2.5.2. Флаттерное пикирование [1984 Ордоди М.

При уменьшении угла атаки форма гибкого крыла дельтаплана начинает искажаться и тем больше, чем меньше угол атаки (рис. 2.29). Если волнообразное колебание купола распространится на большую его часть, то произойдет качественное изменение летных характеристик дельтаплана. Латы, размещенные в куполе, препятствуют развитию продольного флаттера, но купольность неизбежно создает условия для колебания купола. В таких случаях может произойти потеря продольной устойчивости из-за нарушения крутки крыла. Угол атаки может внезапно уменьшиться из-за резкого полетного маневра; флаттер может быть вызван и срывом дельтаплана на крыло при чрезмерно энергичном повороте или чрезмерном перемещении центра тяжести вперед. При полетах в термиках дельтаплан может попасть во флаттер в зонах нисходящих потоков воздуха независимо от желания пилота. С наибольшей вероятностью такие случаи возникают при входе с большой скоростью в крутой поворот при ветреной погоде в турбулентном воздухе.

Рис. 2.29. Флаттер крыла

Были случаи, когда дельтапланы первого поколения без всякой видимой причины вдруг опускали нос вниз, начинали пикировать под углом 40-45°. Во время пикирования купол сильно колебался, как флаг на ветру, и падение сопровождалось сильными хлопками. Поэтому и возник термин - флаттерное пикирование. В большинстве случаев дельтаплан не возвращался в нормальный режим полета, несмотря на отчаянные усилия пилота; встреча с землей со скоростью 80-100 км/ч обычно стоила пилоту жизни. Число случаев флаттерного пикирования увеличилось, когда в погоне за улучшением летных характеристик стали увеличивать жесткость куполов, и дельтапланеристы после полетов над водой стали летать со склонов на суше (при сильном ветре). С созданием новой формы куполов дельтапланов второго поколения флаттерное пикирование почти прекратилось.

Дельтапланы третьего поколения "поставили" перед конструкторами новые проблемы. Участились случаи потери продольной устойчивости, но теперь вместо крутого пикирования стали происходить опрокидывание дельтаплана через нос и вращение его вокруг поперечной оси. Такое кувыркание, особенно в первой фазе, иногда приводило к разрушению дельтаплана в воздухе. Обе эти разновидности пикирования в основном вызываются потерей продольной устойчивости. Пилот мало что может сделать, чтобы прекратить такое неотвратимое пикирование, поэтому к каждому аппарату предъявляется жесткое требование, чтобы даже при очень малых углах атаки он имел устойчивую тенденцию к возвращению в нормальный режим полета, т. е. оставался устойчивым.

Рис. 2.30. Диаграмма перемещения тела на дельтаплане, склонном к флаттерному пикированию

Флаттер купола обычно начинается на той части крыла, который имеет самый малый купол атаки, т. е. на конце. Резкое уменьшение подъемной силы на конце крыла изменяет характер перемещения аэродинамической силы. Стреловидность в таких случаях не оказывает влияния, так как концы крыльев уже не создают продольного восстанавливающего момента. А на тех участках купола, которые расположены около киля и не подвержены флаттеру, ни крутки, ни продольного смещения недостаточно для того, чтобы создать устойчивое перераспределение аэродинамической силы, поэтому происходит характерное для вогнутых профилей неустойчивое перемещение точки приложения подъемной силы по всему крылу. С начала пикирования подъемная сила перемещается назад и таким образом способствует дальнейшему уменьшению угла атаки. Уменьшению угла атаки противодействует в некоторой степени маятниковая устойчивость; в некоторых случаях перемещением назад центра тяжести можно вывести дельтаплан на нормальный режим полета. Но это бывает не всегда. Варианты возникновения новых устойчивых режимов планирования хорошо видны на диаграммах перемещения тела в аэродинамической трубе. Дельтаплан, летящий под углом перемещения тела ψ₀, при дальнейшем указанном перемещении тела опускает нос и переходит в необратимое крутое пикирование (рис. 2.30). Восстановлению нормального режима полета препятствует большое усилие на ручке управления, но пилоту не хватает расхода ручки (даже на полностью вытянутых руках) для перемещения тела на угол больший ψ₁. В таких случаях пилоту рекомендуется стать ногами на трапецию и резкими движениями за килевую балку попытаться вернуть дельтаплан в нормальный режим полета.

