книги из ГПНТБ / Соломонов, П. А. Надежность планера самолета

ность. Величины перегрузок, возникающих от порывов ветра не­ велики, но они встречаются довольно часто, а для транспортных самолетов и самолетов-бомбардировщиков они могут достигать максимальных эксплуатационных величин. Нагрузки, возника­ ющие от порывов ветра, зависят :не только от расчетных, но и от эксплуатационных параметров. Так, изменение траектории по­ лета по высоте определяет характер действия порывов ветра по времени, а скорость полета оказывает влияние на величину перегрузки.

Для элементов конструкции планера современного самолета характерно возрастание величины и количества нагрузок, а так­ же "повышение уровня динамических нагрузок [7, 22]. При дина­ мическом возмущении возникают упругие колебания, которые существенно изменяют картину нагружения элементов. Динами­ ческая реакция упругой конструкции с одной степенью свободы зависит от формы возмущающей силы, соотношения времени ее нарастания и периода собственных колебаний конструкции. На величину динамического заброса существенное влияние также оказывают демпфирующие силы, учитываемые коэффициентом демпфирования. Напряжение в любой точке конструкции при динамическом нагружении

/=1

где величина Л ' соответствует напряжению в точке к при еди­ ничном перемещении i-й формы колебаний. (Для тонов, соот­ ветствующих движениям жесткого тела, Лгк=0.) Можно пока­ зать, что изгибающий момент и перерезывающая сила в задан­

10

ном сечении являются линейными функциями перемещений, соответствующих формам собственных колебаний.

При анализе динамического воздействия на самолет порыва ветра с учетом упругости конструкции следует рассматривать три фактора, которые приводят к существенному изменению ха-

Рис. 5. Интегральная повторяемость Ht вертикальных пере­ грузок пу в центре тяжести легкого самолета

рактеристик воздействия порыва на летательный аппарат. Вопервых, деформация конструкции приводит к изменению углов атаки несущих поверхностей, что вызывает появление добавоч­ ных аэродинамических сил. Для стреловидного крыла это приводит к снижению нагрузок на концевые части крыла и к некоторому снижению общей аэродинамической нагрузки. Разгружающее влияние деформации заметно увеличивается с ростом скорости полета. Во-вторых, при динамических дефор­

11

мациях возникают инерционные силы, пропорциональные второй производной от деформации по времени и вызывающие колебания конструкции; в-третьих, при колебаниях крыла возни­ кают аэродинамические силы, пропорциональные первой произ­ водной перемещений конструкции по времени, которые являются демпфирующими силами. Они возрастают пропорционально.

Ht

Рис. 6. Интегральная повторяемость H t продольных пере­ грузок пх в центре тяжести легкого самолета

квадрату скорости полета. На величину динамического нагру­ жения крыла существенное влияние оказывает скорость полета и градиент нарастания порыва ветра. Динамическое воздействиепорыва ветра приводит- к значительному повышению перегрузок на концевых частях летательного аппарата (на концевых частях крыла до 10—20 раз и в хвостовой части фюзеляжа до 5—10> раз).

12

Элементы конструкции планера современного самолета испы­ тывают значительные нагрузки при взлете, посадке и рулении (рис. 7). При этом особенно велик уровень динамических нагру­ зок. Величина и повторяемость перегрузок при посадке в центре тяжести самолета, а следовательно, и динамических нагрузок

Н

Рис. 7. Осциллограмма с записью нагрузок на стойки шасси при взлете:

на элементы конструкции планера у самолетов с реактивными двигателями значительно больше, чем у самолета с поршневыми двигателями. Это объясняется увеличением посадочных скоро­ стей и массы реактивных самолетов (рис. 8). Во время полета самолета, при взлете и посадке из-за ударов о неровную поверх­ ность различные элементы конструкции самолета подвергаются вибрациям (рис. 9). Амплитуды этих вибраций зависят от вели­ чин амплитуд и частот собственных колебаний частей самолета, а также от величин возбуждающих амплитуд и частот. Источни­

ка

ками значительных вибраций на самолетах являются также дви­ гатели и воздушные винты. Вопросы вибраций и динамической прочности самих двигателей и воздушных винтов являются весьма важными для решения задачи обеспечения их надежной работы и повышения ресурса. Лопатки компрессора и турбины испытывают колебания в результате воздействия на них перио­

механические колебания, являющиеся следствием его несбалан­ сированности или различием в углах установки лопастей, и зву­ ковые колебания. Частоты моторных (винтовых) вибраций кратны оборотам турбины двигателя или оборотам винта.

