Каждый день в этих сражениях гибнут тонны бумаги и гигабайты свободного места на жестких дисках компьютеров. Нервно шуршат и греются процессоры, обрабатывая миллионы цифр. Всё это потому, что в поте лица инженеры-прочнисты ведут упорную битву с супостатом, а имя ему - аэроупругость.
Аэроупругость – явление, связанное с взаимодействием аэродинамических, упругих, инерционных сил конструкции самолёта, ведущих к его разрушению.
Глава 1. Часть 1.
В цикле «Что ломает самолёты?» Вас ждёт рассказ про явления аэроупругости. Я расскажу о 4 явлениях, которые в прямом смысле этого слова ломают самолёты. Опишу причины их возникновения, последствия и способы борьбы. Каждая отдельная глава будет посвящена одному явлению. Начинать знакомиться с материалом можно с любой главы, для более комфортного понимания стоит лишь соблюдать очередность частей.
Налейте себе чаю или заварите кофе, если вы дома или на перерыве. Устройтесь в метро или автобусе поудобней, если вы в дороге. Приятного чтения. Начинаем!
Тихая ночь. Луна взошла над городом, её тусклые лучи, пробиваясь сквозь окно, оказываются в комнате, падают на подушку и медленно ползут по ней, настигая лицо спящего человека. Этот человек - авиационный инженер, сегодня он сладко спит и сниться ему, как он испытывает свой самолёт.
Он так давно горел мечтой, учился, работал. Тратил годы своей жизни, чтобы постичь тонкости профессии. Наконец, этот день настал.
И снится инженеру, как он поднимается на борт воздушного судна, садится у иллюминатора. Самолёт медленно ползёт по полосе, слышится нарастающий гул двигателя, железная птица набирает скорость и взмывает в небеса. Вот он, триумф человеческой мысли, подчинение законов природы!
Но тут, тучи начинают сгущаться, небо затягивает мрачная тень, самолёт начинает трясти, инженер выглядывает в окно, по его лбу стекают капельки потока, на лице паника. А за окном тихий ужас!
Крыло беситься, устроив адские пляски, рвётся из стороны в сторону, извивается в неистовых позах, дрожит как гитарная струна и, наконец, рассыпается в прах.
Холодный пот. Инженер вырывается из сна, поднимаясь на своей кровати, сердце бешено колотиться, мысли бегут по извилинам и попадают на язык. «Что же я забыл? Что я мог забыть?» и тут приходит осознание!
Точно!
Встречайте. Его величество флаттер!
Отойдем от манеры «Кинговского» повествования и окунемся немного в обывательскую физику.
С проблемой флаттера крыла, оперения и других частей самолёта сталкивались каждый раз при резком снижении жесткостных характеристик конструкции (переход к монопланному крылу, снижение относительных толщин профилей, переход к стреловидному крылу) и при резком увеличении скоростей полёта.
Сейчас в действительности флаттер не так страшен, с ним научились бороться. Но в своё время разрушительные последствия этого явления привлекли внимания многих ученых. К изучению приложили руку такие специалисты как Мстислав Всеволодович Келдыш (советский ученый в области прикладной математики и механики), Евгений Павлович Гроссман (советский ученный в области аэродинамики), Виктор Николаевич Беляев (советский авиаконструктор) и другие.
На основе проведённых экспериментальных исследований и расчётов продувок в аэродинамических трубах была разработана теоретическая база для определения основных соотношений возникновения флаттера.
Сейчас ни один самолёт не сертифицируется без подтверждения того, что критические скорости, при которых наступают различные формы флаттера, много выше, чем максимальная скорость самолёта на разных режимах и этапах полёта.
Что же такое флаттер и почему он так опасен?
Определение говорит нам, что флаттер это – самовозбуждающиеся незатухающие колебания частей самолёта, возникающие в результате взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных сил.
Но что скрывается за этими сухими словами?
Начнём с классификации. Флаттер бывает:
- изгибно-крутильный флаттер крыла;
- изгибно- и/или крутильный флаттер элерона;
- изгибно- и/или крутильный флаттер рулей высоты.
Для понимания физики процесса надо разобрать 2 основных положения.
- Что такое центр давления сечения крыла?
- Что такое центр жесткости сечения крыла?
Для крыла самолёта центром давления является точка пересечения линии действия аэродинамической силы с плоскостью хорды профиля крыла.
Центр жесткости – точка приложения внутренних сил упругости в данном поперечном сечении конструкции, по отношению к которой в сечении под действием внешних сил возникают лишь нормальные напряжения, но не крутящие моменты. На мой взгляд определение звучит сложно и плохо воспринимается, но, если вы все поняли, моё почтение. При изучении сопромата я довольно долго вникал в то, что здесь написано.
Для тех, кто, как и я столкнулся с трудностями объясню на примере.
Обратимся к рисунку.
Возьмем тонкостенное сечение, например сечение трубы. Приложим к нему касательные напряжения. Касательные напряжения — это силы, которые стремятся разрезать трубу по нашему сечению (Примечание: силами на самом деле они станут тогда, когда значение напряжений мы умножим на толщину стенки, но это примечание для мастеров сопромата, чтобы меня не повесили за ересь). Обратите внимание на стрелочки это и будут касательные напряжения. Так вот, если начать вращать это сечение по направлению этих стрелочек, то центром жесткости будет точка, в которой крутящий момент будет равен 0.
Несовпадение центра давления с центром жесткости в сечении крыла является одной из причин возникновения флаттера.
Так же ещё одной причиной возникновения этого явления будет недостаточная жесткость сечения крыла, в частности, нервюры.
Механизм возникновения флаттера упрощённо выглядит следующим образом (без сложных слов и формул). Пусть крыло случайным порывом ветра или перемещением элерона, отклониться от нейтрального положения вверх или вниз. Так как крыло упругое, то в следующий момент после прекращения внешнего воздействия, оно начинает двигаться к своему нейтральному положению, набирая скорость. Имея при подходе к нейтральному положению максимальную энергию, крыло проскочит это положение и дойдёт до упругого крайнего положения. Так начнётся колебательный процесс. Постепенно под воздействием внешних сил, начинает расти частота и амплитуда колебаний. В какой-то момент конструкция просто не выдерживает свалившихся на неё нагрузок и разрушается.
Вряд ли нам с вами понравится наблюдать такое в полёте, поэтому перед инженерами стоит задача не допустить развития таких колебаний и для этого применяются различные способы борьбы с флаттером.
На этом закончим первую часть. О способах борьбы с флаттером я расскажу во второй части. Ждите продолжения и до новых встреч.
Подписывайтесь, делитесь своими мыслями в комментариях, задавайте вопросы. До новых встреч в следующих статьях.
Предлагаю ознакомиться с материалом о мифе как самолёты травят города.
А тут узнать что общего между чайником и самолётом.
Так же можете ознакомиться с тем как придумать и построить современный самолёт.
Для тех кому интересно разобраться в деталях (со сложными словами и формулами) возникновения аэроупругих явлений рекомендую ознакомиться:
Житомирский Г.И. "Конструкция самолётов".
