Т. Карман - Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии (1161639), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Это предположение оправдано при условии, что жесткость конструкции значительна, а скорость полета малая,но влияниями деформации конструкции нельзя постоянно пренебрегать, особенно на высоких скоростях. Эти влияния обозначают термином аэроупругвсть. Азроупругость имеет огношение к взаимному влиянию аэродинамических снл и у.пругих дефорляацпй. Рвссхлогрикл крыло самолета как балку.
Балка имеет так называемую упругую ось; ея.пи на эту ось действует подъемная сила, то в результате появляется простой изгиб без сопутствующего ему кручения. Но если подъемная сила действует в передней части упругой оси, то в результате деформации появляются изгиб и кручение, последнее стремится увеличить угол атаки. Это, в свою очередь, увеличивает подьемную силу, и, следовательно, кручение. Конечно, упругость крыла сопротивляетгя этой деформации. Однако поскольку аэродинамическая сила увеличивается приблизительно с квадратом скорости полета, тогда как упругость независима от скорости, то теоретически дачжнв существовать критическая скорость, при которой оба воздействлля рвв- 162 Глава р ны, и вылив которой наступаег упругая неустойчивость.
Эта скорость называется скоростью расхождения. В реальном полете она встречается редко; н жизни я наблюдал ее лишь однажды это был очень печальный опыт. В 1922 году планер под названиелэ И"е11епвед1ег (вМировой парусиикл) участвовал в соревнованиях по планированию в горах Роны. Его построила группа честолюбивых студентов, у которых явно недоставало знаний в области упругости и аэродинамики: относительное удлинение было больше двадцати. Сначала планерист успешно плыл в восходящем потоке. Однако когда он вышел из области восходящего потока, он вошел в пикирование с возрастакэщей скоростью. Мы наб.чюдали с вершины горы, как крыло планера медленно отламывалось.
Еще одной неприятностью, связанной с упругой деформацией. является реверс рычагов управлетлл. Рассмотрил~., например, обычный элерон. Если конструкция крыла жесткая., то отклонение элерона вниз создает увеличение подъемной силы, и, следовательно, момент крена, который стремится поднять конец крыла. Но если конструкция крыла, гибкая, то кручение крыла, вьвванное отклонением злерона, улленьшает угол атаки конца крыла и, в связи с этим, уменыпает подъемную силу, дейслвуюшую на концевой профиль, и момент крена.
Таким образом, фактический момент крена может быть существенно меньше по сравнению с создаваемым тем же отклонением элерона на жестком крыле. Другими словалэи, элерон теряет часть своей эффективности. 1!оскольку это влияние возрастает со скоростью полета, то существует критическая скорость, при которой элерон полностью бесполезен, а прн еще более высоких скоростях действие элерона окажется обратным. Если учитывать упругие эффекты, то теория крыла, становится сложнее, чем она представляется из главы П. Для жесткого крыла эффективный угвэ атаки относительного воздушного потока при любом попере шом сечении, который определяет подъемную силу н сопротввление сечения, получен как результат объединения скорости полета и индуктивного скоса потока. Для упругого крыла величина и направление относительного воздушного потока зависят также от упругой деформации, на которую в свою очередь влияет то же распределение подъемной силы, Это мы пьлтвемся рассчитать.
Сирс предложил приближенный метод расчета такого взаимного действия ~8]. Аэроупругие эффекты важны для всех высокоскоростных самолетов. Если относительное удлинение большое, то кручение крыла значительно. Для са- Устойчиоосгоь и оороупррсость 163 молетов с малым относительным удлинением мы встречаем некоторые другие виды аэроупругих деформаций, такие как распределение изгиба на хорде. Наконец, нам следует рассмотреть совместное влияние упругих и инерционных сил.
Один еле,чующий простой пример, Предположим, что стреловидное упругое крыло выполняет снижение. Увеличение наклона благодаря снижению сгремится изогнуть концы крыла вворх. Но поскольку снижение замедляется возросшей подъемной сгшой, то силы инерции стремятся изогнуть концы вниз. В этом примере видна существенная разница между реальным полетом и его моделированием в аэродинамической трубе: в аэродинамической трубе движение модели обычно ограничено, так что силь| упругости модочирунхц но без компенсирующих их сил инерции. Наиболее важный пример взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных спл называется флаттсром.
Кратко опишу здесь простейший случай. Рассмотрим крыло, с установленной шарнирно закрепленной поверхностью управления, и предположим, что крыло выполняет изгибное колебание в воздушном потоке. Частота этого колебания в основном равна упругой частоте крыла; на нее отчасти влияет скорость полета, но это воздействие невелико. Для простоты предположим, что поверхность управления полностью свободна.
Поскольку ее омывает воздушный поток, то она становится эффективно жесткой, также как флюгер; она имеет явную упругость. Эта явная упругость определяет частоту колебания поверхности управления; ее частота, несомненно, увеличивается со скоростью воздушного потока. Если ее частота совпадает с частотой изгибных колебаний крыла, то люжно наблюдать болыпое увеличение амплитуды колебаний, В этом простом случае флаттер имеет характер резонанса.
