Практика исследований флаттера и летных испытаний опытных
самолетов, начиная с 30-х годов XX века, а также опытных пусков
крылатых ракет в 1950-1960-е годы, показала, что большое
количество форм флаттера в той или иной мере связано с колебаниями
органов управления.
Органы управления (элероны и рули, триммеры и сервокомпенсаторы,
управляемые стабилизаторы и крылья) крепятся к основной
конструкции лишь в нескольких точках (узлах) и отклоняются
посредством системы управления ограниченной жесткости. В потоке
собственная частота колебаний вращения (или кручения) органа
управления может существенно изменяться под действием
аэродинамического шарнирного момента, причем как возрастать, так и
падать, и при каком-то режиме полета оказаться близкой к одной из
собственных частот динамической системы упругого самолета
(ракеты). При взаимодействии с основными тонами (или обертонами)
упругих колебаний самолета возникает рулевой флаттер, при котором
одну из определяющих ролей играют колебания органа управления.
В настоящее время известны и достаточно хорошо изучены многие
формы флаттера органов управления. И тем не менее для обеспечения
безопасности от флаттера органов управления вновь проектируемых
самолетов и ракет требуется высокая точность методов исследования
и большой объем теоретических и экспериментальных работ: расчетов
на флаттер, испытаний динамически подобных моделей в
аэродинамических трубах, наземных резонансных испытаний и
достаточно тонких и опасных летных испытаний для оценки запасов по
флаттеру.
Практические меры устранения рулевых форм флаттера сводятся обычно
к рациональному конструктивному решению по обеспечению требуемых
инерционных характеристик органа управления, жесткости системы
управления и демпфирования собственных колебаний.
В течение десятилетий (30—60-е годы XX века) основным средством
борьбы с рулевым флаттером являлась рационально подобранная
«весовая» (точнее — инерционная) балансировка органов управления.
При этом встречались случаи, когда перебалансировка
сервокомпенсаторов оказывалась вредной, поскольку ухудшала
«запасы» по рулевому флаттеру. Кроме того, балансировка органов
управления (элеронов, рулей) в ряде случаев оказалась совершенно
неэффективной на трансзвуковых режимах полета.
С появлением сверхзвуковых летательных аппаратов в системе
управления стали применяться гидроусилители и остро встал вопрос
обеспечения необходимой жесткости систем управления. Проблема
заключалась как в компоновке громоздких приводов в тонком профиле
крыла или оперения, так и в ограниченном ходе силового штока
привода, требующем для обеспечения полного угла отклонения рулей
промежуточных передаточных звеньев (качалок и тяг). Частота
колебаний на собственной форме вращения (или кручения) органа
управления стала определяющим конструктивным параметром при
обеспечении безопасности от флаттера. При этом необходимо также
было учитывать возможность изменения частотных характеристик в
случаях отказов гидравлической системы.
И, наконец, еще одним важным фактором, определяющим устойчивость
упругих колебаний летательного аппарата, является демпфирование
колебаний органов управления на земле (V=0) и в полете.
Влияние сил трения в узлах подвески органа управления и в
элементах проводки управления с самого начала развития авиации
было важным фактором при возникновении флаттера. На первых
самолетах 30-х годов XX века органы управления нередко не
балансировались вообще или же балансировались лишь частично. При
«безбустерном» управлении на самолетах того времени
противофлаттерным средством служило сухое трение в проводке
управления. Наши учителя М.В.Келдыш и Я.М.Пархомовский поняли это
очень быстро. В силу нестабильности характеристик сухого трения, с
течением времени такие «естественные» демпферы отказывали и при
длительной эксплуатации парка самолетов возникал флаттер.
Происходило это, главным образом, с рулевым флаттером.
Соответствующие случаи впервые приведены в работах М.В.Келдыша,
Е.П.Гроссмана, Н.И.Марина.
Следует подчеркнуть, что однократное «обжатие» самолета даже с
некоторым превышением ограничения по скорости не является
достаточным для доказательства безопасности от флаттера парка
самолетов при серийной эксплуатации, особенно в сложных
атмосферных условиях. Надежным средством предупреждения флаттера
органов управления может быть установка сдублированных
противофлаттерных гидравлических демпферов, специально подобранных
под динамические характеристики системы управления.
Еще одной из важнейших причин возникновения флаттера органов
управления является антидемпфирование при трансзвуковых скоростях.
Обычно антидемпфирование наблюдается при 0,85<М<1,15, однако
иногда оно возникало при числах М=1,4-1,45. Скачки уплотнения,
замыкающие местные сверхзвуковые зоны, в этих случаях обычно
располагаются позади оси вращения и имеют максимальную
интенсивность и подвижность по поверхности органа управления, т.е.
величину смещения скачка при малом изменении угла отклонения руля.
В данном случае становится возможным флаттер с одной или
преобладанием только одной степени свободы. Флаттер с
аэродинамическим антидемпфированием колебаний органа управления
впервые в отечественной летной практике получен на одной из
модификаций самолета МиГ—17 летчиком-испытателем ГА.Седовым.
Впоследствии такой флаттер наблюдался на рулях и элеронах ряда
других самолетов. Весовая балансировка органов управления в этих
случаях оказывалась неэффективной, а иногда даже вредной. За
рубежом вибрации органов управления такого типа получили название
«buzz».
Обеспечение безопасности от флаттера органов управления является
не простым делом, требующим тонких многоплановых исследований,
включая моделирование в скоростных аэродинамических трубах и
определение частотных характеристик органа управления при
резонансных испытаниях самолета. Если жесткость системы управления
недостаточна для предотвращения флаттера, необходимо применить
точно нормированную балансировку органа управления или установить
противофлаттерные гидравлические демпферы.
Данную книгу мы были намерены опубликовать во второй половине 80-х
годов, но новые финансовые условия издательств, а затем
нахлынувшие реформы рыночной экономики не позволили осуществить
задуманное.
В настоящее время в условиях резко возросшей стоимости трубного и
летного эксперимента и связанного с этим уменьшения объема
исследований флаттера, особенно в трубах больших скоростей,
авиационному конструктору при разработке нового самолета и при
доводке динамических характеристик может понадобиться опыт
предыдущих исследований флаттера.
Авторы надеются, что приведенное в книге обобщение практического
опыта борьбы с флаттером органов управления, а также результаты
исследований флаттера и нестационарных аэродинамических
характеристик органов управления при трансзвуковых скоростях будут
полезны авиационным конструкторам, аэродинамикам и специалистам по
флаттеру. |
