Тема 3_Аэроупругость

Величина приращения подъемной силы, вызванная деформацией крыла, растет с увеличением скоростного напора, а величина приращения подъемной силы, обусловленная отклонением элеронов, от скоростного напора практически не зависит. В результате с ростом скоростного напора разность между этими величинами уменьшается и при некотором его значении становится равной нулю. Элероны при этом полностью неэффективны. Скорость полета, соответствующую полной потере эффективности элеронов, называют критической скоростью реверса элеронов.

Элероны, расположенные в средней, более жесткой части крыла, в меньшей степени влияют на деформации крыла и поэтому сохраняют свою эффективность до больших чисел М полета. Такое расположение элеронов применяется довольно часто, хотя это и ведет к уменьшению площади крыла, занятой взлетно-посадочной механизацией.

На оперении, выполненном по схеме стабилизатор - руль, может иметь место реверс рулей. Суть его подобна реверсу элеронов. При отклонении рулей изменяется нагрузка главным образом в хвостовой части профиля. Это вызывает такое закручивание стабилизатора, при котором прирост подъемной силы оперения уменьшается. На всех высотах полёта критическая скорость реверса органов управления должна удовлетворять следующим условиям:

Vкp.pев > 1,2Vmax.max при Vmax.max < 600 км/ч;

Vкp.pев > Vmax.max + 100 км/ч при Vmax.max > 600 км/ч.

"Всплывание" элеронов

"Всплыванием" элеронов принято называть одновременное отклонение элеронов в одну сторону при попадании самолета в порыв ветра. Возможность "всплывания" объясняется упругостью проводки управления и наличием в ней люфтов.

Отклонения элеронов за счет "всплывания" могут составлять 4 -5 град.

Одновременное отклонение элеронов вверх приводит к появлению кабрирующего момента. Если крыло прямое, момент, как правило, невелик и легко парируется отклонением рулей высоты. У самолета со стреловидным крылом момент на кабрирование может получаться значительным. Это может привести к выходу самолета не недопустимо большие углы атаки.

"Всплывание" элеронов может произойти также из-за температурных деформаций конструкции крыла и проводки управления. Уменьшение влияния "всплывания" элеронов на характеристики устойчивости и управляемости самолета можно обеспечить, увеличивая жесткость проводки управления, снижая величины шарнирных моментов или же принимая меры, направленные на уменьшение кабрирующего момента. Для уменьшения кабрирующего момента элероны располагают в средней части стреловидного крыла или выполняют каждый из двух секций: внутренней, которая работает в течение всего полета, и внешней, которая вступает в работу лишь на взлете и посадке.

Трансзвуковая тряска рулей.

Завихрения, вызванные отделением пограничного слоя с крыла, попадая на оперение самолёта, вызывают аэродинамическую тряску. Срыв пограничного слоя происходит на малых скоростях полёта перед началом сваливания (срывная тряска). Также отделение пограничного слоя возникает за скачками уплотнения при полёте в трансзвуковом диапазоне чисел М (скоростная тряска).

Поскольку во втором случае сорванный поток обладает гораздо большей энергией, то при попадании на оперение может вызвать разрушение конструкции. Нужно всячески избегать попадания на режим скоростной тряски.

«Зуд» системы управления.

Если скачок уплотнения расположен возле оси вращения рулевой поверхности, то её отклонение может вызывать перемещение скачка, создавая быстрые изменения шарнирного момента. Это вызовет вибрацию проводки управления, называемую «зуд» системы управления.

Методы улучшения управляемости в трансзвуковом диапазоне

Эффективность традиционных рулевых поверхностей уменьшается в трансзвуковом диапазоне числе М. Некоторого улучшения можно добиться, используя генераторы вихрей.

Тем не менее, коренного улучшения управляемости можно добиться используя:

- цельноповоротный стабилизатор;

- интерцепторы-элероны.

Зуда рулевых поверхностей можно избежать путём установки узких полосок вдоль задней кромки, использованием демпферов проводки управления или увеличения жесткости контура управления (усилия от поверхности замыкаются на силовом приводе).

Из-за возрастания и большого изменения шарнирных моментов на рулевых поверхностях в трансзвуковом диапазоне, система управления обеспечивается рулевыми приводами и механизмами искусственного создания усилий на органах управления.

