«Ох, староват я стал для таких полетов» ‒ сказал Кар-Карыч, когда приземлился на стог сена (и на Пина) после катапультирования из падающего самолета. Должно быть, подобные слова сказал и первый пилот, который столкнулся с вибрациями в полете, настолько сильными, что его самолет буквально развалился в воздухе. Этот бедняга только что чудом остался жив и, наверное, приземлился седой. Пока он проклинает этот мир в целом и свою работу летчика-испытателя в частности (на которую он, конечно же, завтра вернется, это ребята отбитые, и большинство привязаны к своей работе сильнее, чем алкоголик к водке), давайте его пожалеем и расскажем, что же такое с ним в воздухе произошло.
Впервые с массовыми случаями вибраций и колебаний конструкции в воздухе авиаконструкторы и пилоты столкнулись в период активного роста скоростей полета, в 1930-е гг. Вибрации возникали на определенных режимах полета и были настолько сильны, что самолеты в прямом смысле слова разваливались в воздухе, хвосты и консоли крыла отрывались и отламывались, как палочки. Тогда люди в очередной раз столкнулись с парадоксом познания: чем больше мы знаем (а знаем мы много, раз скорости полета самолетов так быстро и сильно растут), тем больше мы понимаем, насколько малы наши знания (потому что никто до этого не мог и предположить, что такие вибрации в принципе существуют). И чем больше их изучали, чем больше накапливалось отдельных эпизодов, тем больше открывалось ранее неизвестных подробностей, и больше возникало вопросов.
К счастью, мы с вами живем в современном мире и можем получить знания сразу в цельном виде. Для самолетов существует два вида колебаний в воздухе и один вид на земле: бафтинг, флаттер и шимми соответственно. А теперь о каждом по порядку.
Бафтинг ‒ это вибрация (какая неожиданность), возникающая из-за периодически меняющихся аэродинамических сил. Силы меняются не сами по себе, а под воздействием возмущений потока от чего-нибудь: открытых створок шасси, кабины пилота, выпущенных тормозных щитков, в общем, всего, что может испортить идеальное течение потока. Но чаще всего бафтинг возникает в хвостовой части самолета из-за периодических ударов по нему спутной струи за крылом. Видели, за летящим самолетом остаются две тоненькие беленькие полосочки пара, сходящие с самых кончиков крыла (не путать с конденсационными следами, их оставляют двигатели)? Вот это и есть спутная струя, которая стала видна из-за образования внутри нее облачка. Если компоновка самолета спроектирована неправильно, то спутная струя будет бить по хвосту самолета. Это имеет два неприятных последствия: во-первых, эффективность рулей, расположенных на хвосте, падает, и самолет постепенно теряет управляемость; а во-вторых, хвост далеко не всегда способен выдержать настолько грубое обращение, и может немножечко отвалиться. (Для тех, кто не знает: отвалившийся хвост это в 99,9% случаев падение самолета и смерть всех на борту). Отличительная черта бафтинга ‒ он всегда возникает и поддерживается только за счет внешнего воздействия атмосферы, если убрать это воздействие, то и бафтинг прекратится. То есть это вынужденные колебания.
В случае флаттера все с точностью до наоборот ‒ это самовозбуждающиеся автоколебания (то есть сами возникли, сами себя поддерживают, сами ломают конструкцию, самостоятельные, в общем), возникающие на определенной критической скорости на крыле самолета или винте вертолета (реже в других местах). Простая аналогия: вы когда-нибудь катали тележку для покупок в супермаркете? Значит, вам известно, что на каждой тележке есть такое бесячее колесо, которое не может просто ехать прямо. Нет, оно будет болтаться и крутиться во все стороны и греметь с громкостью падающего стеллажа с посудой. Если вы хоть раз сталкивались с таким колесом, то вы видели явление, очень похожее на флаттер: само началось, само идет, трясет всю конструкцию, и хрен что с ним сделаешь. Механизм запуска флаттера таков: какая-нибудь сила (порыв ветра, усилие от отклоненного элерона или еще что-нибудь) воздействует на крыло, и оно изгибается (или скручивается), отклоняясь от исходного положения. Предположим, оно изогнулось вверх. Но крыло упругое, и под действием сил упругости оно стремится вернуться в первоначальное положение. Оно начнет двигаться вниз, но не плоскопараллельно (мы летим, поток не позволит двигаться, сохраняя идеальную ориентацию в пространстве), а с небольшим закручиванием (ибо силы аэродинамические и силы массовые и инерционные приложены в разных точках, а кручение происходит вокруг центра жесткости, который вообще в отдельном месте). Крыло по инерции пройдет нейтральное положение (куда оно так стремилось), и изогнется вниз. После чего снова попытается вернуться в нейтраль. Здравствуй, периодический процесс.
Вообще-то, такие колебания происходят на любой скорости, просто на критической крыло начинает получать от воздушного потока больше энергии, чем его конструкция способна погасить. Вот и получается, что крыло продолжает колебаться. Рано или поздно крыло не выдержит: либо колебания станут слишком сильными и попросту сломают крыло (и, возможно, не только его), либо самолет раньше потеряет управляемость от таких выкрутасов и рухнет.
Осталось только шимми. Эта штука аналогична флаттеру по физике и механизму протекания, но возникает на колесах, чаще всего рулевых (то самое колесо от тележки, да, это оно), причем не только у самолета, но и (теоретически) у любого рулевого колеса с достаточным количеством степеней свободы: мотоциклы, велосипеды, самолеты, скейтборды, автомобили (но тут очень редко), даже тележки и детские коляски со свободно вращающимися колесами. В отличие от двух предыдущих, эти колебания не убьют вас (наверное), а просто заставят понервничать и раньше запланированного отвезти ваше транспортное средство на плановый ремонт.
Как бы то ни было, все эти вибрации так или иначе мешают, и их надо бы убрать. Тут для каждого типа свой способ. Бафтинг убирается по большей части за счет правильно спроектированного планера, так, чтобы поток был как можно ровнее, а все спутные струи сходили туда, где они никому не помешают. Флаттер убирается тоже правильно спроектированной конструкцией, но с ним сложнее: нужно выбрать подходящую компоновку, правильно разместить все ключевые точки самолета (центр давления, центр жесткости, центр масс и т.д.), все уравновесить, ограничить режимы полета так, чтобы не допускать критической скорости, а также найти тот баланс, когда конструкция самолета уже достаточно жесткая, но еще упругая и не слишком тяжелая. С шимми все одновременно сложно и просто. Просто потому, что оно относительно безопасно, и решается характеристиками колес и стойки (установка демпферов, амортизаторов, фильтров колебаний и т.д., регулирование давления в шинах, регулировка схода-развала и балансировки колес) и действиями водителя и персонала (правильно рулить и распределять нагрузку, контролировать скорость). Сложно потому, что оно меньше всего поддается контролю (если у вас вместо дороги мокрая стиральная доска, то тут хоть убейся, но шимми будет, пусть и маленькое).
На этом сегодняшняя лекция окончена, всем спасибо, все свободны. И еще, дайте нашему летчику-испытателю валерьянки, ему до сих пор после неожиданного флаттера плохо.
Автор: Лиза Гладышева.
