Флаттер в ЗС: никого не смущает?

[Polar]

Ладно.
Стоит подытожить и еще раз посмотреть на некоторые вещи.
Мне видится, что у коллег есть пара вопросов. Итак:

1. Что такое прочностная характеристика самолета.
На самом деле прочностная характеристика такая же строго задаваемая и индивидуальная для каждого типа величина. Прочность, как вы понимаете – это масса, масса – это плохо.
Каким образом она задается? Во-первых, нормативные требования к прочности задавались ОТТ ВВС, и зависели от типа и назначения самолета. Во-вторых, такие вещи, как та же максимально допустимая скорость пикирования могла задаваться в ТТТ к самолету, выдвигаемых ВВС, так же, как и максимальная скорость горизонтального полета.
Соответственно, эти требования к прочности закладываются на этапе проектирования.
Всегда ли удавалось обеспечить требуемую прочность? И да, и нет.
В некоторых случаях фактически получаемая прочность (как она определялась – см. ниже) оказывалась хуже заданная. Причины тут могли быть различные – ошибка да и просто несовершенство расчетных методов (христоматийным в этом плане считается носок крыла самолета И-26, державший 67% от расчетной нагрузки по скоростному напору), ошибка в определении ФМХ перспективных материалов(был такой очень интересный алюминиевый сплав), заложенных в конструкцию или ошибок в определении аэродинамических и прочих нагрузок. Но чаще всего это происходит вынужденно, из-за незапланированного роста массы самолета или его агрегатов, дополнительных требований, появившихся в процессе проектирования.
А в некоторых случаях наоборот, прочность оказывается выше заданной – из-за того же несовершенства расчетных методов.
Иногда это происходит из требований технологии. Например, крылу хватило бы обшивки в 0,2, но ее невозможно нормально проклепать, и придется ставить 0,5.
К слову, восторгов это совершенно не вызывает. Это означает, что самолет возит на себе лишнее «мясо», лишний вес, который по представлению заказчика, ему совершенно не нужен. Поэтому разрушение крыла на 124% расчетной разрушающей нагрузки – для прочнистов КБ трагедия.
За 141% могут уволить весь отдел, был такой случай.
Создатели Б-777 очень, очень гордятся тем, что у них крыло сломалось на 104% процентах. Действительно, очень неплохой результат.
Кстати сказать, во многих КБ предпочитают проектировать заведомо менее прочное крыло. После стат. испытаний гораздо проще усиливать слабые места, доводя прочность до заданного уровня, чем вынимать неизвестно откуда лишнюю массу.
2. Как прочность задается?
Для этого в нормах прочности задаются так называемые «расчетные случаи», для которых требуется обеспечить заданную прочность. Случаи эти описываю нагружение самолета на всех этапах полета, включая, например, посадку с максимально допустимой в эксплуатации перегрузкой с опережением на одну из опор шасси или несимметричный сброс подвески в момент вывода из пикирования.
Для интересующего нас случая пикирования это расчетные случаи «А», «А-штрих», «Б» и «С».
Эти случаи обеспечивают учет воздействия на самолет различного рода сочетания нагрузок, возникающих в пикировании, включая воздействие максимальной эксплуатационной перегрузки, максимального скоростного напора, учитывается также смещение центра давления на максимально допустимой скорости, возможность полного отклонения элеронов в нижней точке или воздействие максимального аэродинамического момента.
Дело в том, что критическая потеря прочности может наступить не только и иногда не столько от максимальной перегрузки. Иногда слабым местом окажется низкая жесткость крыла на кручение на максимальной скорости из-за смещения центра давления при 0,5 максимальной перегрузки. Или не будет держать скоростной напор остекление кабины экипажа. Носок крыла. Или возникнут проблемы с хвостом.
Немалое значение будут иметь и проблемы аэроупругости. Критическая скорость флаттера (а флаттер, к слову, будет определяться жесткостью крыла на кручение и взаимным расположение трех центров – масс, тяжести сечении и давления. Это в первом приближении для самой простой формы флаттера – изгибно-крутильной, а есть и более сложные вещи), скорость реверса элеронов и т.д.
В принципе, все эти вещи стараются сделать равнопрочными. Никому не нужен тяжелый хвост, гордо несущий нагрузку на скорости, на которой у самолета давным-давно отлетели крылья.
К сожалению, это очень сложно, поэтому обычно до требуемых значений приходится доводить слабые места.
3. Как фактическая прочность проверяется?
