Сущность открытия

Существующие методы расчета на прочность составных конструкций (тел), имеющих неразрезные многоопорные управляющие поверхности (рули, элероны, элевоны, триммеры), навешенные более чем на двух шарнирах, до появления работ автора, предполагали управляющую поверхность расположенной в плоскости несущей поверхности (крыла, стабилизатора, киля и т.д.). Это предположение было применимо к конструкциям 30-х годов, для которых отклонение управляющей поверхности не могло существенно изменить силовую картину их взаимодействия с несущими поверхностями.

Современные управляющие поверхности с металлической обшивкой имеют высокое соотношение наибольшей изгибной жесткости в плоскости хорд к наименьшей изгибной жесткости сечения. Это соотношение достигает 50-100, а в отдельных случаях и более, и отклонение такой управляющей поверхности существенно влияет на силовую картину взаимодействия управляющей поверхности и несущей поверхности при их совместном изгибе аэродинамическими нагрузками.

Отклоненная на некоторый угол многоопорная управляющая поверхность (угол отклонения создается штурвалом управления для изменения подъемной силы несущей поверхности в целом) изгибаясь от внешней нагрузки вместе с несущей поверхностью, загружается усилиями их взаимодействия, лежащими в плоскости хорд.

Эти усилия, представляющие собой составляющие реакций в шарнирах навески, лежащие в срединной плоскости управляющей или несущей поверхности, названы автором лобовыми реакциями. Для управляющей поверхности в целом сумма лобовых реакций близка к нулю (в этой плоскости практически нет внешних нагрузок), то есть это группа взаимноуравновешенных сил, загружающих управляющую поверхность изгибом в своей плоскости, в плоскости наибольшей изгибной жесткости.

Известно, что плоские балки от нагрузки в плоскости наибольшей жесткости могут потерять устойчивость своей плоской формы. Так и управляющая поверхность может потерять устойчивость «плоской формы», с той лишь разницей, что в докритическом состоянии она уже не будет плоской и теряет устойчивость из некоторой деформированной формы, получая при потере устойчивости большие углы закручивания и переходя к новой равновесной форме не смежной с первоначальной, докритической. Этот переход – катастрофическое изменение формы составной конструкции, названный автором в ранних публикациях “прощелкиванием”, характеризуется резким, катастрофическим изменением почти до нуля углов отклонения управляющей поверхности во всех сечениях, кроме соседних с качалкой управления. Обнаруженная автором возможность катастрофических изменений формы составных конструкций подтверждена теоретически и экспериментально на основе построенной им геометрически нелинейной теории, учитывающей большие перемещения, и на экспериментальных установках в квазистатической постановке

Катастрофическое уменьшение углов отклонения управляющей поверхности в потоке резко снижает внешнюю нагрузку на оперение. Кривизна несущей поверхности уменьшается, что, естественно, уменьшает кривизну оси шарниров и, как следствие, лобовую нагрузку управляющей поверхности в плоскости хорд. Кривизна управляющей поверхности в плоскости хорд уменьшается, углы закручивания ее стремятся к нулю, происходит обратная катастрофа. Это восстанавливает углы отклонения руля и вновь вызывает увеличение нагрузки на оперение в целом. Далее описанный выше цикл может повториться.

Переходы от одной формы к другой и обратно, в потоке воздуха, если управляющая поверхность не разрушилась, могут происходить в виде гармонических колебаний катастрофического изменения формы составных тел – эти не известные ранее колебания и являются предметом открытия.

За катастрофическим переходом управляющей поверхности в закритическую область больших перемещений не всегда следует обратная катастрофа и возврат в докритическое состояние. При некоторых значениях жесткостных параметров несущей поверхности и управляющей поверхности, углов отклонения управляющей поверхности, внешних аэродинамических нагрузок, определяемых формой составной конструкции и скоростью потока, система может оставаться в закритическом состоянии до тех пор, пока не изменится скорость потока или угол отклонения управляющей поверхности – квазистатическая катастрофа.

Установившиеся колебания катастрофического изменения формы происходят с ограниченной постоянной амплитудой. Это получено теоретически, подтверждено экспериментально в аэродинамической трубе и изучено на видеозаписи процесса в потоке.

Обнаруженное явление формирует принципиально новое представление о возможном деформировании управляющей поверхности и несущей поверхности, об их загружении. Это потребовало создания новых расчетных схем и теорий расчета несущей поверхности и управляющей поверхности, указало пути проектирования управляющей поверхности и схем их навески. Явление катастрофического изменения формы лишает управляющие поверхности возможности выполнять функции управления движением летательного аппарата, может привести к их разрушению и катастрофе летательного аппарата в целом. Расширение представления о деформировании несущих и управляющих поверхностей позволяет проектировать конструкции, в которых не может быть катастрофического изменения формы, повысить эффективность управления летательным аппаратом, решить вопросы прочности несущей поверхности и управляющей поверхности.