Աերոառաձգականությունը և քամու պոռթկումներին արձագանքը մեծ տևողությամբ թռիչքների և մեծ երկարացմամբ թևերի համար

Մեծ տևողությամբ թռիչքներ իրականացնող օդանավերի վրա առավելագույն աերոդինամիկ որակի (lift-to-drag ratio) համար կառուցված թևը, գրեթե ըստ սահմանման, ճկուն թև է. մեծ երկարացումը և նվազագույն կառուցվածքային քաշը հենց այն են, ինչ պահանջում է կրեյսերային արդյունավետությունը, և երկուսն էլ ուղղակիորեն հակասում են կոշտությանը: Այս դասի օդանավերի վրա թռիչքի ժամանակ թևի ձևը գծագրի վրայի ձևը չէ. այն անընդհատ ճկվում և ոլորվում է, և այդ դեֆորմացիան անդրադառնում է աերոդինամիկայի վրա այնպես, ինչպես կոշտ թևի մոդելը չի կարող ներկայացնել:

Աերոառաձգականությունը ՝ աերոդինամիկ բեռնվածությունների, կառուցվածքային ճկունության և թռիչքի դինամիկայի միջև փոխկապակցվածությունը, այս դասի օդանավերի վրա դադարում է լինել երկրորդական ստուգում և դառնում է նախագծման հիմնական շարժիչ ուժը:

---

1. Ինչ իրականում պատահեց Helios-ի հետ

Ամենապարզ և ամենաշատ փաստագրված դեպքը հենց NASA-ինն է: 2003 թ. հունիսի 26-ին Helios նախատիպի մեծ տևողությամբ թռիչքների կոնֆիգուրացիան (HP03) թռիչքի մոտ 30-րդ րոպեին բախվեց մթնոլորտային տուրբուլենտության: Թևի լայնական V-աձևությունը (dihedral)՝ դրա ծայրերի շեղումը, որն ուղղակիորեն ցույց է տալիս, թե որքան է ճկուն թևը ճկվել դեպի վեր, աճեց մինչև անսովոր կայուն 30-ից 40 ֆուտ՝ զգալիորեն գերազանցելով նորմալ թռիչքին բնորոշ մոտ 11-ից 17 ֆուտը: NASA-ի հետաքննությունը պարզեց, որ այդ V-աձևությունից այն կողմ օդանավի տանգաժի տատանումները դարձան դինամիկորեն անկայուն. օդի արագության շեղումները մոտավորապես կրկնապատկվում էին տատանման յուրաքանչյուր ցիկլի հետ : Վերջնական քթով դեպի վար սուզման ժամանակ օդանավը գերազանցեց իր առավելագույն նախագծային օդի արագությունը ավելի քան երկու անգամ: Առաջացած դինամիկ ճնշումը հանգեցրեց թևի առաջատար եզրի երկրորդային կառուցվածքի պրոգրեսիվ քայքայմանը, արևային մարտկոցները և երեսպատումը պոկվեցին, և օդանավը կորցրեց վերամբարձ ուժ ստեղծելու ունակությունը և ընկավ Խաղաղ օվկիանոսը: Խնդիրը ախտորոշելու առաջին փորձից մինչև օդանավի օդում քայքայվելը տևեց 91 վայրկյան :

---

2. Ինչու ճկումը սնուցեց անկայունությունը, փոխանակ շտկելու այն

NASA-ի վթարից հետո արված վերլուծությունը բացահայտեց մեխանիզմը, և այն իսկապես աերոառաձգական է, ոչ թե պարզ կառուցվածքային խափանում.

