§ 4. Изгибно-рулевой (элеронный) флаттер. Балансировка рулей

С появлением представления о физике изгибно-крутильного флаттера крыла были построены математические модели многих других видов флаттера, в которых участвовали силы упругости крыла, фюзеляжа, оперения вместе с инерционными и аэродинамическими силами рулей, и элеронов. Наиболее простым и понятным можно считать флаттер изгиба крыла с элероном или оперения с рулем. Физика такого вида флаттера была построена в 30-е годы и с тех пор, на наш взгляд, не претерпела каких-либо существенных изменений, хотя конструктивные и силовые схемы крыла и оперения достаточно сильно изменились [3].

На фиг. 1в показано сечение крыла с элероном в равновесном положении 0-0 и отклоненном в результате случайного импульса 1-1. Для простоты считаем крыло абсолютно жестким на кручение. Точка В - ось вращения элерона, точка С - центр тяжести элерона. Легко заметить, что из положения 2-2 крыло под действием упругих сил устремится к своему равновесному состоянию и увлечет за собой элерон. Ускорение j, направленное в сторону действующих упругих сил, вызовет в элероне силы инерции, равнодействующая которых будет направлена в сторону, обратную ускорению, и отклонит элерон вверх. Считаем, что такое отклонение оказывается возможным ввиду упругости проводки управления от штурвала летчика до элерона и возможных люфтов в ее соединениях. Подъемная сила, вследствие такого отклонения элерона, направлена вниз, в сторону движения, то есть будет возбуждающей. Скорость U и в этом виде флаттера будет фактором демпфирующим (фиг. 1а).

Обратное движение крыла из положения 7-7 вверх, под действием упругих сил, вызовет отклонение элерона вниз и, следовательно, возбуждающую силу, направленную вверх.

Таким образом, и в этом случае возможен флаттер, критическая скорость которого определится превышением возбуждающих сил над демпфирующими (кривые на фиг. 1в).

Основным способом повышения критической скорости изгибно-элеронного (рулевого) флаттера избрана балансировка рулей. Центр тяжести С необходимо сместить так, чтобы он оказался впереди оси шарниров руля В (фиг.1в). Это выполняется постановкой в носовой части руля дополнительных грузов-балансиров (фиг.2в). В реальных конструкциях вес балансиров превышает половину веса непосредственно конструкции рулей и элеронов.

Физика изгибно-элеронного флаттера была описана в тридцатые годы, когда рули выполнялись с полотняной обшивкой и отношение максимальной изгибной жесткости к минимальной

незначительно отличалось от единицы. Следует заметить, что соотношение К никого не интересовало до появления работ автора. Изгибная жесткость рулей в плоскости хорд просто не вычислялась. С появлением металлической обшивки это соотношение выросло и достигает 50-100. Рули современных самолетов из соображений живучести стали многоопорными, то есть навешенными не на двух шарнирах, а на трех и более. Изгиб крыла (фигЛв) в таких конструкциях сопровождается изгибом руля. Появление угла при колебаниях (фиг.2с) вызывает прогибы руля в своей плоскости (лобовые прогибы) и чем больше и Y, тем больше эти прогибы.

На изгиб руля в своей плоскости при большом К уходит большое количество энергии и это препятствует безграничному увеличению амплитуд колебаний. Этот факт был обнаружен автором и развит в работах его учеников. Кривая на фиг.2с подтверждена экспериментально на модели в аэродинамической трубе. Испытывалось оперение с рулем, соотношение жесткостей которого К изменялось в процессе эксперимента за счет сменных лонжеронов. Обнаружено, что каждому значению К соответствуют две точки на кривой . Нижняя - , соответствующая началу флаттера, верхняя - выше которой колебания прекращаются, то есть зона флаттера ограничена и связано это с изгибом отклоненного руля при колебаниях в своей плоскости.

При больших К > колебания флаттера не наступают вообще. И это для оперения, руль которого не сбалансирован, то есть нет в его конструкции паразитных балансировочных грузов. При конкретном К появление такого рода бесфлаттерной зоны связано со статическим прогибом оперения Y_k (фиг. 2d).

Далее можно рассуждать так: колебания изгибно-рулевого флаттера наступают при достаточно больших скоростях и, следовательно, нагрузки на оперение могут вызвать соответствующие прогибы оперения и предотвратить флаттер, то есть флаттер не наступит вообще и нет необходимости в балансировочных грузах!

Может быть мы просто зря на наших самолетах (а это делается во всем мире) возим громадные балансировочные грузы? Но ведь модели самолетов испытываются в аэродинамических трубах, скажете Вы... Да испытываются, но основной законодательный документ об испытаниях "Нормы прочности" не требует моделирования рулей по величине К и по количеству шарниров навески и поэтому эффект, о котором мы пишем, не может быть выявлен на модели самолета в аэродинамической трубе.