Игорь Вадимов Грандмастер

Как летают самолеты? Барьеры скорости: флаттер, шимми

Самые первые самолеты, в начале XX века, имели странный внешний вид: много палочек-реечек и материи, всевозможные расчалки, мотор — и это сооружение летало! Прошло время, моторы стали сильнее, место материи в обшивке заняла сначала фанера, потом дюраль, шло развитие технологии — летали самолеты все быстрее. Но возросшая скорость начала приносить неожиданные сюрпризы: самолеты стали разваливаться в воздухе при попытке поставить очередной рекорд…

Фото: Library of Congress

Явление это назвали «флаттер».

  • Флаттер (от англ. flutter — вибрация, дрожание) — это когда по достижении определенной скорости полета обшивка самолета, входя в резонанс, начинала вибрировать все сильнее и сильнее, вплоть до разрушения. За несколько секунд самолет буквально разваливался в воздухе.

30-е годы — годы небывалого развития авиации и… борьбы с флаттером.

С 1935 года вплоть до начала Второй мировой войны только в Германии произошло свыше 100 катастроф, вызванных флаттером.

Падали самолеты, гибли их экипажи. Опытным путем, продувая модели в аэродинамической трубе на больших скоростях, добивались отсутствия эффекта флаттера на модели самолета для рабочих скоростей данного истребителя или бомбардировщика.

Первые случаи эффекта флаттера были известны еще в 20-е годы, но особенно часто и сильно флаттер начал проявляться с середины 30-х. Самолеты 20-х годов не могли достичь тех скоростей, которые делали эффект флаттера взрывным, разрушая самолет за считанные секунды.

Марк Лазаревич Галлай
Марк Лазаревич Галлай
Фото: ru.wikipedia.org

Марк Галлай, летчик-испытатель, Герой Советского Союза, получивший звание за испытания новейших самолетов, описывает эффект флаттера, который он видел сам во время испытаний самолета на максимальную скорость.

Представьте себе современнейший по тем временам цельнометаллический самолет, оснащенный мощнейшими двигателями и, по расчетам, способный развить рекордную скорость — до 500 км/час.

Летчик-испытатель должен произвести испытание машины на скорость с целью установить, на какой скорости самолет данного типа войдет во флаттер. Полет по горизонтали — разогнался до определенной скорости — доложил по радио, выдержал скорость, немного увеличил скорость — доложил, снова выдержал скорость — и так, пока…

Летчик описал свои ощущения: казалось, будто по самолету с разных сторон ударили сотни кувалд. Вдруг, мгновенно, самолет начал сильно вибрировать. Казалось, он разваливался на части, управлять им было невозможно…

Марк Галлай был не только летчиком-испытателем, но и талантливым инженером, он подготовился именно к этому. Рычаг газа был поставлен на пружину, которая стремилась уменьшить газ, для удержания или увеличения скорости пилот все время должен был прикладывать силу к рычагу газа.


Как только начался флаттер и пилот потерял возможность управлять самолетом, пружина резко уменьшила газ, самолет быстро потерял скорость, вышел из флаттера и смог вернуться на базу. Но рекордная машина уже не была зализанной и гладкой — ее обшивка на крыльях очень сильно покоробилась, и это всего за пару секунд флаттера.

Со временем увеличение посадочной скорости самолетов выявило еще один эффект. Его назвали «шимми».

  • Самолеты, у которых была носовая стойка шасси, столкнулись с проблемой ее вибрации. Резонанс, возникающий в стойке под давлением воздуха, заставлял ее буквально плясать.

Садиться самолету на аэродром в таком случае было смертельно опасно. Во избежание возникновения эффекта «шимми» передние стойки шасси тоже продували в аэродинамической трубе, добиваясь отсутствия этого опасного явления.

Скорости самолетов все увеличивались. В СССР целая группа ученых проводила исследование и флаттера, и шимми. Каждую новую модель самолета продували в аэродинамической трубе и добивались отсутствия резонанса на больших скоростях полета — для каждой модели это делали отдельно. Одновременно с практическими испытаниями ученые в СССР вели теоретические работы по определению причин возникновения флаттера, дабы самолеты могли избежать его.

Мстислав Всеволодович Келдыш
Мстислав Всеволодович Келдыш
Фото: ru.wikipedia.org

В 1945 году М. В. Келдыш создал теорию флаттера и шимми. Самолеты, спроектированные с учетом этой теории, не имели проблем флаттера. Ученый за разработку теории в 1946 году получил Сталинскую премию.

Как ни странно, но даже после того, как была разработана теория возникновения флаттера и предложены математические инструменты, позволяющие избежать этого опасного явления, все же нашлись умные фирмы, строившие свои надежные самолеты без учета теории флаттера.

С 40-х до начала 60-х годов в США произошло более 100 случаев летных происшествий, связанных с флаттером.

Последние две катастрофы самолетов L-188 фирмы Локхид (Lockheed) произошли в 1958 и 1960 годах в небе Америки над Буффало и Каннелтоном. Оба раза причиной был флаттер воздушного винта, который за секунды привел к катастрофе, оба раза погибли все пассажиры и экипаж. Оба раза были «приняты меры», усилены и изменены узлы крепления двигателей…

Потери фирмы от этих двух катастроф составили свыше $ 100 млн. Однако фирма выстояла и самолеты этого типа летают до сих пор. Вот только людей, погибших из-за ошибок проектирования, жалко.

В теории проблема шимми и флаттера была решена еще в 1945 году. Но осталась еще одна проблема — затягивание в пикирование при полете на околозвуковой скорости.

Продолжение следует…

Обновлено 17.04.2018
Статья размещена на сайте 10.04.2018

Комментарии (1):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети:

  • Эксперименты по борьбе с флаттером проводились на специально оборудованных самолётах-лабораториях. После первого такого полёта учёных, работавших с приборами, спросили, сколько времени продолжался флаттер, те ответили - минуты три, тот же вопрос задали лётчикам - минуту ответили они, приборы за свою жизнь не волновались и зафиксировали - флаттер продолжался 8 секунд.