Колебания элементов конструкции планера могут вызывать­ ся также аэродинамическими силами. Аэродинамическими коле­ баниями условно, называют колебания, вызванные неравномер­ ностью обтекания внешних поверхностей самолета или его от­ дельных частей. Поток воздуха, обтекающий самолет, всегда является турбулентным, т. е. в нем всегда имеются местные или общие флуктуации давлений и скоростей. Следствием этого является возникновение «аэродинамических» колебаний конст­ рукции самолета. Опыт многочисленных измерений вибраций

14

самолетов свидетельствует о том, что аэродинамические вибра­ ции всегда имеют место в полете. Характерной особенностью этих колебаний является то, что они происходят с частотами, близкими к собственным частотам упругих колебаний конструк­ ции. Спектр частот этих вибраций может меняться в зависимости от режима полета (скорости V и высоты Н полета, углов атаки а несущих поверхностей самолета и других факторов), но пре-

Рис. 9. Осциллограмма с записью вибраций элементов конст­ рукции планера самолета в полете. Частота вибрации в Гц обозначена через f

обладающими частотами аэродинамических колебаний являют­ ся низкие частоты, соответствующие низшим тонам собственных колебаний конструкции самолета. Физическое значение этих частот соответствует диапазону 2—15 Гц, реже 25—30 Гц. Амп­ литуды аэродинамических колебаний зависят от степени турбу­ лентности потока воздуха. На крейсерских режимах полета при отсутствии болтанки и плавном обтекании амплитуды колебаний являются минимальными. На скоростях полета, близких :к ско,- рости звука (число М = 0,9—1,05), наблюдается резкое возраста­ ние аэродинамических вибраций, что связано с нарушением об­ текания поверхностей самолета потоком воздуха.

15

Колебание агрегатов планера самолета происходит также при рулении, взлетах и посадках. При рулении самолета, взле­ тах и посадках возникают силы реакции земли, которые вызы­ вают упругие колебания конструкции. Силы, передающиеся от шасси к конструкции, имеют различные законы, изменяющиеся по времени. Приземление на посадке может происходить на од­ ну, две или три стойки шасси с различной вертикальной и боковой скоростью полета самолета. Величина сил, действую­ щих при этом на элементы конструкции планера самолета, за­ висит от многих факторов, в частности, от величины и характера неровностей, прочностных свойств взлетно-посадочной полосы, режима торможения на пробеге и др. Комбинации этих сил и их величины носят случайный характер. Соответственно этому и реакция систем самолета на действия этих сил — колебание конструкции — тоже будет случайной. При этом колебания кон­ струкции происходят с частотами, соответствующими более низким тонам ее собственных колебаний. В процессе руления, разбега или пробега самолета частота колебаний агрегатов пла­ нера самолета меняется незначительно.

Колебания элементов конструкции при движении самолета по земле, в особенности на посадке, являются нестационарными. На различных участках пробега динамические нагрузки и коле­ бания конструкции могут существенно меняться. Частота виб­ раций меняется от 1—3 до 20—30 Гц. Частоты вибраций от­ дельных элементов конструкции планера могут достигать 200, 300 Гц и более. Величины амплитуд колебаний зависят от ско­ рости руления, состояния рулевых дорожек и действий тормоза­ ми. При рулении вследствие возбуждаемых упругих колебаний конструкции ускорения на концах крыла в 2—3, а в хвостовой части фюзеляжа примерно в 2 раза больше, чем в центре тяже­ сти самолета. Взлетно-посадочная полоса обычно бывает более ровной, чем рулевая дорожка. Однако скорость при взлете больше, чем при рулении. Поэтому уровни вибраций при взлете и при рулении по неровной поверхности остаются примерно оди­ наковыми.

При первых ударах на посадке возникают неустановившиеся колебания конструкции.

Приращение перегрузки в центре тяжести самолета и других местах конструкции может быть значительным и зависит глав­ ным образом от скорости снижения перед посадкой. Послепосадочный пробег самолета не вносит существенной разницы в ко­ лебания конструкции по сравнению с колебаниями, возникаю­ щими при разбеге самолета перед взлетом. Колебания частей самолета на грунтовой взлетно-посадочной полосе значительно больше, чем «а бетонированной.

На современных самолетах элементы конструкции планера подвергаются воздействию акустических нагрузок. Основным ис­ точником шума на летательных аппаратах являются их двига-

16

тели. С ростом мощностей двигателей возрастают и шумы. Шум возникает при перемешивании частиц струи горячего газа с окружающим воздухом. Интенсивность шума в точках, достаточ­ но удаленных от границ струи (в дальнем звуковом поле1), примерно пропорциональна восьмой степени относительной ско­ рости истечения струи и площади ее сечения на срезе сопла. Амплитуда звукового давления возрастает пропорционально чет­ вертой степени относительно скорости истечения. Для прочности

нии 3—4 м от среза сопла /=100-^500 Гц.

В связи с этим наибольшим акустическим нагрузкам подвер­ гаются элементы конструкции, находящиеся в непосредственной близости от источника шума — потока газов, вытекающих из сопла двигателя. Отмечено также, что при работе двигателей на земле угол границы струи увеличивается по сравнению с углом границы струи в полете и граничная поверхность струи прибли­ жается к поверхности самолета, в частности к поверхности фю­ зеляжа, что приводит к увеличению уровня акустических нагру­ зок при работе двигателей на земле. Так как при этом скорость струи относительно воздуха максимальна, то режим работы двигателей на земле, как правило, оказывается наиболее небла­ гоприятным фактором для прочности [7].

