Флаттер оперения

Бафтинг

Бафтинг (от англ. buffet – ударять, бить) – вынужденные колебания элементов конструкции под действием быстро изменяющихся аэродинамических сил, возникающих при срыве потока с впереди лежащих частей самолета. Срыв потока может происходить с крыла и оперения при полете на больших углах атаки, с различных надстроек на фюзеляже, с внешних подвесок, расположенных на крыле, в местах неплавного соединения крыла и фюзеляжа. Причиной бафтинга может быть выпущенное шасси, открытый люк и пр. Наиболее часто встречается бафтинг хвостового оперения.

Вследствие срыва потока за плохо обтекаемыми элементами образуется аэродинамический след, который при попадании на другие части самолета вызывает на них пульсацию давления, что приводит к вибрации этих частей. Амплитуды вибраций имеют «пики», соответствующие частотам собственных колебаний конструкции (резонанс).

В зависимости от интенсивности колебаний различают легкий, средний и тяжелый бафтинг. Легкий бафтинг не препятствует нормальной эксплуатации самолета. Средний бафтинг затрудняет пилотирование, ухудшает комфорт экипажа и пассажиров, значительно снижает ресурс конструкции. Тяжелый бафтинг исключает возможность пилотирования и приводит к быстрому разрушению конструкции. Часто срыв потока наступает на трансзвуковых скоростях полета вследствие образования на крыле скачков уплотнения и отрыва пограничного слоя. Это так называемый скоростной бафтинг, который может отличаться высокой интенсивностью.
Так как основной причиной бафтинга являются срывы потока при обтекании отдельных частей, то борьба с ним ведется, главным образом, путем улучшения аэродинамики самолета: выступающим в поток элементам конструкции (антенны, пилоны и т.п.) придаются хорошо обтекаемые формы, выполняется плавное сопряжение с фюзеляжем крыла и оперения. В случае бафтинга хвостового оперения хорошие результаты дает вынос горизонтального оперения из спутной струи за крылом. Иногда интенсивность бафтинга снижается увеличением жесткости оперения и фюзеляжа.

По своей конструкции и условиям работы оперение во многом аналогично крылу. Поэтому все крыльевые формы флаттера возможны и на оперении. Однако вследствие изгиба и кручения фюзеляжа оперение имеет больше степеней свободы. В связи с этим возможны и даже более вероятны формы флаттера с участием упругого фюзеляжа. Рассмотрим комбинацию « изгиб фюзеляжа – отклонение рулей».

Рис.6

Допустим, что под действием какого-то случайного импульса фюзеляж прогнулся вверх и оперение заняло положение 1 (рис.6).

Под действием упругих сил фюзеляж начнет выпрямляться, перемещая оперение со скоростью u и ускорением j вниз к положению равновесия.
Относительно оси вращения руля инерционные силы, направленные вверх, создадут момент,

где – масса руля; – расстояние от оси вращения до центра масс руля.

Этот момент вызовет отклонение руля вверх (из-за наличия люфтов в проводке управления), что приведёт к изменению подъемной силы на величину DYв, которая будет возбуждающей, так как направлена в сторону движения (положение 2). Скорость же движения u изменит угол атаки оперения на величину Da и создаст дополнительную подъемную силу DYд, которая будет демпфирующей, так как направлена вверх против движения.

Таким образом, при колебаниях оперения возникают возбуждающие и демпфирующие силы. Первые с увеличением скорости растут более интенсивно. Следовательно, при достижении некоторой скорости полета возможен флаттер оперения типа «изгиб фюзеляжа – отклонение рулей».

Так как основной причиной бафтинга являются срывы потока при обтекании отдельных частей, то борьба с ним ведется, главным образом, путем улучшения аэродинамики самолета: выступающим в поток элементам конструкции (антенны, пилоны и т.п.) придаются хорошо обтекаемые формы, выполняется плавное сопряжение с фюзеляжем крыла и оперения. В случае бафтинга хвостового оперения хорошие результаты дает вынос горизонтального оперения из спутной струи за крылом. Иногда интенсивность бафтинга снижается увеличением жесткости оперения и фюзеляжа.