• Վերամբարձ ուժի վերաբաշխում ըստ բացվածքի: Երբ թևը ճկվեց դեպի վեր, վերամբարձ ուժը տեղափոխվեց օդանավի կենտրոնից դեպի արտաքին վահանակներ, և պարզվեց, որ այդ վերաբաշխումը խիստ զգայուն է նույնիսկ վայրկյանում կես ֆուտ արագությամբ քամու պոռթկումների նկատմամբ, ինչը շատ ավելի փոքր է, քան իրականում հանդիպած տուրբուլենտությունը:
• Ինքնապահպանվող ցիկլ, ոչ թե ինքնաուղղվող: Թռիչքի կառավարման համակարգը արձագանքեց աճող V-աձևությանը՝ շեղելով բարձրության ղեկերը հետին եզրով դեպի վեր. քանի որ արտաքին ղեկերը ֆիքսված էին, այս արձագանքը ավելի շատ վերամբարձ ուժ հեռացրեց կենտրոնից, քան ծայրերից, ինչը թևն ավելի շատ մղեց դեպի բարձր V-աձևության ձև, այլ ոչ թե ետ՝ դեպի իր անվանական ձևը:
• Աճող ստատիկ կայունությունը սնուցեց ֆուգոիդային անկայունությունը: Երբ V-աձևությունը մեծացավ, օդանավի աերոդինամիկ ուժի կենտրոնը ավելի բարձրացավ ծանրության կենտրոնից՝ մեծացնելով երկայնական ստատիկ կայունությունը. մի հատկություն, որը սովորաբար հուսադրող է, բայց այս ապարատի վրա պարզվեց, որ այն մեծացնում է երկար պարբերությամբ տանգաժի տատանումների անկայունությունը:
• Տանգաժի իներցիան աճեց մոտ հինգ անգամ վթարի ժամանակ նկատված V-աձևության միջակայքում՝ հիմնովին փոխելով թռիչքի ռեժիմի դինամիկան թևի ճկմանը զուգընթաց:

Սրանցից ոչ մեկը կոշտ պլաների հատկություն չէ: Դրանք գոյություն ունեն միայն այն պատճառով, որ թևի ձևը և օդանավի աերոդինամիկան փոխկապակցված էին, ինչը հենց աերոառաձգականությունն է:

---

3. Ինչ պետք է բացահայտեր սա, ըստ NASA-ի սեփական հետաքննության

Վթարի զեկույցում նշված արմատական պատճառներն ուղղակիորեն վերաբերում են այն բանին, թե ինչպես պետք է փորձարկվի և նախագծվի այս դասի օդանավը. համապատասխան վերլուծության մեթոդների բացակայությունը հանգեցրեց կոնֆիգուրացիայի փոփոխության ազդեցությունների ռիսկի ոչ ճշգրիտ գնահատմանը (կենտրոնացված զանգվածների՝ վառելիքային էլեմենտի պատիճի և ջրածնի բաքերի ավելացում այն թևին, որն ի սկզբանե նախագծված էր որպես բաշխված բեռնվածությամբ «spanloader»), ինչը զգալիորեն նվազեցրեց օդանավի կառուցվածքային և աերոառաձգական պաշարները՝ առանց այդ նվազման նախապես պատշաճ կերպով կանխատեսման:

Հետաքննության սեփական տեխնիկական առաջարկությունները ներառում են այս դասի ապարատներին համապատասխան վերգետնյա փորձարկման ընթացակարգերի և մեթոդների մշակում՝ նոր վերլուծական մեթոդներն ու կանխատեսումները վավերացնելու համար , ինչը ուղղակի կոչ է ֆիզիկական փորձարկումների, այլ ոչ միայն սիմուլյացիայի, որտեղ նախագիծը էապես շեղվում է նախկինում թռիչքով ապացուցված կոնֆիգուրացիաներից:

---

4. Ինչ է իրականում պահանջում ճկուն թևի աերոառաձգական փորձարկումների արշավը

• Կոշտության մասշտաբավորված մոդել, ոչ միայն երկրաչափական մասշտաբավորված: Որպեսզի աերոառաձգական վարքագիծը ճիշտ մասշտաբավորվի, մոդելի կառուցվածքային կոշտության բաշխումը պետք է համապատասխանի լրիվ չափի օդանավին, այլ ոչ միայն դրա արտաքին ձևին. երկրաչափորեն ճշգրիտ, բայց չափազանց կոշտ մոդելը պարզապես կթաքցնի այն փոխկապակցվածությունը, որը գտնելու համար արվում է փորձարկումը:
• Քամու պոռթկումներին արձագանքի փորձարկում, ոչ միայն կայուն վիճակի բևեռայիններ: Helios-ի անկայունությունը հրահրվել է վայրկյանում կես ֆուտ կարգի պոռթկումներից, որոնք այնքան փոքր են, որ միայն կայուն, առանց պոռթկումների աերոդինամիկ թունելի տվյալները երբեք չէին բացահայտի այդ զգայունությունը:
• Սինքրոնացված կառուցվածքային և աերոդինամիկ չափիչ-կարգավորիչ սարքավորումներ: Թևի շեղումը, ոլորումը և դինամիկ բեռնվածությունները պետք է չափվեն ուժերի և մոմենտների հետ մեկտեղ, նույն փորձարկման ընթացքում, որպեսզի դրանց միջև փոխկապակցվածությունը ֆիքսվի, այլ ոչ թե առանձին ենթադրվի:
• Փորձարկում զանգվածի և բեռնվածության բաշխման այն կոնֆիգուրացիաներով, որոնցով օդանավն իրականում թռչելու է , այլ ոչ միայն բազային դեպքում. կենտրոնացված և բաշխված օգտակար բեռի զանգվածը փոխում է աերոառաձգական պաշարը, ինչպես ուղղակիորեն ցույց տվեց Helios-ը:
• Թևի ձևի իրական ժամանակում մոնիթորինգ փորձարկման ընթացքում , ինչը արտացոլում է NASA-ի սեփական հանձնարարականը՝ չափել V-աձևությունը իրական ժամանակում վիզուալ էկրանով. անկայունությունը, որը ոչնչացրեց Helios-ը, անտեսանելի էր թռիչքային անձնակազմի համար, մինչև այն արդեն անդառնալի դարձավ:

---

5. Հինգ սխալ, որ մենք տեսնում ենք

• Կոշտության դիտարկումը որպես կառուցվածքային հաստատում՝ աերոդինամիկ փորձարկումների ծրագրից առանձին: Ճկուն թևով օդանավի վրա կառուցվածքային և աերոդինամիկ փորձարկումները նույն խնդիրն են, այլ ոչ թե երկու առանձին խնդիրներ, որոնք պետք է հաջորդաբար ստուգվեն:
• Փորձարկում միայն կայուն, առանց պոռթկումների պայմաններում: Կոնֆիգուրացիան, որը միանգամայն կայուն է թվում հարթ հոսքի պայմաններում, կարող է զգայուն լինել շատ ավելի փոքր պոռթկումների նկատմամբ, քան հուշում է ինտուիցիան:
• Ենթադրել, որ կոնֆիգուրացիայի փոփոխությունը «աննշան» է, քանի որ այն չի փոխում արտաքին ուրվագիծը: Helios-ի ճակատագրական փոփոխությունը զանգվածի ավելացումն էր, ոչ թե ձևի փոփոխությունը, և այնուամենայնիվ այն խորապես կրճատեց օդանավի պաշարները:
• Թռիչքի կառավարման օրենքի վավերացում կոշտ մարմնի մոդելի վրա: Կառավարման համակարգը, որը ճիշտ է արձագանքում կոշտ պլաներին, կարող է ակտիվորեն վատթարացնել աերոառաձգական անկայունությունը, ճիշտ այնպես, ինչպես բարձրության ղեկի արձագանքն արեց HP03-2-ի վրա:
• Իրական ժամանակում ձևի մոնիթորինգի բացթողում, քանի որ «մոդելն այնքան էլ չի շարժվում»: Helios-ի վրա նորմալ և անկայուն V-աձևության միջև տարբերությունը չափվում էր տասնյակ ֆուտերով 247 ֆուտանոց թևի վրա. մի շեղում, որը հեշտ է թերագնահատել, մինչև այն չչափվի սարքավորումներով:

---

6. Ինչ է սա նշանակում ձեր ծրագրի համար

Տեղեկացրեք մեզ ձեր թևի կառուցվածքային կոնֆիգուրացիայի և նախատեսվող զանգվածային փոփոխությունների մասին , և մենք կնախագծենք կոշտության մասշտաբավորված աերոառաձգական փորձարկումների արշավ՝ ներառյալ պոռթկումներին արձագանքը, որը կառուցված է ֆիքսելու այն փոխկապակցվածությունը, որը զուտ աերոդինամիկ կամ զուտ կառուցվածքային փորձարկումը բաց կթողներ: Հարակից ընթերցանություն. մեր հիմնական հոդվածը

Մեծ հեռահարության ԱԹՍ-ների աերոդինամիկ փորձարկումներ. ինքնաթիռային տիպի MALE, HALE և VTOL

-ի վերաբերյալ, և

Բարձրադիր HALE աերոդինամիկա. Ռեյնոլդսի փոքր թվեր և նոսր օդ

նույն օդանավի համար:

---

Աղբյուրներ և նշումներ

• Helios նախատիպի HP03-2 վթարի ամբողջական նկարագրությունը (26 հունիսի 2003 թ.). V-աձևության աճ մինչև 30–40 ֆուտ՝ նորմալ 11–17 ֆուտի դիմաց, տանգաժի տատանումներ օդի արագության շեղումներով, որոնք կրկնապատկվում են յուրաքանչյուր ցիկլում, նախագծային օդի արագության գերազանցում ավելի քան երկու անգամ, պրոգրեսիվ կառուցվածքային քայքայում, 91 վայրկյան առաջին ախտորոշումից մինչև քայքայում, վերամբարձ ուժի ըստ բացվածքի վերաբաշխման զգայունություն 0,5 ֆուտ/վրկ փոքր պոռթկումների նկատմամբ, բարձրության ղեկի/V-աձևության հետադարձ կապի ցիկլ, ստատիկ կայունության ընդդեմ ֆուգոիդային անկայունության մեխանիզմ, տանգաժի իներցիայի մոտ հինգ անգամ աճ, արմատական պատճառներ և ապարատի դասին համապատասխան վերգետնյա փորձարկման ընթացակարգերի հանձնարարական. Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., "Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap," NASA/Langley, Dryden, Glenn, Ames and Kennedy Research Centers with AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, document 20070022260), վկայակոչելով ամբողջական հետաքննությունը Noll et al., "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap," Volume I – Mishap Report, January 2004:
• Օդանավի նախապատմությունը (247 ֆուտ թևերի բացվածք, 30,9:1 երկարացում, թռչող թևի կոնֆիգուրացիա). համահունչ է HALE բարձրադիր աերոդինամիկայի վերաբերյալ մեր հրապարակված հոդվածին, որը մանրամասնորեն լուսաբանում է նույն օդանավի աերոդինամիկ նախագծումը:
• Փորձարկման մեթոդաբանության հանձնարարականները (կոշտության մասշտաբավորված մոդելներ, պոռթկումներին արձագանքի փորձարկում, սինքրոնացված կառուցվածքային/աերոդինամիկ չափիչ-կարգավորիչ սարքավորումներ, իրական ժամանակում ձևի մոնիթորինգ) հանդիսանում են TunnelTech-ի ինժեներական պրակտիկան, որն ուղղակիորեն արձագանքում է վկայակոչված NASA-ի հետաքննության վերգետնյա փորձարկման հանձնարարականներին: