Флаттер в авиации что это
Флаттер
Полезное
Смотреть что такое «Флаттер» в других словарях:
ФЛАТТЕР — [англ. flutter] авиац. самопроизвольно возникающие вибрации крыла, хвостового оперения или других элементов летательного аппарата, вызывающие иногда разрушение конструкции. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г., 2006. флаттер (англ. flutter)… … Словарь иностранных слов русского языка
Флаттер — (авиация) Флаттер (акустика) Список значений слова или словосочетания со ссылками на соответствующие статьи. Если вы попали сюда из … Википедия
флаттер — колебание, вибрация Словарь русских синонимов. флаттер сущ., кол во синонимов: 2 • вибрация (13) • … Словарь синонимов
ФЛАТТЕР — (от англ. flutter) сочетание изгибных и крутильных колебаний крыльев, оперения и др. элементов конструкции самолета. При неправильном выборе конструкции может привести к разрушению самолета … Большой Энциклопедический словарь
ФЛАТТЕР — самовозбуждающиеся незатухающие колебания частей летательного аппарата (крыла, хвостового оперения, лопастей воздушного винта, обшивки и др.), приводящие, как правило, к разрушению конструкции. Опасное явление возникает по достижении некоторой… … Большая политехническая энциклопедия
ФЛАТТЕР — самовозбуждающиеся незатухающие упругие колебания (т. н. автоколебания) крыльев, тонких обшивок, рулей, лопаток вращающихся машин, лопастей винтов и т. п., возникающие из за их неустойчивости при определенных скоростях обтекания потоком жидкости… … Морской энциклопедический справочник
флаттер — [тэ], а; м. [англ. flutter] Авиа. Самопроизвольно возникающая вибрация крыла или хвостового оперения самолёта во время полёта, вызывающая обычно аварию. * * * флаттер (от англ. flutter), незатухающие упругие колебания частей летательного аппарата … Энциклопедический словарь
флаттер — Рис. 1. Зависимость Vкр от определяющего параметра. флаттер (от англ. flutter трепыхаться, бить крыльями) явление аэроупругости, одна из разновидностей вибраций незатухающих упругих колебаний частей летательного аппарата,… … Энциклопедия «Авиация»
флаттер — Рис. 1. Зависимость Vкр от определяющего параметра. флаттер (от англ. flutter трепыхаться, бить крыльями) явление аэроупругости, одна из разновидностей вибраций незатухающих упругих колебаний частей летательного аппарата,… … Энциклопедия «Авиация»
Флаттер — (англ. flutter – вибрация) самовозбуждающиеся колебания частей летательного аппарата (главным образом крыла и оперения), возникающие при достижении т. н. критической скорости флаттера; может привести к разрушению конструкции. Явление Ф.… … Большая советская энциклопедия
В современной авиационной диагностике есть два связанных между собой динамических испытания. Это наземные вибрационные испытания и испытание на флаттер (Flutter) эффект. Эти испытания проводят для конкретной конфигурации самолета для определения безопасной и устойчивой зоны полета.
Проявление флаттер эффекта на математической конечно-элементной модели самолета
Перед полетом реального самолета обязательно прогнозируются условия наступления флаттер эффекта который ограничивает устойчивую область полета (высота и скорость) у самолета. Аналитические предсказания флаттер эффекта проверяются на структурной элементной математической модели при наземных вибрационных испытаниях, а также на аэродинамической масштабной модели самолета, при испытаниях её в аэродинамической трубе.
После, расчеты проверяются и уточняются путем выполнения теста на флаттер эффект при полете реального самолета.
Разрушение самолета при флаттер эффекте
Важность учета флаттер эффекта
Флаттер эффект может происходить не только в воздухе. Такой эффект присущ любой среде. Для среды этот эффект можно описать так: флаттер эффект – это динамическая неустойчивость упругой конструкции в потоке среды (воздуха или жидкости), вызванная положительной обратной связью между отклонением тела и силой, создаваемой потоком среды.
Флаттер эффекта необходимо избегать, так как он может привести к катастрофическим событиям, и к полному разрушению самолета. Поэтому так важно, для получения абсолютной уверенности в предсказаниях, соответствие модельных прогнозов данного эффекта с результатами наземных испытаний.
Возможности возникновения флаттер эффекта нового самолета должны быть хорошо изучены.
Взаимодействие различных сил, действующих на самолет. Слияние этих сил может привести к нестабильному состоянию, называемому: флаттер эффектом.
После аналитических проверок и испытаний на земле, переходят к фактическому анализу флаттер эффекта при летных тестовых испытаниях. Методично и тщательно, производя тестовые испытания на разных высотах и скоростях полета, проверяется и расширяется зона устойчивого полета самолета.
Расширение зоны устойчивого полета. Тестовые измерения производится в определенных «точках полетных данных». Тестовые точки показаны в правой части графика.
Выполнение наземных вибрационных испытаний
Продолжительность наземных вибрационных испытаний может занимать от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от размеров самолета, количества измерительных каналов, количества различных конфигураций полезной нагрузки, миссии и т.д.
Планирование любых испытаний очень важно для обеспечения их эффективности. Чтобы время простоя нового самолета было сведено к минимуму, предварительно проводят испытания на масштабной элементно-конструктивной модели самолета. Модель используется для разработки и определения наиболее эффективной конфигурации вибрационных тестов, включая местоположения нагрузочных устройств и акселерометров, а также разработку тестов на проверку граничных условий.
Масштабная элементно-конструктивная модель самолета Конкорд (Concorde)
Бывает так, что характеристики полета самолета существенно изменяются из-за дополнительных конфигураций полезной нагрузки (Рис.6) или даже от количества топлива в баках. Важно провести наземные вибрационные испытания и протестировать все конфигурации самолета, которые могут повлиять на летно-технические характеристики самолета.
В зависимости от типа воздушного судна, с помощью наземных вибрационных испытаний может быть испытано множество различных конфигураций нагрузки, а так же зависимость поведения самолета от количества топлива в баках.
Сбор данных при наземных вибрационных испытаниях.
Нагрузочное и измерительное оборудование
Вариантов нагрузки может быть значительное количество, поэтому времени для тестирования самолета может потребоваться много. Не редкость, когда для проведения одного теста по наземным вибрационным испытаниям требуется несколько нагрузочных вибрационных устройств (возбудителей) Рис.7, и большое количество, до сотен, акселерометров (примечание: акселерометр – прибор измеряющий величину приложенного ускорения).
Боковой возбудитель (слева) и вертикальный возбудитель (снизу) для авиационного двигателя.
Для всех вибрационных тестов важно обеспечить достаточную энергию возбуждения колебаний по всему объему тестируемого элемента, чтобы получить на выходе хорошую ответную реакцию на сигнал. Примеры различных сигналов возбуждения, доступные для испытаний.
Виды различных сигналов возбуждения для проведения наземных вибрационных испытаний. Некоторые из сигналов являются синусоидальными, а некоторые имеют случайных характер и представляют собой шумовой сигнал.
Типичными сигналами возбуждения колебаний являются случайные импульсные или узкие пиковые гармонические сигналы, но для критических мод, важных для предсказания флаттер эффекта, используются другие сигналы, которые имеют чистую синусоидальную природу.
Режимы возбуждения: синусоидальный, ступенчатый и нормальный
Частными случаями синусоидальных режимов возбуждения являются: ступенчатые сигналы (меандр) и нормальный режим возбуждения.
Ступенчатый (меандр) — периодический сигнал прямоугольной формы, широко используемый в радиотехнике и электронике. Синтез прямоугольного сигнала происходит из сложения набора гармоник периодического синусоидального сигнала. Чем больше число гармоник, тем ближе сигнал к идеальной прямоугольной форме.
Настройка и изолирование определенного режима возбуждения, таким образом, чтобы он имел реакцию только с одной степенью свободы носит название нормального режима. Управляя амплитудой и фазой всех сил возбуждения в нормальном режиме можно получить прямую зависимость отношения ускорения в каждой движущей точке от приложенного возбуждения.
Фигуры Лиссажу используются для проверки резонансного состояния системы. Построение графика силы от ускорения в месте расположения движущей точки от двух нормальных режимов, имеющих сдвиг фаз, может показать это состояние. В случае сдвига фаз в 90 градусов график Лиссажу образует круг, как показано на рис. 7.
Примечание: Фигуры Лиссажу — траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Впервые изучены французским учёным Жюлем Антуаном Лиссажу.
Фигуры Лиссажу. Зеленый цвет – фазы графиков сдвинуты на 90 градусов
Обычно в испытаниях используется несколько возбудителей колебаний, реакции от каждого из которых учитываются одновременно. Поскольку между возбудителем и ответной реакцией существует связь, которую в нормальных режимах можно зафиксировать и оценить, то для подсчета фазы от нескольких возбудителей требуется матричная оценка фазы возбуждения.
