что такое бафтинг и флаттер
Авиация России
Гражданская авиация, пассажирские и боевые самолеты и вертолеты России, новости и история российской и советской авиации.
Как в СССР победили флаттер
В 30-х годах XX века с ростом скорости самолётов их пилоты столкнулись с таким явлением, как флаттер. В переводе с английского слово flutter означает «дрожание», «трепетание». И действительно, главным проявлением флаттера стала вибрация консолей крыла и органов управления самолёта, а позже — несущих винтов вертолётов.
Известный советский лётчик-испытатель, Герой Советского Союза Марк Галлай в своей книге «Через невидимые барьеры» писал: «С появлением новых скоростных самолётов в авиации едва ли не всех передовых стран мира прокатилась волна таинственных, необъяснимых катастроф. Случайные свидетели, наблюдавшие эти катастрофы с земли, видели во всех случаях почти одинаковую картину: самолёт летел совершенно нормально, ничто в его поведении не внушало ни малейших опасений, как вдруг внезапно какая-то неведомая сила, будто взрывом, разрушала машину — и вот уже падают на землю изуродованные обломки: крылья, оперение, фюзеляж… Новому грозному явлению было дано название флаттер (от английского flutter — трепетать), но, если не ошибаюсь, ещё Мольер сказал, что больному не делается легче оттого, что он знает, как называется его болезнь по-латыни».
Сам Галлай, работавший до войны лётчиком-испытателем ЦАГИ, а с марта 1941 года — Лётно-исследовательского института, также сталкивался с этим непонятным тогда явлением. В 1941 году он провёл испытания на флаттер скоростного бомбардировщика СБ (АНТ‑40), разработки КБ Андрея Туполева.
«Одна за другой приходили тревожные вести о таинственной гибели французских, английских, американских скоростных самолётов, — пишет Марк Галлай. — Постепенно накапливались факты, и картина флаттерного взрыва стала обрастать достоверными подробностями».
Причина возникновения флаттера
Оказалось, что разрушение происходит не так уж мгновенно, как поначалу представлялось наземным наблюдателям. До него некоторое, хотя и чрезвычайно короткое, измеряемое считанными секундами время происходят вибрации, чаще всего крыла, а иногда оперения самолёта. Размах этих вибраций возрастает так быстро, что почти сразу же приводит к поломке колеблющихся частей. Подлинная картина явления прояснялась. Но оставалось непонятным главное: причины, порождающие это явление, и способы их преодоления.
В борьбу за раскрытие тайны флаттера включились учёные. Исследования флаттера начались ещё в начале 1920-х годов. Первым был молодой немецкий физик Вальтер Бирнбаум (Walter Birnbaum), который получил в октябре 1922 года докторскую степень от Людвига Прандтля за свою диссертацию «Задача о колеблющемся крыле самолёта при необъяснимых вибрациях на высоких скоростях полёта, что привело к многочисленным авариям». Бирнбаум планировал продолжить свои исследования в Аэродинамической лаборатории в Гёттингене, куда был приглашен работать в 1925 году, но умер шесть недель спустя в возрасте 28 лет.
Идеи Бирнбаума получили значительное развитие в 1929 году, когда в Германии вышла работа на эту тему Германа Бленка (Hermann Blenk) и Фрица Либерса (Fritz Liebers), которые попытались получить дифференциальные уравнения колеблющегося крыла и, интегрируя их, вычислить критическую скорость полёта, при которой наступает потеря устойчивости конструкции.
«Флаттер протекает обычно так бурно и размах колебаний крыльев достигает столь больших величин, что, передаваясь по тягам управления на штурвал, вибрации легко могут вырвать его из рук лётчика», – Марк Галлай, «Через невидимые барьеры».
В 1931 году англичане Роберт Фрейзер (Robert Frazer) и Уолтер Данкен (Walter Duncan) опубликовали результаты изучения физической стороны флаттера, его энергетического баланса и мер, которыми можно предотвратить его развитие.
В Советском Союзе изучение флаттера было начато на десять лет позже, чем в Германии, в 1932 году. Проблемой занялись в Экспериментальном аэродинамическом отделе ЦАГИ, в бригаде по исследованию вибраций, которой сначала руководил В. П. Лысков. В конце 1934 — начале 1935 года работы этой бригады были подвергнуты критике группой работников ЦАГИ. Трое из них — Евгений Гроссман, Савва Кричевский и Александр Борин — в мае 1935 года опубликовали в сборнике «Труды ЦАГИ» работу «К вопросу о потере устойчивости конструкцией крыла в полёте». В ней они положили начало выяснению физической сути флаттера и созданию надёжных методов его прогнозирования и предупреждения.
