Катастрофических колебаний.

В современных самолетах величина отклонения руля на больших скоростях строго ограничена. Известны случаи, когда превышение рекомендуемых величин отклонения приводит к поломкам руля и даже оперения в целом. В оперении с полотняной обшивкой катастрофы рулей невозможны из-за их малой лобовой жесткости. Большие соотношения жесткостей появились как результат перехода к металлической обшивке и продолжают расти с увеличением габаритов самолетов, в которых рули имеют стрингеры, а иногда и второй лонжерон. Встречаются самолеты, у которых соотношение лобовой изгибной жесткости руля к нормальной достигает двухсот.

Предлагаемый раздел посвящен описанию экспериментального исследования колебаний на модели оперения с многошарнирной навеской руля, проведенного в дозвуковой аэродинамической трубе Казанского авиационного института (рис. 2.3.4). Продувочная модель горизонтального оперения

прямоугольной формы в плане с симметричным 8 % профилем представляет собой стабилизатор, на который навешен руль.

Рис. 2.3.4

Каждая независимая половина его имеет 6 шарниров, 5 из которых имеют серьгу. Качалка управления расположена в корневом сечении. Модель относится к типу отсечно-балочных, т.е. жесткости стабилизатора и руля определяются только лонжеронами, а нанизанные на лонжероны отсеки задают внешнюю форму для создания аэродинамической нагрузки, но не включаются в силовую работу конструкции. Правда, у рассматриваемой модели отсеки стабилизатора связаны между собой так, что включаются в его лобовую и крутильную жесткости. В статье приведены результаты эксперимента на модели с рулем постоянного сечения, имеющим нормальную изгибную жесткость 12 даН•мм² и лобовую 4795 даН•мм^2. Изгибная жесткость лонжерона стабилизатора ЕI_x выполнена переменной (см. таблицу).

Лобовую изгибную и крутильную жесткости стабилизатора за счет включения в силовую работу отсеков можно считать большими. Ось шарниров руля расположена около 0, 3 его хорды, чтобы свести до минимума шарнирный момент и докритическое закручивание руля. Для исключения изгибно-рулевого флаттера руль статически сбалансирован по каждому отсеку (ввиду большого числа отсеков такую балансировку можно считать динамической). В среднем сечении одной половины оперения на лонжероне руля наклеены тензодатчики, которые при соответствующем подключении к тензостанции дают на осциллографе его нормальную и лобовую кривизны[3].

Основная задача эксперимента – получить катастрофические колебания в потоке и выделить их из всех возможных. На указанной модели при угле атаки стабилизатора, равном 3°, и угле отклонения руля в 20°, при плавном увеличении скорости потока, на скорости 33 м/c начались гармонические колебания с частотой около 5 колебаний в секунду. При этом визуально и по снятому фильму обнаружены совместные колебания “изгиб стабилизатора – изгиб и кручение руля”, происходящие около некоторого изогнутого положения оперения. Интересно, что руль без балансировки имеет менее выраженные колебания и с меньшей амплитудой. Балансировка и, тем более, перебалансировка только способствует возникновению колебаний и увеличивает их амплитуду. С увеличением скорости потока при достижении 35 м/с колебания совсем исчезают и не возникают больше с ростом скорости, вплоть до исчерпания возможностей аэродинамической трубы. При этом руль остается в прощелкнутом положении, то есть во всех сечениях, кроме близких к качалке управления, хорда руля примерно совпадает с хордой стабилизатора. При уменьшении скорости потока колебания возникают уже при скорости 31 м/с, а при 29 м/с исчезают и не появляются, вплоть до остановки потока. После исчезновения колебаний углы отклонения руля во всех сечениях примерно равны отклонению по качалке управления. Колебания, полученные на одной из указанных скоростей, не прекращаются, если изменять скорость лишь в пределах 29÷ 35 м/с. При выходе из этого диапазона колебания исчезают. Поведение модели в потоке соответствует представлениям о катастрофах описанным в начале параграфа. Колебания происходят в диапазоне скоростей, где каждой скорости соответствуют два устойчивых равновесных состояния оперения.

Вход в колебания не всегда четко соответствует границам диапазона Р_н–Р_в (рис. 2.3.1), так как с приближением скорости к этим точкам (внутри диапазона 29÷ 35 м/с) достаточен небольшой случайный импульс для перехода ко второму равновесному состоянию в область больших перемещений.

Для доказательства возникновения катастрофических колебаний проведен анализ изменения нормальной и лобовой кривизн руля. Если в модели оперения возбудить малые изгибные колебания, при которых отклоненный руль еще не прощелкивает, то нормальные и лобовые кривизны руля совпадают по фазе. Рост кривизны оперения определяет пропорциональный рост лобовой кривизны руля. Это видно из рис. 2.3.5 который представляет собой осциллограмму изменения указанных кривизн при свободных колебаниях модели с малой амплитудой изгиба.

Рис. 2.3.5

При квазистатическом прощелкивании модели обнаружено, что лобовая кривизна руля в испытуемом сечении падает практически до нуля. То же самое происходит и в потоке. Осциллограмма, изображенная на рис. 2.3.6, записана при скорости потока, равной 32 м/с. Близкий к пропорциональному, рост нормальной и лобовой кривизн руля резко нарушается при достижении нормальной кривизной некоторых критических значений. Лобовая кривизна начинает падать, максимум ее, изображенный на рис. 2.3.3 пунктиром, не реализуется. При максимальной кривизне оперения лобовая кривизна стремится к минимуму, но не достигает его, так как упругие силы начинают уменьшать нормальную кривизну, вызывая тем самым обратное прощелкивание. При минимальной кривизне оперения кривые совпадают по фазе, а затем цикл повторяется.

Рис. 2.3.6

Рисунки 2.3.3 и 2.3.6 очень похожи, то есть качественное подтверждение теории и существования катастрофических колебаний состоялось. Количественно частота колебаний (5 герц), замеренная экспериментально, и частота (6 герц) полученная теоретически, значительно отличаются. Это отличие можно свести к нулю, если в уравнениях 2.3.6 учесть люфты в шарнирах навески. Мы это делали, но не приводим по той причине, что от эксперимента к эксперименту люфт менялся за счет износа, от которого отверстия в шарнирах навески руля не только увеличивались, но и приобретали эллипсность.

Доказательство того, что получены колебания катастрофического изменения формы (на моделях, испытанных ранее) оставляло возможность объяснять их срывом потока. Чтобы исключить возможность объяснения колебаний срывом потока, узлы навески руля выполнялись податливыми в направлении осей кронштейнов. Такой руль, нестесненный в своей плоскости кронштейнами, имеет нулевую лобовую кривизну при любых деформациях изгиба стабилизатора. Из статики деформирования такой модели видно, что она не прощелкивает и руль при любых прогибах стабилизатора, сохраняет углы отклонения во всех сечениях, близкие к первоначальным, соответствующим недеформированному оперению. Испытуемая модель с освобожденными шарнирами продувалась на всех возможных скоростях, в том числе и на тех, на которых ранее были получены катастрофические колебания (29÷ 35 м/с), но никаких даже тенденций к колебаниям обнаружено не было.

Представленные в настоящем описании материалы позволяют утверждать, что полученные колебания являются колебаниями катастрофического изменения формы составных стержней в потоке газа, которые ранее не были известны, и которых нет в классификации [14].