В «древние времена» измерения проводились высококвалифицированным тест-оператором, который отслеживал показания датчиклов сразу по нескольким графикам Лиссажу. В настоящее время компьютерные программы автоматически выполняют такие операции, обрабатывая одновременно большое количество информации для проверки резонансных условий. Пример окна программы с отображением показаний для нормальных режимов.
Скриншот программы обработки нормальных режимов с графиками Лиссажу (внизу)
Тестирование и демпфирование в нормальном режиме
При нормальном режиме частотные характеристики не вычисляются. Формы мод получаются непосредственно из показания оборудования. Результат частотного демпфирование не содержится в результатах нормального режима, и поэтому должен быть получен с помощью дополнительного расчета на демпфирование. На рисунке 9 показана программа для расчета частотного демпфирования.
Расчет экспоненциального затухания
Есть несколько методов, доступных для расчета частотного демпфирования, в том числе:
Обработка данных при наземных вибрационных испытаниях: модальный анализ
Используя собранные данные: резонансные частоты, моды и затухание, полученные при разнообразных тестах, будь то тесты с широкополосными случайными сигналами, синусоидальными сигналами, либо ступенчатыми, формируется компьютерная конечно-элементная модель поведения самолета в полете. Результат расчета флаттер эффекта показан на рисунке.
Форма крыльев самолета F-16, при проявлении флаттер эффекта, рассчитанная на основе показаний, собранных во время наземных частотных испытаний
Как уже упоминалось, частотные данные для нормальных режимов являются прямым результатом снятия показаний с измерительного оборудования.
Полученные частотные параметры тестовых режимов, в современных испытаниях, сразу оцениваются, на испытательном полигоне, путем сравнения с ожидаемыми результатами компьютерного анализа и прогнозов. Предварительная оценка проводится для того, чтобы убедиться в отсутствии каких-либо явных различий, до того, как измерительное оборудование будет демонтировано. Компьютерные конечно-элементные модели, расчётная и тестовая, прямо в программе Simcenter Testlab, путем импорта результатов моделей в формате NASTRAN или ANSYS, накладываются друг на друга, и сравниваются.
ANSYS — универсальная программная система для конечно-элементного анализа. Программа является популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (САПР) и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций.
Вывод
Наземные вибрационные испытания вместе с испытаниями в аэродинамической трубе используются для проверки конструктивных и аэродинамических моделей, которые в сочетании приводят к более точному прогнозированию флаттер эффекта.
Предсказание и моделирование флаттер эффекта, в настоящее время, является лишь операциями на компьютерной модели, в то время как тестовые полетные испытания становятся окончательной проверкой того, что зона стабильного полета избавлена от проявления этого эффекта.
Для статьи использовалась информация с сайтов компаний PRODERA и Siemens Industry Software
Авиация России
Гражданская авиация, пассажирские и боевые самолеты и вертолеты России, новости и история российской и советской авиации.
Как в СССР победили флаттер
В 30-х годах XX века с ростом скорости самолётов их пилоты столкнулись с таким явлением, как флаттер. В переводе с английского слово flutter означает «дрожание», «трепетание». И действительно, главным проявлением флаттера стала вибрация консолей крыла и органов управления самолёта, а позже — несущих винтов вертолётов.
Известный советский лётчик-испытатель, Герой Советского Союза Марк Галлай в своей книге «Через невидимые барьеры» писал: «С появлением новых скоростных самолётов в авиации едва ли не всех передовых стран мира прокатилась волна таинственных, необъяснимых катастроф. Случайные свидетели, наблюдавшие эти катастрофы с земли, видели во всех случаях почти одинаковую картину: самолёт летел совершенно нормально, ничто в его поведении не внушало ни малейших опасений, как вдруг внезапно какая-то неведомая сила, будто взрывом, разрушала машину — и вот уже падают на землю изуродованные обломки: крылья, оперение, фюзеляж… Новому грозному явлению было дано название флаттер (от английского flutter — трепетать), но, если не ошибаюсь, ещё Мольер сказал, что больному не делается легче оттого, что он знает, как называется его болезнь по-латыни».
Сам Галлай, работавший до войны лётчиком-испытателем ЦАГИ, а с марта 1941 года — Лётно-исследовательского института, также сталкивался с этим непонятным тогда явлением. В 1941 году он провёл испытания на флаттер скоростного бомбардировщика СБ (АНТ‑40), разработки КБ Андрея Туполева.
«Одна за другой приходили тревожные вести о таинственной гибели французских, английских, американских скоростных самолётов, — пишет Марк Галлай. — Постепенно накапливались факты, и картина флаттерного взрыва стала обрастать достоверными подробностями».
Причина возникновения флаттера
Оказалось, что разрушение происходит не так уж мгновенно, как поначалу представлялось наземным наблюдателям. До него некоторое, хотя и чрезвычайно короткое, измеряемое считанными секундами время происходят вибрации, чаще всего крыла, а иногда оперения самолёта. Размах этих вибраций возрастает так быстро, что почти сразу же приводит к поломке колеблющихся частей. Подлинная картина явления прояснялась. Но оставалось непонятным главное: причины, порождающие это явление, и способы их преодоления.
В борьбу за раскрытие тайны флаттера включились учёные. Исследования флаттера начались ещё в начале 1920-х годов. Первым был молодой немецкий физик Вальтер Бирнбаум (Walter Birnbaum), который получил в октябре 1922 года докторскую степень от Людвига Прандтля за свою диссертацию «Задача о колеблющемся крыле самолёта при необъяснимых вибрациях на высоких скоростях полёта, что привело к многочисленным авариям». Бирнбаум планировал продолжить свои исследования в Аэродинамической лаборатории в Гёттингене, куда был приглашен работать в 1925 году, но умер шесть недель спустя в возрасте 28 лет.
Идеи Бирнбаума получили значительное развитие в 1929 году, когда в Германии вышла работа на эту тему Германа Бленка (Hermann Blenk) и Фрица Либерса (Fritz Liebers), которые попытались получить дифференциальные уравнения колеблющегося крыла и, интегрируя их, вычислить критическую скорость полёта, при которой наступает потеря устойчивости конструкции.
«Флаттер протекает обычно так бурно и размах колебаний крыльев достигает столь больших величин, что, передаваясь по тягам управления на штурвал, вибрации легко могут вырвать его из рук лётчика», – Марк Галлай, «Через невидимые барьеры».
В 1931 году англичане Роберт Фрейзер (Robert Frazer) и Уолтер Данкен (Walter Duncan) опубликовали результаты изучения физической стороны флаттера, его энергетического баланса и мер, которыми можно предотвратить его развитие.
В Советском Союзе изучение флаттера было начато на десять лет позже, чем в Германии, в 1932 году. Проблемой занялись в Экспериментальном аэродинамическом отделе ЦАГИ, в бригаде по исследованию вибраций, которой сначала руководил В. П. Лысков. В конце 1934 — начале 1935 года работы этой бригады были подвергнуты критике группой работников ЦАГИ. Трое из них — Евгений Гроссман, Савва Кричевский и Александр Борин — в мае 1935 года опубликовали в сборнике «Труды ЦАГИ» работу «К вопросу о потере устойчивости конструкцией крыла в полёте». В ней они положили начало выяснению физической сути флаттера и созданию надёжных методов его прогнозирования и предупреждения.
«Флаттер относится к категории автоколебаний, то есть периодическая возмущающая сила возникает в процессе самих колебаний, — объяснял позже физику явления Борин. — При флаттере таким возмущающим воздействием являются аэродинамическая сила и момент».
К работе этих учёных глава ЦАГИ Сергей Чаплыгин подключил молодого, но уже проявившего свои незаурядные способности инженера Мстислава Келдыша. Он в 1931 году окончил МГУ, после чего был направлен на работу в ЦАГИ, где работал до декабря 1946 года сначала инженером, затем — старшим инженером, начальником группы. В то же время Келдыш поступил осенью 1934 года в аспирантуру в Математическом институте, где занимался вопросами теории приближений функций, тесно связанными с прикладной тематикой его работы в области аэродинамики. В 1935 году ему без защиты присвоили учёную степень кандидата физико-математических наук.
«Талант Келдыша состоял в умении найти обоснованные упрощения схемы этого явления, — пишет советник генерального директора ОАК по науке и технологиям Борис Алешин (в 2009–2015 годах — директор ЦАГИ). — Была разработана эффективная система выполнения сложных расчётов. В то время в распоряжении исследователей из вычислительных средств были лишь логарифмическая линейка и арифмометр».
Бои идей в ЦАГИ развернулись нешуточные. Ушедший из института начальник бригады по исследованию вибраций В. П. Лысков послал письмо в ЦК ВКП(б), в котором писал, что «ЦАГИ осуществляет неправильные, наносящие вред стране, действия». «Пролетарские учёные» Лысков и другие оппоненты ЦАГИ из Днепропетровска выпустили брошюру «К вопросу об ошибочности методики Гроссмана расчёта крыльев самолёта на изгибно-крутильный флаттер».
