Как расположение двигателя может повлиять на склонность к флаттеру?

Чтобы лучше понять, что такое флаттер, представьте структуру как систему масса-пружина, подобную пружинному маятнику , к которому прикреплен демпфер . Аэродинамические силы делают пружину более жесткой и гасят движение. Главное, они будут действовать с запаздыванием по отношению к движению пружинного маятника. Поскольку здесь мы имеем дело с колебательными явлениями, эта задержка вызывает фазовый сдвиг. Величина демпфирования увеличивается с динамическим давлением, а угол фазового сдвига уменьшается с увеличением скорости полета.

Все становится интереснее, когда угол фазового сдвига приближается к π. Теперь демпфер будет работать не против движения пружинного маятника, а будет его поддерживать. Амплитуда движения не уменьшится, а увеличится - демпфирование станет отрицательным*. Флаттер бывает .

Есть несколько способов сместить эту точку за пределы огибающей полета:

• Уменьшите массу или инерцию системы масса-пружина : теперь собственная частота системы будет выше, поэтому фазовый сдвиг будет приближаться к π с более высокой скоростью. Перемещение двигателей ближе к фюзеляжу увеличит собственную частоту изгиба крыла, поэтому любой флаттер, связанный с изгибом крыла, будет смещен на более высокие скорости. Типичным случаем может быть флаттер, возникающий в результате сочетания моды быстрого периода с модой изгиба крыла в летательных крыльях со стреловидностью.

• Сделайте пружину более жесткой : это снова повысит собственную частоту пружины, поэтому более жесткая структура сдвинет скорость флаттера вверх. Однако это не панацея: при разработке Rockwell Commander 112 летные испытания выявили флаттер горизонтального оперения. Профессор из Канзаса рекомендовал усилить хвостовой лонжерон и был настолько убежден, что это устранит флаттер, что присоединился к следующему испытательному полету только для того, чтобы разбиться с самолетом. Как оказалось, жесткость сместила скорость флаттера так, что задействованные силы сломали лонжерон, в то время как флаттер был неразрушающим с более мягким лонжероном на более низкой скорости (как в этом видео ).

• Измените собственную форму пружины : если движение изгибающегося крыла одновременно добавит крутящий момент, который скручивает крыло, что приводит к меньшему местному углу атаки и, следовательно, к меньшей подъемной силе на движущейся вверх части крыла. цикла и наоборот, аэродинамическое демпфирование может быть увеличено. Сместив двигатели вперед , масса двигателя будет вносить такой крутящий момент в крыло. Конечно, при размещении дальше за бортом масса двигателя вызовет больший угол кручения при том же крутящем моменте, поэтому смещение двигателей к законцовкам крыла делает это более эффективным.

• Сместите резонансную скорость ниже минимальной скорости полета : это может звучать глупо, но иногда работает: при достаточно быстром полете фазовый сдвиг может быть достаточно мал, чтобы вернуть аэродинамическое демпфирование обратно в положительную область, и самолет не будет флаттеровать с этим конкретным флаттером. режим. Но он все еще может трепетать на гармонике …

Как правило, для достижения положительного демпфирования центр тяжести детали должен располагаться впереди ее упругой оси . В случае управляющих поверхностей их центр тяжести должен находиться на линии шарнира или впереди нее. Вот причина уравновешивания масс !

* чтобы быть точным: пока демпфирование замедляет движение, член демпфирования математически отрицателен и становится положительным, когда он начинает его поддерживать.

Это очень интересный вопрос с очень сложным ответом! Проблему аэроупругости решить непросто. Причина в том, что уравнения (или, лучше, система уравнений), описывающие его, непросты (в этом случае нелинейность аэродинамических сил создает большинство аналитических проблем). Флаттер можно оценить с помощью аэроупругого моделирования. Следующий рисунок (из EPFL ) иллюстрирует систему уравнений.

Как видите, есть, грубо говоря, три вещи (и их взаимодействие), о которых дизайнер должен помнить: динамика, механика жидкости и механика конструкций. Обычно это делается с помощью упрощенных версий самолета, как показано ниже (взято из DLR ).

На основе этого упрощенного представления о самолетах можно провести торговые исследования для лучшего понимания.

Ответ TL; DR на ваш вопрос: да , все, что вы упомянули, необходимо учитывать при проектировании планера.

При проектировании самолета положение двигателя имеет значение. Но дело не только в положении, но и в массе и упругих свойствах планера. Кроме того, необходимо учитывать аэродинамические силы.

Не существует простых рецептов уменьшения флаттера, поскольку большинство из них работают только для ограниченного набора граничных условий. Очень (расплывчатым) основным может быть: Разместите двигатели так, чтобы маневренные нагрузки приводили к небольшой (как можно меньшей) упругой деформации (тем самым уменьшая количество потенциальной энергии, запасенной в планере).

Другой рецепт — посмотреть, что сделали другие. Учитывая, что вы планируете использовать самолет так же, как другие производители предлагают самолеты, и учитывая, что вы используете аналогичные материалы и технологии производства: вы можете использовать существующие конструкции в качестве отправной точки для вашего профессионального исследования.

Нет, перемещение двигателей к законцовкам крыла не увеличит склонность к флаттеру. Флаттер можно представить как тенденцию аэродинамического профиля скручиваться перпендикулярно воздушному потоку. Структура крыла упругая, а упругая торсионная коробка снова подпружинивает крыло - флаттер похож на любую систему пружины-массы-демпфера с недостаточным демпфированием, которая может начать колебаться.

В целом меры, которые можно предпринять против флаттера, следующие:

• Уменьшить силу скручивания: уменьшает амплитуду колебаний
• Увеличьте жесткость на кручение. Сделайте его достаточно жестким, и вибрации практически не будет
• Увеличьте демпфирующие силы. Уменьшает количество перерегулирований и амплитуду. Это не так просто сделать в конструкции крыла.

Увеличение массы системы масса-пружина-демпфер увеличивает амплитуду перерегулирования, увеличивает период колебаний и увеличивает количество перерегулирований.

Итак, практические меры, которые можно предпринять против флаттера:

• Установите двигатель рядом с законцовкой крыла, впереди оси аэроупругости, это уменьшит силу закручивания воздушного потока назад. Чем ближе к законцовке крыла, тем лучше он справляется со своей задачей по уменьшению силы флаттера и устранению изгиба крыла. Но слишком близко к носку и толчок при посадке будет чрезмерным: есть оптимум.
• Установите двигатель на оптимальном расстоянии вперед от оси аэроупругости, слишком далеко вперед, и конструкция для увеличения жесткости при крутящем моменте станет слишком тяжелой. Слишком далеко назад, и это не делает свою работу хорошо.

Расчетная крутка крыла рассчитывается в крейсерских условиях, заданный угол атаки у земли не очень критичен, если самолет может развернуться назад достаточно далеко.

Установка двигателя в задней части фюзеляжа в гондолах в основном больше не используется для более крупных самолетов, на этот вопрос пару раз отвечали на этом сайте.