Автоколебания колес шасси типа "шимми"

Применение самоориентирующихся колес передних стоек привело к появлению нового не встречавшегося ранее вида самовозбуждающихся колебаний передней стойки, получившего название "шимми". Шимми - самовозбуждающиеся колебания носовой стойки шасси, которые могут возникнуть на определенной скорости движения самолета во время разбега или пробега. Эти колебания вызывают интенсивные вибрации носовой части фюзеляжа и приборных досок, что затрудняет наблюдение за приборами, могут вывести из строя бортовое оборудование, привести к срыву пневматиков, поломке стойки и разрушению конструкции носовой части фюзеляжа. Рассмотрим кинематическую картину шимми. Будем считать, что стойка и узлы ее крепления к самолету абсолютно жесткие, пневматик упругий, колесо может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси. Предполагается также, что относительно поверхности грунта колесо не проскальзывает. Во время движения самолета по грунту носовое колесо может поворачиваться вокруг оси ориентира как жесткий диск, пневматик - получать боковую деформацию сдвига и закручиваться (см. рис. 7.7.). Смещение отсчитывается от центра контактной площадки до срединной плоскости диска колеса. Угол закручивания пневматика равен углу между продольной осью симметрии контактной площадки и плоскостью колеса.

Рис. 7.7. Основные параметры “Шимми”

Наличие отмеченных трех степеней свободы и обуславливает характер колебаний. Особенность этих колебаний в том, что они имеют совместный изгибно-крутильный характер. Если катящееся колесо, например, получило боковую деформацию, то в следующий момент времени оно повернется на определенный угол. Для выяснения сущности явления рассмотрим перемещение точек, расположенных на беговой дорожке в плоскости симметрии колеса при его движении по грунту (см. рис. 7.8.). При боковой деформации колеса точка А, лежащая в контактной поверхности, сместится на определенную величину от плоскости симметрии, а точка В, лежащая выше контакта с грунтом, на меньшую величину. Следовательно, после того, как колесо совершит поворот, при котором точка колеса В войдет в контакт с грунтом, контактная поверхность повернется на некоторый угол, а затем и колесо повернется на этот же угол. Если начальный импульс вызвал поворот колеса на определенный угол (см. рис. 7.9.), то в следующий момент контактная площадка сойдет с прямой, по которой движется ось стойки. При этом за счет сил сцепления колеса с поверхностью грунта начнет накапливаться изгибная (боковая) деформация пневматика. С увеличением боковой деформации поворот колеса постепенно уменьшается и при достижении максимальной боковой деформации становится равным нулю. При дальнейшем движении угол поворота колеса возрастает, а боковая деформация уменьшается. Таким образом, колесо совершает колебательное движение, катясь по траектории переменной кривизны. Амплитуда самовозбуждающихся колебаний шимми зависит от соотношения энергии, подводимой к колесу, и энергии демпфирования. Демпфирование колебаний стойки происходит за счет трения в узлах и проскальзывания пневматика относительно грунта. Если энергия, подводимая к стойке, больше энергии демпфирования, то амплитуда колебаний возрастает.

Критическая скорость шимми повышается с увеличением выноса колес, его жесткости и при применении колес меньших размеров. При выносе, большем радиуса колеса, явление шимми практически невозможно. Однако по конструктивным соображениям обычно принимают вынос менее 0,6-0,7 от радиуса колеса. Жесткость колеса зависит от степени износа пневматика и давления его зарядки. Износ и снижение давления в пневматике приводят к уменьшению его жесткости, а, следовательно, к уменьшению критической скорости шимми.

Повысить критическую скорость шимми можно, применяя спаренные колеса, жестко связанные между собой одной осью. В случае колебаний такой стойки колеса движутся по траекториям различной кривизны (см. рис. 7.9.). Следовательно, они должны иметь и различные поступательные скорости при одной и той же угловой. Возможно это только в условиях проскальзывания колес. При этом на колесо, движущееся по траектории большего радиуса, будет действовать лобовая сила трения, направленная назад, а на колесо, движущееся по меньшему радиусу, - сила, направленная вперед. Момент указанных сил стремится вернуть колеса в нейтральное положение. Работа сил трения колес о грунт вызывает затухание колебаний. К недостаткам такой конструкции следует отнести быстрый износ пневматиков.

Для борьбы с шимми на современных самолетах применяют гидравлические гасители (демпферы) колебаний (см. рис. 7.10.). Величина критической скорости шимми зависит также от нагрузки на переднюю стойку и коэффициента трения пневматика о поверхность взлетно-посадочной полосы. Чем больше эти величины, тем меньше критическая скорость шимми.