Флаттер или стрекоза и самолет

В учебниках сказано: "Флаттером называется весьма опасный вид самовозбуждающихся колебаний..." Англо-русский словарь так толкует это английское слово:Флаттер - 1. Махать, бить крыльями. 2. Неустойчивые колебания. 3. Риск.

На заре развития авиации авиаторы столкнулись с непонятным и грозным явлением в воздухе: стоило лишь самолету превысить определенную скорость, как его начинало трясти, словно в бешеной лихорадке, и машина разваливалась на куски прежде, чем летчик успевал что-нибудь предпринять. Не всем удавалось спастись из обломков рассыпавшегося самолета, но те, кому посчастливилось, не могли толком ничего объяснить - слишком неожиданно и быстротечно все происходило. Для примера обратимся к воспоминаниям другого выдающегося советского летчика-испытателя Героя Советского Союза М. Галла я, которому пришлось исследовать флаттер в воздухе. Вот что он пишет:

"И вдруг будто огромные невиданные кувалды со страшной силой забарабанили по самолету. Все затряслось так, что приборы на приборной доска передо мной стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпелы на ветру. Меня самого швыряло по кабине из стороны в сторону - долго после этого не проходили на плечах набитые о борта синяки. Штурвал, будто превратившийся в какое-то совершенно самостоятельное, живое и притом обладающее предельно строптивым характером существо, вырвался у меня из рук и метался по кабине так, что все попытки поймать его ни к чему, кроме увесистых ударов по пальцам, не приводили.

Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклепок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!"

Впоследствии группе советских ученых во главе с академиком М. В. Келдышем удалось найти причины этого явления. Флаттер победили.

Оказалось, что каждый самолет имеет определенную скорость, при которой аэродинамические силы начинают закручивать и колебать его крылья со все возрастающей амплитудой. Иногда было достаточно нескольких секунд этой бешеной тряски - всего три-четыре колебания крыла,- чтобы крыло оказалось вывороченным.

Когда причина флаттера стала ясна, легко нашлись и способы борьбы с ним: крыло стали делать более жестким, утяжелили переднюю кромку на концах крыла.

Интересно, что природа давно создала прообраз того самого приспособления, которое так долго и мучительно искали ученые и конструкторы. Может быть, вы замечали, что у стрекоз на всех четырех крыльях есть темные утолщения возле переднего края вершины крыла - птеростигмы. Когда птеростигма удалялась из стрекозиного крыла, то взмахи крыльев становились неравномерными, а сам полет неустойчивым и менее стремительным. Это подтверждает, что птеростигма регулирует взмахи крыльев и является как бы противофлаттерным грузом.

Бафтинг

Бафтинг представляет собой колебания элементов конструкции, обусловленные быстро изменяющимися аэродинамическими силами, вызванными срывным обтеканием впереди лежащих частей самолета. Срыв потока может происходить с крыла при полете на больших углах атаки, с различных надстроек на фюзеляже, с подвесок, расположенных на крыле и в местах соединения крыла с фюзеляжем. Причиной бафтинга может быть выпущенное шасси, открытый в полете грузовой люк и пр.

Срыв потока может наступать на околозвуковых скоростях полета вследствие образования ударной волны и отрыва пограничного слоя с поверхности крыла. Это так называемый скоростной бафтинг. Наиболее часто встречается бафтинг хвостового оперения, который внешне воспринимается как периодические удары по оперению. Спектр частот пульсирующих нагрузок, действующих на оперение, находящееся в вихревом потоке за крылом, весьма широк, и, следовательно, колебания могут возникнуть на частоте, близкой к частоте собственных колебаний конструкции (резонанс). Срыв потока вызывает вибрации деталей, на которых нарушается плавность обтекания, и тех деталей, на которые попадает поток, "засоренный" срывными вихрями.
Под воздействием срыва потока с крыла может возникнуть, например, бафтинг горизонтального оперения. При этом оперение начинает вибрировать и амплитуды его колебаний быстро нарастают. Разрушение конструкции при бафтинге может происходить по истечении некоторого времени - вследствие явления усталости, а может происходить очень быстро (если энергия возбуждающих сил велика). Кроме того, затенение хвостового оперения приводит к потере эффективности руля высоты, что сказывается на управлении самолетом.
Так как основной причиной бафтинга являются срывы потока при обтекании отдельных частей самолета, то борьба с ним ведется, главным образом, путем улучшения аэродинамических форм самолета, снижения интерференции в местах стыковки его агрегатов. В отдельных случаях положительные результаты были достигнуты за счет выноса горизонтального оперения из зоны спутной струи или повышения изгибной жесткости оперения и фюзеляжа. Последняя мера, однако, связана со значительным увеличением веса конструкции. В ряде случаев полностью устранить бафтинг практически не удается. Поэтому для таких самолетов вводят ограничения на некоторых режимах полета, например ограничения по скоростному напору при полете с внешними подвесками, с открытыми грузовыми люками и др.