Гроссман был ближайшим коллегой Келдыша в ЦАГИ. Для самого же Мстислава Всеволодовича ситуацию осложняло дворянское происхождение, два деда-генерала, наличие родственников за границей и репрессированные члены семьи. По словам сотрудников ЦАГИ тех лет Якова Пархомовского и Льва Попова, дело в споре между учёными по флаттеру дошло до разбирательства в Отделе науки ЦК ВКП(б), где «разыгралось настоящее сражение, но М. В. Келдышу и Е. П. Гроссману удалось одолеть «лысковскую гидру»».
Применённый Келдышем и его соратниками новый теоретический подход к решению проблем аэродинамики в соединении со здравым инженерным анализом сыграли центральную роль в изучении флаттера. Сам Мстислав Келдыш в своей статье «О демпферах с нелинейной характеристикой», опубликованной в «Трудах ЦАГИ» в 1944 году, отмечал: «Мы не даём строгого математического доказательства всех относящихся сюда положений, а ряд выводов построим на интуитивных соображениях». Келдыш для подавления флаттера органов управления самолёта использовал нелинейный анализ математических моделей и метод гармонического баланса.
Теорию должны были подтвердить экспериментальные исследования и лётные испытания. Для этого в аэродинамической трубе Т‑5 ЦАГИ была испытана динамически подобная модель крыла самолёта АНТ‑25, на котором советские лётчики во второй половине 1930-х годов выполнили рекордные перелёты на Дальний Восток и в США. Эксперименты в трубе дали хорошее совпадение с расчётами по методике Келдыша.
Следующей задачей стало создание аппаратуры, способной сигнализировать о приближении флаттера. Однако, по словам Марка Галлая, выбранный для её испытаний серийный двухмоторный скоростной бомбардировщик СБ довести до флаттера было физически невозможно: даже при самом крутом пикировании с полным газом он скорее просто поломался бы от силового воздействия встречного потока воздуха, чем попал во флаттер. Поэтому в интересах эксперимента самолёт намеренно «испортили»: сняли с обоих элеронов специальные противофлаттерные весовые балансиры и, таким образом, снизили критическую скорость флаттера до величины вполне достижимой — несколько даже меньшей, чем максимальная скорость горизонтального полёта.
Скоростной бомбардировщик СБ (АНТ-40)
Такие испытания на СБ в начале 1941 года и провёл Галлай. Вот как он сам о них рассказывал: «И вдруг — будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолёту. Все затряслось так, что приборы на доске передо мной стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпелы на ветру. Меня самого швыряло по кабине из стороны в сторону — долго после этого не проходили на плечах набитые о борта синяки. Штурвал, будто превратившийся в какое-то совершенно самостоятельное, живое и притом обладающее предельно строптивым характером существо, вырвался у меня из рук и метался по кабине так, что все попытки поймать его ни к чему, кроме увесистых ударов по пальцам, не приводили. Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклёпок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!»
Для борьбы с флаттером требуется установка балансировочных грузов в носке крыла ближе к его концам. Применимо и смещение двигателей вперед по полёту. Топливо, размещённое в отсеках крыла, также влияет на критическую скорость флаттера. С увеличением высоты полёта критическая скорость флаттера возрастает. Критическая скорость флаттера зависит также от расположения элерона по размаху, увеличиваясь при смещении элерона от конца в среднюю часть крыла.
Лётные испытания, подкрепленные экспериментами в аэродинамических трубах, полностью подтвердили теорию. Поэтому ещё в 1939 году Народный комиссариат авиационной промышленности СССР обязал всех авиаконструкторов «проводить» через отдел Келдыша в ЦАГИ расчёт на флаттер всех самолётов новых конструкций.
В 1940 году Келдыш в качестве итогового документа исследований по проблеме флаттера выпустил «Руководство для конструкторов», в котором были представлены методы расчёта на флаттер и практические рекомендации по предотвращению этого явления. В течение пяти лет он опубликовал 12 научных работ по флаттеру. Их результаты позволили обеспечить флаттерную безопасность советских самолётов.
Решение проблемы флаттера позволило самолётам летать ещё быстрее. «После того как была надёжно устранена опасность флаттера, на сцене появился звуковой барьер», — резюмировал Марк Галлай.
По материалам журнала ОАК «Горизонты» / №4(28).2020
На фото: испытания в ЦАГИ модели самолёта МС-21 на флаттер / © Объединённая авиастроительная корпорация