Аэроупругость – раздел прикладной механики, в котором изучается взаимодействие упругой системы с потоком газа (воздуха). Явления аэроупругости встречаются во многих областях техники, в строительном деле при изучении ветровых воздействии на мосты и высотные сооружения, в судостроении и энергомашиностроении. Особенно важное значение исследования аэроупругости приобретают в авиации и ракетной техники.
Аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат (ЛА) при его движении в воздухе, вызывают деформации конструкции, которые, в свою очередь, приводят к изменению аэродинамических сил. Явления, рассматриваемые в аэроупругости, подразделяются на статические и динамические. К первым относятся взаимодействия аэродинамических сил и сил упругости конструкции: дивергенция – апериодическая потеря устойчивости крыла (оперения), потеря эффективности органов управлении, вызванная статическими деформациями, влияние упругой деформации конструкции на распределение, аэродинамического давления на поверхности и на статическую устойчивость ЛА. К динамическим относятся явления, для которых существенны взаимодействия трех видов сил – аэродинамических, инерционных и сил упругости: флаттер – колебательная потеря устойчивости ЛА или его частей, вызванная взаимодействием аэродинамических упругих и инерционных сил; бафтинг – вынужденные колебания части упругой конструкции под действием нестационарного обтекания, направленного срыва вихрей; автоколебания органов управления ЛА при трансзвуковом режиме полёта; реакция упругой конструкции на порывы ветра; влияние деформации конструкции па динамической устойчивости полета ЛА.
Потеря устойчивости конструкции ЛA объясняется тем, что упругая колебательная система в потоке воздуха является принципиально неконсервативной системой, в которую при определённом сочетании конструктивных параметров и режимов полёта поступает энергия из равномерного потока, что может привести к неограниченному возрастанию амплитуд колебании и, следовательно, к разрушению конструкции.

Для сопротивления ЛА вследствие широко применяемых средств автоматизации управления полётом особое значение приобретает взаимодействие упругой конструкции с системой автоматического управления. Влияние этой системы заметно усложняет анализ аэроупругого взаимодействия в связи с необходимостью учитывать нелинейные свойства её механических, гидравлических и электронных элементов, а её функционирование приводит к специфическим видам потери аэроупругой устойчивости. Применяются специальные системы автоматического управления – так называемые активные, улучшающие аэроупругие и прочностные характеристики ЛА.
Становление аэроупругости как раздела прикладной механики относится к 30-м гг. XX в., когда авиация столкнулась с такими явлениями, как бафтинг и флаттер самолетов. В СССР основы аэроупругости были заложены работами М. В. Келдыша, разработавшего теорию флаттера. Современная аэроупругость представляет собой сложный комплекс расчётно-экспериментальных исследований, базирующихся на применении достижении нестационарной аэродинамики, строительной механики, вычислительной техники. Явления аэроупругости изучаются на основе расчётных и экспериментальных методов. Для построения математической модели аэроупругости разрабатывается расчетная динамическая схема, приближенно отображающая свойства реальной конструкции и представляющая собой систему элементов, достаточно простых для описания их упругих свойств (например балки, пластины и др.). Для определения аэродинамических воздействий применяют те или иные аэродинамические теории в зависимости от режима полёта. Расчет аэродинамических сил производят при определённых, упрощающих задачу предположениях. Наиболее близкую к действительности картине обтекания колеблющегося ЛА и потоке воздуха дает теория крыла в нестационарном потоке, на основе которой разработаны методы вычисления аэродинамических сил для раздельных режимов: дозвуковой, трансзвуковой, сверхзвуковой и гиперзвуковой. Развитие вычислительной техники обусловило широкое применение численных методов для определения нестационарных давлений на колеблющейся аэродинамические поверхности произвольной конфигурации.
Наряду с расчётными широко применяются экспериментальные методы исследования. Один из основных экспериментальных методов – испытания динамически подобных моделей ЛА в аэродинамических трубах – позволяет достаточно полно изучить явление в наземных условиях на начальных стадиях проектирования ЛА. Исследования в аэродинамической трубе особенно важны в тех случаях, когда возникают затруднения в получении достоверных результатов расчётными методами, например при решении задач аэроупругости в области трансзвуковых скоростей полета или при срыве потока.



 

Наиболее значительным проявлением последствий эффектов аэроупругости была Такомская катастрофа 1940г. в США, когда под действием ветра разрушился вантовый мост с пролетом 854 метра. Не столь трагические события произошли в 1993г. при строительстве методом надвижки моста через Обь в г.Барнауле- при вылете трехбалочной консоли около 80 м и скорости ветра 12-14 м/с возникли интенсивные колебания конструкции массой 1000 тонн с размахом около 1 м. Дальнейшие работы были прекращены, после чего Новосибирский отдел Института ГИПРОСТРОЙМОСТ обратился на кафедру аэрогидродинамики НГТУ с предложением выработать меры по гашению колебаний конструкции.
В сжатые сроки была разработана и изготовлена динамически подобная модель пролетного строения, которая затем испытывалась в аэродинамической трубе НГТУ Т-503. В процессе продувок более чем ста вариантов устройств для гашения колебаний был найден оптимальный вариант, причем надо отметить, что способы гашения колебаний, предложенные зарубежными учеными, в этом случае оказались малоэффективными. Разработанные устройства были изготовлены и смонтированы на мосту. Дальнейшая надвижка показала высокую эффективность предложенных мер: на всех скоростях ветра, вплоть до 25м/с, колебаний конструкции не наблюдалось. В сентябре 1995 г. монтаж моста был успешно завершен. Как отмечено в акте внедрения работы- ее экономический эффект составил несколько сотен миллиардов рублей.

В самолетостроении решение проблем аэроупругости является одним из основных условий успешного создания оптимальной и надежной конструкции летательного аппарата (ЛА). И в гражданском строительстве при возведении, например, высотных сооружений и мостов, необходимо также учитывать явления аэроупругости.
Аэроупругость рассматривает специальные формы движений элементов конструкции упругого ЛА, возникающие в потоке воздуха в результате взаимодействия аэродинамических, упругих и инерционных сил.
Все типы самолетов испытывают в полете значительное влияние аэроупругости, которое вызывает:
• ухудшение аэродинамических характеристик;
• ухудшение продольной и боковой устойчивости и маневренности;
• неблагоприятные эффекты взаимодействия упругой конструкции с системой управления;
• неблагоприятное перераспределение статических и динамических нагрузок на конструкцию;
• потерю аэроупругой устойчивости.
Авиационные инженеры-конструкторы часто используют выражение “дополнительный вес из-за аэроупругости”, обозначающее необходимость увеличения веса конструкции для компенсации вредного влияния аэроупругости.
С другой стороны, существуют случаи благоприятного влияния упругости конструкции на лётные характеристики самолёта, например снижение изгибающего момента в корневой части стреловидного крыла. Также благоприятного влияния упругости можно достичь за счёт специальных мер при проектировании, направленных на управление упругими деформациями конструкции самолёта. Предлагаемый проект имеет целью использовать такого рода эффекты для решения проблем аэромеханики на основе концепции “активной и пассивной аэроупругости”. Суть концепции “активной и пассивной аэроупругости” состоит в снижении веса конструкции при обеспечении безопасности ЛА по условиям флаттера, реверса, дивергенции, прочности, а также в совершенствовании конструкции благодаря использованию благоприятных деформаций её элементов. Здесь под совершенствованием конструкции ЛА понимается:
– улучшение аэродинамических, аэроупругих и прочностных характеристик;
– уменьшение статических и динамических нагрузок;
– уменьшение требований по мощности приводов системы управления.
Предлагаемый проект содержит работы, которые включают развитие концепции “активной и пассивной аэроупругости“, разработку методов, алгоритмов, программного обеспечения и проведение расчётно-экспериментальных исследований. В совокупности это должно позволить выбрать наиболее перспективные подходы и дать рекомендации по применению полученных результатов для повышения летных характеристик, экономичности и эффективности ЛА. Основными ожидаемыми выгодами могут быть снижение веса конструкции несущих поверхностей на 5-15% и уменьшение размеров несущих поверхностей хвостового оперения на 10-20%.
Участие в проектировании тестовой модели для аэродинамической трубы (АДТ) и в научном анализе моделируемых явлений, связанных с выбором и демонстрацией в АДТ исследуемых средств реализации концепции, предполагается проводить совместно с коллабораторами (специалистами ведущих авиационных фирм и научных институтов Европы).
Поставленные цели могут быть достигнуты путем разработки и усовершенствования расчетно-аналитических методов, а также методов многодисциплинарной оптимизации, включающих основные авиационные дисциплины. Представляется возможным дополнительные улучшения характеристик аэроупругости ЛА за счет применения новых материалов в соответствии с концепцией “пассивной аэроупругости“. Наряду с новыми материалами предлагаются и исследуются адаптивные управляемые конструкции.