ВВЕДЕНИЕ. Две первые лекции, написанные автором по просьбе Соросовского фонда, посвящены явлениям катастрофического изменения формы крыла и колебаниям

Две первые лекции, написанные автором по просьбе Соросовского фонда, посвящены явлениям " катастрофического изменения формы крыла" и " колебаниям катастрофического изменения формы крыла". В основе этих явлений лежат силы взаимодействия крыла с отклоненной рулевой поверхностью, свойственные современным конструкциям и обнаруженные автором (фиг.1).

Фиг. 1. Реакции, загружающие кронштейн навески руля самолета. Серьга.

Силы взаимодействия крыла с рулем передаются через элементы связи - кронштейны навески рулей, которые могут быть упругими (фиг.1), или имеют " серьгу" - концевую часть кронштейна, присоединенную к нему цилиндрическим шарниром, для кинематической свободы шарниров навески руля и освобождения кронштейнов от сил , направленных вдоль оси вращения руля.

Парадоксально то, что при определенных геометрических соотношениях кронштейна и серьги могут появиться новые силы на порядок большие, чем те от которых мы хотели освободиться, вводя кинематическую свободу шарниров с помощью серьги.

Нагрузки в срединной плоскости рулей, вызванные их совместным деформированием с несущими поверхностями, реализуются лишь в том случае, если связи между ними (кронштейны навески) не податливы в этом направлении. Кронштейны считают загруженными вдоль своей оси лишь небольшой составляющей аэродинамической нагрузки, появляющейся при отклонении руля, и силой с качалки управления. Исходя из этого, кронштейны проектируют как балки, способные воспринимать лишь нормальные реакции и довольно небольшие растягивающие силы , которые, как правило, не учитывают. Расчет кронштейнов кажется до того очевидным и простым, что о нем даже не упоминается в учебниках и справочниках о самолетной прочности. Однако, в свете сказанного ранее, вопрос этот может оказаться не таким уже простым. Составляющие реакций в плоскости отклоненного руля , вызванные его совместным изгибом со стабилизатором (килем), должны быть взаимноуравновешенными, следовательно, некоторые из них будут для кронштейнов сжимающими. Как показывают расчеты, они могут оказаться значительно больше растягивающих составляющих внешней аэродинамической нагрузки. Кронштейн сжат! С первого взгляда это не очевидно, и поэтому кронштейны представляют собой длинные тонкие стержни, способные воспринимать нормальные реакции и не проверенные на устойчивость. Длина кронштейна определяется необходимой аэродинамической компенсацией руля и не обсуждается конструктором, но кинематика навески должна проектироваться с учетом лобовых составляющих реакций [1].

Получила распространение схема, в которой все кронштейны, кроме одного, снабжены дополнительным элементом серьгой, назначение которой в разных учебниках по конструкции летательных аппаратов определяется по-разному: для удобства навески, из соображений взаимозаменяемости и для устранения возможности заклинения, т.к., руль и стабилизатор, " из-за различия в нагрузках и жесткости, имеют неодинаковые деформации осей жесткости" и поэтому узлы руля стремятся переместиться вдоль размаха относительно ответных узлов стабилизатора.

Считают, что кронштейны без серьги, препятствуя этим перемещениям, загружаются составляющими реакций вдоль оси шарниров , вызывая заклинение. Исследования автора показывают, что реакции эти в реальных кронштейнах (ТУ-104) очень малы. Изменение шарнирных моментов, которое вызывают эти силы, ничтожно и, если они способствуют заклинению, то отнюдь не являются его основной причиной. Основная причина увеличения шарнирных моментов связана с большими лобовыми реакциями рулей , которые на больших прогибах могут дать существенные добавки к моментам, вычисляемым по недеформированной расчетной схеме. Ни для кого не секрет, что моменты могут сильно отличаться от реальных, замеренных по усилиям на штурвал управления в полете. Управляя рулем, нам приходится поворачивать его относительно криволинейной оси. Это просто, если лобовая и нормальная изгибные жесткости руля почти одинаковы (руль из трубы с полотняной обшивкой) и совсем не просто, если эти жесткости отличаются на два порядка.

Кронштейны навески рулей проектируются как балки, работающие на изгиб от поперечной нагрузки, к ним не предъявляется требование работать на сжатие, которое может вызвать их потерю устойчивости в плоскости наименьшей жесткости, поэтому и появились кронштейны с очень короткой серьгой. В то время, как известно, что у стержня, работающего на сжатие, нагрузка на который передается через дополнительное, шарнирно присоединенное звено (каким и является кронштейн с короткой серьгой), критическое усилие резко падает с уменьшением длины этого звена (серьги). Кроме того, кронштейны выполняются в виде балок с существенно различными минимальной и максимальной изгибными жесткостями, что делает актуальным вопрос их критической загрузки в срединной плоскости и влияния нормальной реакции на критическое значение лобовой .

С первого взгляда кажется, что кронштейны с серьгой освобождены от осевых реакций - реакций в направлении оси вращения руля . Действительно, серьга позволяет точкам отклоненного руля перемещаться относительно стабилизатора при поперечном изгибе. Эти перемещения, направленные вдоль оси шарниров, тем больше, чем дальше кронштейн с серьгой расположен от " жесткого" кронштейна, который, как правило, находится в корневой части руля, в районе качалки управления. Если кронштейн загружен лобовой реакцией , то поворот серьги обязательно дает осевую составляющую , которая тем больше, чем короче серьга. В этом случае кронштейн работает как сжатоизогнутая балка, имеющая все три составляющие полной реакции, которые взаимно влияют друг на друга.

Таким образом, короткая серьга не только освобождает кронштейн от осевых реакций, а, наоборот, загружает сжатые кронштейны и руль еще большими осевыми силами . Для того, чтобы избавиться от осевых реакций, нужно, в первую очередь, избавиться от лобовых. Это можно сделать введением в кинематику всех кронштейнов, кроме двух, свободы перемещения в направлении X. Еще лучше, если при проектировании представляется возможным уменьшить лобовую жесткость руля, приближая ее к нормальной.