«Флаттер относится к категории автоколебаний, то есть периодическая возмущающая сила возникает в процессе самих колебаний, — объяснял позже физику явления Борин. — При флаттере таким возмущающим воздействием являются аэродинамическая сила и момент».
К работе этих учёных глава ЦАГИ Сергей Чаплыгин подключил молодого, но уже проявившего свои незаурядные способности инженера Мстислава Келдыша. Он в 1931 году окончил МГУ, после чего был направлен на работу в ЦАГИ, где работал до декабря 1946 года сначала инженером, затем — старшим инженером, начальником группы. В то же время Келдыш поступил осенью 1934 года в аспирантуру в Математическом институте, где занимался вопросами теории приближений функций, тесно связанными с прикладной тематикой его работы в области аэродинамики. В 1935 году ему без защиты присвоили учёную степень кандидата физико-математических наук.
«Талант Келдыша состоял в умении найти обоснованные упрощения схемы этого явления, — пишет советник генерального директора ОАК по науке и технологиям Борис Алешин (в 2009–2015 годах — директор ЦАГИ). — Была разработана эффективная система выполнения сложных расчётов. В то время в распоряжении исследователей из вычислительных средств были лишь логарифмическая линейка и арифмометр».
Бои идей в ЦАГИ развернулись нешуточные. Ушедший из института начальник бригады по исследованию вибраций В. П. Лысков послал письмо в ЦК ВКП(б), в котором писал, что «ЦАГИ осуществляет неправильные, наносящие вред стране, действия». «Пролетарские учёные» Лысков и другие оппоненты ЦАГИ из Днепропетровска выпустили брошюру «К вопросу об ошибочности методики Гроссмана расчёта крыльев самолёта на изгибно-крутильный флаттер».
Гроссман был ближайшим коллегой Келдыша в ЦАГИ. Для самого же Мстислава Всеволодовича ситуацию осложняло дворянское происхождение, два деда-генерала, наличие родственников за границей и репрессированные члены семьи. По словам сотрудников ЦАГИ тех лет Якова Пархомовского и Льва Попова, дело в споре между учёными по флаттеру дошло до разбирательства в Отделе науки ЦК ВКП(б), где «разыгралось настоящее сражение, но М. В. Келдышу и Е. П. Гроссману удалось одолеть «лысковскую гидру»».
Применённый Келдышем и его соратниками новый теоретический подход к решению проблем аэродинамики в соединении со здравым инженерным анализом сыграли центральную роль в изучении флаттера. Сам Мстислав Келдыш в своей статье «О демпферах с нелинейной характеристикой», опубликованной в «Трудах ЦАГИ» в 1944 году, отмечал: «Мы не даём строгого математического доказательства всех относящихся сюда положений, а ряд выводов построим на интуитивных соображениях». Келдыш для подавления флаттера органов управления самолёта использовал нелинейный анализ математических моделей и метод гармонического баланса.
Теорию должны были подтвердить экспериментальные исследования и лётные испытания. Для этого в аэродинамической трубе Т‑5 ЦАГИ была испытана динамически подобная модель крыла самолёта АНТ‑25, на котором советские лётчики во второй половине 1930-х годов выполнили рекордные перелёты на Дальний Восток и в США. Эксперименты в трубе дали хорошее совпадение с расчётами по методике Келдыша.
Следующей задачей стало создание аппаратуры, способной сигнализировать о приближении флаттера. Однако, по словам Марка Галлая, выбранный для её испытаний серийный двухмоторный скоростной бомбардировщик СБ довести до флаттера было физически невозможно: даже при самом крутом пикировании с полным газом он скорее просто поломался бы от силового воздействия встречного потока воздуха, чем попал во флаттер. Поэтому в интересах эксперимента самолёт намеренно «испортили»: сняли с обоих элеронов специальные противофлаттерные весовые балансиры и, таким образом, снизили критическую скорость флаттера до величины вполне достижимой — несколько даже меньшей, чем максимальная скорость горизонтального полёта.
Скоростной бомбардировщик СБ (АНТ-40)
Такие испытания на СБ в начале 1941 года и провёл Галлай. Вот как он сам о них рассказывал: «И вдруг — будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолёту. Все затряслось так, что приборы на доске 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 заклёпок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!»
Для борьбы с флаттером требуется установка балансировочных грузов в носке крыла ближе к его концам. Применимо и смещение двигателей вперед по полёту. Топливо, размещённое в отсеках крыла, также влияет на критическую скорость флаттера. С увеличением высоты полёта критическая скорость флаттера возрастает. Критическая скорость флаттера зависит также от расположения элерона по размаху, увеличиваясь при смещении элерона от конца в среднюю часть крыла.