Возможно, простейшим примером резонанса является маятник, точка опоры которого продолжает совершать качебательное движение с частотой, равной частоте маятника. Легко доказать экспериментально, что в этом случае маятник будет испытывать значительные колебания. Явление резонанса ловко используют люди, предсказывающие с помощью маятника скрытые процессы. Например, они предсказывают существование воды или руды под землей. Опи настраивакгг маятник на частоту своего пульса, так что малейшее движение руки заставляет маятник колебаться со значительной амплитудой. Наш простой случай с флаттером основан на подобном же принципе. 164 Глава р Будучи упругим, крыло всегда слегка колеблется. так что шарнир поверхности управления периодически двигается, даже если это не видно невсюруженным глазом. Это движение не является нежелательным, зв, исключением случая, когда частота поверхности управления становится равной частоте крьша.
В этом случае возникает резонанс и как крыло, так и поверхность управления развивают значительные амплитуды колебаний. Читателю может быть интересно, что является источником относительно большой кинетической энергии этого сильного колебания. Это правда, что гггпосительный воздушный поток стремится ослабить изгибные колебания крыла, но колебания поверхности управления берут энергию из воздушного потока и возбуждают колебания крыла вместо того, чтобы гасить их. Этот пример отчасти упрощен, но он хорошо служит для демонстрации того, как при определенной скорости илп определенном диапазоне скоростей могут существовать самовозбуждающиесл колебо»шл.
Реальные явления флаттера намного сложнее; например, резонансы возможны между любыми сочетаниями изгнбных и крутильных колебаншй крыла и многими видами колебаний поверхности управления. Флаттер является важной и трудной проблемой аэроупругопги; л«ногин авиационные инженеры специализируются по ней.
В каждой крупной авиакомпании есть подразделение, специально занимающееся проблемой флаттера. Несколько лет назад, когда скорость 450 500 миль в час все еще оставалась высокой, президенту опной авиакомпания в Калифорнии позвонили из Райт Фалд (%г1610 Е1е1й) и сообщили, что модель саэ«олета столкнулась с серьезным флаттером на скорости 450 миль в час. Президент вызвал вице-президента компании, отвечающего за техническое обеспечение самолетов, и сказал: «Какой позор! У нас работают лучшие математики, флаттером занимается целый отдел, и все же генерал Х звонит мне из Райт Филда и сообщает, что на скорости 450 миль в час у нас появляется флаттер!» Поэтому вице-президент пошел к руководителю группы исследования флаттера и сказал: «Нам позвонили из Райт Филда и сообщили, что у нашего нового самолета флаттер возникает на скорости 150 миль в час!» На что инженер ответил: «Не л«ожет быть! Я рад это слышать.
В своем отчете я прогнозировал флаттер на скорости 445 миль в час1» Наука аэроупругости, включая теорию флаттера, находится сейчас в процессо бурного разв~«тия. Опо особенно необходимо, потому что большие силы, действующие на части самолета при высокоскоростном 165 Литперапьгрра полете, требуют от конструктора все более и более точного анализа упругих деформаций конструкции самолета. Хотя математика задачи стала сложнее, развитие новых вычислительных устройств позволяет инженеру получить решение сложных систем уравнений в значительно более короткий промежуток времени, чем раньше, и с повышенной точностью.
В алиациояном проектировании и строительстве находят широкое применение не только такие вычислительные устройства, но некоторые авиационные инженерные организации стараются изо всех сил улучшать и создавать новые вычислительные машины. Литература (!) А. 1ьепаиб, Астор!иле аивотаотеит', 1'Аогоььаысе, б (1872), 2- 9. ьЕастично перепечатана в книге Р.'ты. ЬапсЬеяГег, Аетойоиейсв (Ьопс)оп, .1908) Аррегы)!х 1. (2) Е.,1. Ноп!Ь, А Ттеа!гве оп ббе Бтабг1йр оЕ а Сгоеп БЫ!в оЕ Моноп, Ратйси1ат!д Бгеаь(у Мо!гоп (Ьопг1ов, 1877), (3) С. Н.
Вгуап, япь) 15г. Е. "ььь!11!агав, ТЪе Ьопдгтиь(ьтьа! Б!абг!г!у оЕ А егьа! Игь(етв, Ргосее61пбя оЕ гЬе Воуа1 Бес!есу оЕ Ьопбоп, вепев А., 73 (1904)ь 100 — 116; С, Н. Вгуап, Бгабг!г!у гп Аогайоп (Ьопбоп, 1911). (4) С. А. Сгоссо, Бит !а вгабг!гсе ьЕея ь(гтгдеаб!ев, Сошр!ев гепдпв г!е ГАсагйдппе с)ея Вс!епсев, Рагкь 139 (1904), 1195-1198; Бийа в!абг!гта ь)ег ь)гтгдьбг!г, Вепг11сопг! ь1е!1а Неа!е Ассаг)егп!а г1е! 1!псе!, с1авве гй вс!епве ЙщсЬе, гпасегпабсЬе е павша11, 13 (1904), 427 — 432. (5) Н.Е. УКуковскигйг., О парении птаиц, Собр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
