемной силы приводит к увеличению угла атаки стабилизатора за счет его упругого кручения. Кроме того, стабилизатор упруго изгибается вверх, т.е. чем дальше сечение стабилизатора от середины, тем выше оно упруго отклоняется вверх. Если угол упругого закручивания стабилизатора превысит величину критического угла атаки, то воздушный поток срывается со стабилизатора и его подъемная сила резко падает. Под действием упругих сил стабилизатор стремится распрямиться и раскрутиться. Но, если раскручивание ведет к уменьшению угла атаки стабилизатора, то распрямление, наоборот, ведет к его увеличению. При распрямлении поперечные сечения опускаются вниз, а это ведет к увеличению действующего угла атаки за счет векторного сложения возникающей вертикальной составляющей скорости воздушного потока с горизонтальной составляющей встречного потока. Поэтому закритический угол атаки сохраняется и подъемная сила не может сразу восстановиться, а сечения конструкции под действием сил упругости приобрели определенную скорость, они проскочили свое нейтральное положение, угол атаки меняет знак на противоположный и весь процесс повторяется снова с теми отличиями, что стабилизатор закручивается против часовой стрелки и изгибается вниз. Таким образом возникают автоколебания, и если они являются достаточно продолжительными, то упругие деформации достигают своих предельных значений, вслед за которыми наступает разрушение конструкции. Для этого бывает достаточно порядка двух десятков колебаний, которые происходят в течении 1 -2 секунд. При этом первичной причиной возникновения флаттера является именно жесткость, а не прочность, поскольку жесткость определяет величину деформаций и при их малости угол закручивания поверхности не достигает критического угла атаки.
Оценим на сколько увеличивалась нагрузка при встречном ветре. Принимаем его силу, т. е. скорость 5 – 8 метров в секунду, при этом среднее геометрическое значение будет 6,3 м/с. Собственная скорость модели составляла 20 м/с, а скорость при встречном ветре – 26,3 м/с. Отношение нагрузок будет равно отношению квадратов этих скоростей и составит 1,73. Это значит, что встречный ветер увеличивает нагрузку на 73%. Вполне достаточно для флаттера, если жесткость стабилизатора недостаточна.
Но в то время такой ясной физической картины флаттера у меня еще не сложилось. Я интуитивно чувствовал, что стабилизатор облегчен сверх меры, потому он недостаточно прочный и его необходимо укрепить. Для этого я приклеил на верхнюю и нижнюю его поверхности накладки из 2-х миллиметрового липового шпона, как показано на рис. 3.
После этого никаких нештатных ситуаций с моделью не возникало. И вообще, в последствии я никогда ни от кого не слышал о подобных происшествиях с моделями.
Избежать флаттера можно было и другим способом – с помощью противофлаттерных грузов, прикрепляемых спереди к каждой консоли стабилизатора и желательно на некотором расстоянии от нее. Поскольку груз обладает инерционностью, то при увеличении скорости встречного потока и, следовательно, подъемной силы стабилизатора, его задняя часть будет подниматься быстрее передней, в результате угол атаки стабилизатора уменьшается и увеличение скоростной нагрузки компенсируется уменьшением угла атаки стабилизатора. Поэтому условий для возбуждения колебаний не возникает. Противофлаттерные грузы обычно применяются в тех случаях, когда невозможно достичь требуемой жесткости конструкции, а также требуемого взаиморасположения центра давления и центра жесткости. Пример - лопасти вертолета.