Лётные испытания, подкрепленные экспериментами в аэродинамических трубах, полностью подтвердили теорию. Поэтому ещё в 1939 году Народный комиссариат авиационной промышленности СССР обязал всех авиаконструкторов «проводить» через отдел Келдыша в ЦАГИ расчёт на флаттер всех самолётов новых конструкций.
В 1940 году Келдыш в качестве итогового документа исследований по проблеме флаттера выпустил «Руководство для конструкторов», в котором были представлены методы расчёта на флаттер и практические рекомендации по предотвращению этого явления. В течение пяти лет он опубликовал 12 научных работ по флаттеру. Их результаты позволили обеспечить флаттерную безопасность советских самолётов.
Решение проблемы флаттера позволило самолётам летать ещё быстрее. «После того как была надёжно устранена опасность флаттера, на сцене появился звуковой барьер», — резюмировал Марк Галлай.
По материалам журнала ОАК «Горизонты» / №4(28).2020
На фото: испытания в ЦАГИ модели самолёта МС-21 на флаттер / © Объединённая авиастроительная корпорация
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».
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.
Что такое бафтинг и флаттер
В общем, как я уже объяснил: флаттер и скоростной бафтинг – это по сути одно и то же явление, которое возникает из-за того, что из-за неправильного конструирования фокус приложения подъемной силы оказывается расположен впереди центра жесткости крыла или поверхностей хвостового оперения. Разница между этими явлениями лишь в числах. Дело в том, что общая прочность хвостового оперения гораздо больше, чем прочность основного крыла. Это происходит из-за того, что прочность любого предмета уменьшается во второй степени от увеличения длины (или относительного удлинения. И если удлинение крыла у самолетов как минимум 1:5, а то и 1:8, или даже 1:10, то удлиннение вертикального киля у самолетов обычно1:1, ну в крайнем случае 1:2, и так же со стабилизатором, удлинение которого 1:2; 1:3; 1:4. Поэтому Флаттер у самолета ВСЕГДА НАЧИНАЛСЯ РАНЬШЕ, чем бафтинг. И против флаттера авиаконструкторам приходилось принимать специальные меры. А на бафтинг они как правило плевали с высокой колокольни, потому, что скорстной бафтинг начинал появляться только на высоких скоростях. Это из-за того, что как вы знаете все аэродинамические силы увеличиваются во второй степени от скорости. И на скоростях обычного горизонтального полета отклонения киля и стабилизатора из-за непраильно расположенного фокуса относительно центря жесткости довольно малы – потому, что относительное удлиннение кила и стабилизатора мало. А у крыла велико, поэтому флаттер крыла может начаться даже в горизонтальном полете. Но конструкторы стараются уменьшить флаттер крыла – отодвинуть его подальше в торону границы бОльших скоростей – которые самолет достигает только во время пикирования. Однако, вот тут-то и может возникнуть незамечаемый ими скоростной бафтинг!
Я читал, что у истребителей Зеро первоначально был очень слабый фюзеляж, и во время пикирования задняя часть фюзеляжа истребителя Зеро начинала трястись и японским авиакнструкторам пришлось увеличивать толщины обшивки задней части фюзеляжа Зеро. Бафтинг на пикировании возникал у многих самолетов. Например: SBD Dauntless
Однако не только американские авиконструкторы не понимали истинных причин возникновения скоростного бафтинга, но даже самые умные и знаменитые советские генеральные авиаконструкторы тоже не понимали того! Вот например такая проблема с бафтингом возникла у Олега Константировича Антонова при проектировании Ан-22 (хотя они в принципе правильно догадались что бафтинг – это и есть ФЛАТТЕР) :
А на самом деле великий авиаконструктор – Олег Константинович Антонов не догадался, что можно изменить СООТНОШЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ переднего и заднего лонжеронов стабилизатора и этим вообще избавится от бафтинга (флаттера хвостового оперения)! Антонов использовал вертикальные кили весьма банально: в качестве противофлаттерных грузов – с целью только чтобы уменьшить флаттер. То есть Антонов не догадался применить правильное конструктивное решение, которое еще в 1917 году придумал еще Антони Фоккер.
Но оказывается что даже современные авиаконструкторы имея в своем распоряжении сотни компьютеров и гигантский вычислительный аппарат так до сих пор и не поняли истинную природу скоростного бафтинга, и до сих пор неправильно конструируют самые современные самолеты, в том числе НОВЕЙШИЕ истребители – например знаменитый американский «Раптор»!
«Бафтинг оперения на истребителе F/A-22 был впервые отмечен в июле 1999 г. Оказалось, что его причиной являются мощные вихревые жгуты, генерирующиеся на стыке верхней кромки воздухозаборников двигателей с фюзеляжем. Оказалось, что бафтинг возникает… при числах М=0,5-0,6 на высотах менее 6100 м и числах М=0,6-0,9 на высотах 1500-7000 м….