На статических испытаниях (оговоримся сразу, что вопросы усталостной прочности мы не рассматриваем. Хотя для цельнометаллических самолетов иногда слабым место оказывается именно обеспечение заданного ресурса, перекрывающее требование по статической прочности). Ставят самолет и нагружают его - в буквальном смысле. Раньше это были банальные мешки с песком, сейчас – гидроцилиндры с хитрой системой рычажных подвесов.
Некоторые агрегаты (например, то же крыло) доводят до полного разрушения, выясняя фактическую разрушающую нагрузку и фактическую прочность.
Кроме того, это проверяется и в летных испытаниях. В СССР и США это было более консервативно, то есть требовалось показать в полете прочность самолета для всего диапазона эксплуатационных перегрузок – с некоторым запасом (об этом мы поговорим ниже). Хотя в некоторых случаях, например, при изучении того же флаттера и нашим испытателям приходилось доводить самолет до разрушения в полете.
Наиболее безбашенными людьми оказались англичане из RAE. Там пилоту вручался парашют, на самолет вешалась КЗА и предписывалось развалить его в воздухе.
Метод, конечно самый точный…если у вас много опытных самолетов.
4. Как назначаются максимально допустимые нагрузки в воздухе?
Как нормируется та же максимально допустимая скорость пикирования? Как вы знаете, в авиации эта идеология очень проста.
То есть максимальная эксплуатационная нагрузка должна быть на некую величину ниже фактической разрушающей. Почему так делается?
Во-первых, летчик должен иметь возможность исправить свою ошибку, пусть это будет превышение максимально допустимого угла атаки или скорости пкиирования.
Во-вторых, прочностная характеристика экземпляра – вещь строго индивидуальная. Разброс значений там гораздо выше, чем разброс значений той же скорости ГП или скороподъемности. Помимо физики, это определяется разбросом характеристик различных партий одного и того же материала, разброса посадок крепежа и свойств применяемых клеев.
Замечу – тут речь не идет о дефектных партиях или процессах изготовления, а именно о разбросе допустимом по ТУ, предусмотренном конструктором.
Соответственно, и фактическая прочность крыла, определенная на статиспытаниях по этим причинам также не очень точна. Кстати, чем больше агрегатов сломано на испытаниях, тем ниже можно давать допуск – потому что чем больше результатов опыта, тем более достоверен результат.
Поэтому запас по скорости назначают, исходя из наиболее возможно худшей прочности (в рамках ТУ). В то же время – лишний запас – лишнее мясо, ухудшение ЛТХ самолета. Поэтому этим стараются не увлекаться.
Как вы понимаете, при проектировании решают обратную задачу – исходя из планируемого (нормируемого) запаса и требований заказчика, стараются обеспечить фактическую прочность – не больше, и не меньше.
5. Можно ли «ходить» за ограничения РЛЭ?
Отвечу сразу – можно. Если вас не интересует результат.
Это, в общем то вопрос идеологии обеспечения уровня надежности.
РЛЭ – серъезнейший документ, в котором описываются процедуры летной эксплуатации самолета. Документ, за который несут уголовную ответственность.
В СССР он выпускается КБ, утверждается Заказчиком (то есть Главкомом ВВС), проходя по дороге массу согласований с профильными институтами Заказчика.
Да, все ограничения там даны с некоторым запасом – как, например, дается с запасом от скорости сваливания скорость захода на посадку. Или максимально допустимая скорость пикирования.
В силу своей природы, ограничение по прочности имеет больший, и более «размытый» запас, чем ограничения по аэродинамике.
Можно превысить максимальный угол атаки на 1 градус – и не свалиться.
Можно летать с центровкой, на 5% большей предельно задней – и управляться.
Можно превысить максимально допустимую взлетную массу на 10% - и взлететь.
Можно превысить максимально допустимую скорость пикирования на 20% больше максимальной – и не развалиться в воздухе.
А можно и не.
Летчику нигде не пишут фактические характеристики материала стрингеров, нигде нет данных по фактической посадке болтов крепления лонжерона, и никто не сообщает ему, насколько точно были выдержаны температура и давление при склейке.
Это можно проверить на практике – и только один раз.
Здесь не стоит увлекаться. РЛЭ – пишутся кровью.
Всю войну летали с превышением веса, пикировали на больших скоростях и балансировали на грани сваливания.
Только те, кто шагнул за грань – не оставили мемуаров. Все, что от них осталось – эта цифра в почти 60 000 самолетов, погибших в войну без воздействия противника.
Это смерти, которых могло не быть.
Вот на этом, пожалуй, стоит закончить.