Вблизи обшивки звуковое давление больше, чем вблизи выхлопной струи при отсутствии препятствия. Для плоских по-

1 Дальнее звуковое поле характеризуется расстоянием от источника зву­ ка (от границ реактивной струи), равным или меньшим длццы пппнп__для

исследуемой частоты звуковых колебаний; если это расстоянт г меньше дтЛныкн. я

волны звуковых колебаний, звуковое поле называется ближн м.нау Hv>'r л' нич ч ц

в I '( п.о она О Г: С

0 .;ЗЕМГГД?Р

ЧИТГ Лч. " Г О OAJ

верхностей, размеры которых больше длины волны звуковых колебаний, величина давления примерно удваивается по сравне­ нию с давлением в свободном пространстве. Для криволинейных поверхностей эта величина возрастает примерно на 50 %• Звуко­ вые давления внутри самолета вблизи обшивки имеют макси­ мум в определенных полосах частот, соответствующих собствен­ ным частотам колебаний ее панелей. Общий уровень звукового давления на внешней поверхности реактивного истребителя до­ стигает 160—170 дБ. У пассажирских реактивных самолетов общий уровень звуковых давлений внутри самолета на 20—25 дБ ниже, чем снаружи обшивки.

Для самолетов с турбовинтовыми двигателями существенны­ ми источниками являются воздушные винты. Уровень шума от реактивной струи двигателей у этих самолетов меньше, чем у реактивных самолетов. Интенсивность шума от воздушных вин­ тов зависит главным образом от окружной скорости вращения концов лопастей. Спектр шума — почти дискретный с преобла­ данием составляющих, соответствующих гармоникам угловых скоростей вращения винта.

Величина звукового давления при увеличении расстояния от винта уменьшается примерно по гиперболическому закону. Вследствие этого максимальные давления наблюдаются в точ­ ках фюзеляжа, наиболее близких к концам лопастей винта, в плоскости его вращения. Общий уровень звукового давления снаружи обшивки у пассажирских самолетов с турбовинтовыми двигателями составляет 140—150 дБ на участке фюзеляжа 1,5—2,0 м по обе стороны от плоскости вращения винтов внут­ ренних двигателей многомоторных самолетов. Влияние внешних силовых установок на величину звукового давления на поверх­ ности фюзеляжа незначительно (порядка 10—20% от суммы давлений). С ростом оборотов винта величина давления растет примерно по параболическому закону. При постоянных оборотах давление пропорционально углу установки лопасти (в диапазоне 10—20°). На установившемся режиме работы двигателя пульса­ ции давления довольно стабильны.

При несинхронной работе правого и левого внутренних двига­

18

Шум самолетов вызывает нагружение его элементов и прежде всего обшивки акустическими нагрузками. Под действи­ ем переменных звуковых давлений возникают акустические виб­ рации.

С изменением режима работы двигателей и полета изменя­ ются спектры давлений и напряжений в элементах конструкции. При этом изменяются в основном амплитуды колебаний (напря­ жений), частоты колебаний претерпевают малые изменения. Звуковые давления и, следовательно, акустические вибрации и переменные напряжения в элементах конструкции возрастают с увеличением мощности (тяги) двигателей. Увеличение скорости и высоты полета также ведет к увеличению акустических нагру­ зок.

Наибольшие уровни шума самолетов имеют место при работе двигателей на повышенных режимах. У дозвуковых реактивных самолетов при полете на крейсерском режиме уровень шума от реактивной струи двигателя составляет около 10% от уровня шума при взлете. Поэтому повышенные звуковые давления дей­ ствуют в течение 1—2% времени полета.

У сверхзвуковых самолетов время действия повышенных зву­ ковых давлений значительно больше. У турбовинтовых самоле­ тов уровень звукового давления также меняется с изменением режима работы двигателей. Однако обороты винтов остаются при этом практически постоянными и относительно высокий уро­ вень акустических напряжений фюзеляжа в зоне вращения вин­ тов сохраняется в течение всего времени полета. Значительные вибрации с частотами, соответствующими винтовым гармони­ кам, возникают также на хвостовом оперении, поскольку у не­ которых самолетов оно находится в струе от винтов или вблизи нее.

Амплитуда и частота акустических давлений от струи реак­ тивного двигателя на одном и том же режиме работы двигателя и, следовательно, шум представляют собой случайный процесс.

В будущем в связи с увеличением мощности двигателей мож­ но ожидать дальнейшего увеличения уровня акустических нагру­ зок. Как уже указывалось, акустические давления характеризу­ ются весьма широким спектром частот (/=10-^-20 000 Гц). Поэтому, если вызываемые ими повторные напряжения превы­ шают или близки к пределу выносливости, то усталостное раз­ рушение может наступить довольно быстро. Если даже повтор­ ные напряжения от акустических давлений оказываются ниже предела выносливости, они могут сократить допустимый срок службы, если кроме них, на конструкцию действуют значитель­ ные повторные напряжения, вызванные другими нагрузками.

Увеличение скоростей полета привело к увеличению нагру­ зок, вызванных нагревом конструкции. В полете при обтекании элементов конструкции планера частицами воздуха, примыкаю­

19