Рис. 2.31. Распределение аэродинамической силы относительно продольной оси с ант и пикирующим и устройствами на концах крыльев и без них

Для предотвращения флаттера необходимо устанавливать на концах крыла жесткие поддержки купола. Схема распределения аэродинамической силы приведена на рис. 2.31. Опрокидыванию дельтаплана здесь препятствуют антипикирующие устройства. При отрицательных углах атаки на концах крыла возникает момент кабрирования, благодаря чему обеспечивается стабилизирующее перемещение полной аэродинамической силы даже во время флаттера центральной части крыла. Флаттер средней части крыла можно уменьшить с помощью тросов антипикирущей системы, которые идут от мачты к задней кромке купола. Применение тросов наиболее эффективно в том случае, если они слегка натянуты (без деформации купола) в нормальном режиме планирования (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Действие антипикирующих тросов, поддерживающих центральную часть купола

Кроме антипикирующих устройств продольную устойчивость увеличивают и конструктивные решения - современные крылья с малыми хордами, меньше подвержены флаттеру. Маятниковая устойчивость возрастает с увеличением длины подвески и высоты трапеции. Если центр тяжести становится выше, то маятниковая устойчивость уменьшается, особенно если на этом дельтаплане летит пилот с меньшим весом. Некоторые дельтапланы первого поколения были чрезвычайно опасными. Для аппаратов третьего поколения строго ограничивался наименьший вес пилота. Из-за более высокого расположения центра тяжести полет на дельтаплане может быть опасным и в том случае, если в трапеции, рассчитанной на сидячее положение, пилот находится в горизонтальном положении. Формообразованию купола способствуют латы. Самолетные крылья могут быть продольно устойчивыми и без хвостовой части самолета, если они имеют S-образный профиль. Неустойчивый парусный профиль с помощью S-образных лат становится устойчивым. На дельтапланах второго поколения в первую очередь сформировали S-образность килевой балки (например "Ястреб").

Стабильное флаттерное пикирование относительно редкое явление; пикирование может закончиться возвращением в нормальный режим полета или опрокидыванием через нос с последующим кувырком. При полетах в термиках основной причиной потери устойчивости является турбулентность. Турбулентность в полете дельтаплана вызывает быстрое изменение углов атаки. Если порывы ветра направлены снизу или сзади, то наступает сваливание, а если спереди или сверху, то возможен флаттер или кратковременная потеря устойчивости крыла (рис. 2.33). Оба случая могут быть предпосылкой начала кувырка вперед. Во время полета в термиках воздушный поток может так воздействовать на крыло дельтаплана, что угол атаки профилей купола уменьшится до критического угла атаки границы флаттера. В таком случае купол прогибается под потоком воздуха и ложится на поперечную балку. Крыло дельтаплана во флаттере деформируется и направление его САХ (средней аэродинамической хорды) изменяется на угол Δα. В результате поворота САХ линия действия аэродинамической силы dR₂ размещается перед центром тяжести. Поворот хорды на большей части купола можно предупредить применением антипикирующих устройств, благодаря которым точка приложения аэродинамической силы dR₂, возникающей при флаттерном пикировании, переместится назад по отношению к центру тяжести. Это явление можно промоделировать, поворачивая модель дельтаплана против ветра, опуская его носовую часть к земле. Во время флаттера купола его носовая часть создает момент опрокидывания. Антипикирующие устройства предотвращают опрокидывание, и нос дельтаплана может подняться.

Рис. 2.33. Флаттер: 1 - первоначальное направление потока; 2 - симметричное обтекание крыла; 3 - потоки, идущие вниз; 4 - первоначальная форма профиля; 5 - 'провалившийся профиль' без антипикирующего троса; 6 - 'провалившийся профиль' с антипикирующим тросом

При применении лат, расположенных от боковой балки до задней кромки купола, форма профилей купола, несмотря на флаттер, определяется формой лат. Деформация профиля купола и в этом случае сопровождается изменением положения точки приложения полной аэродинамической силы. Из-за изменения точки приложения полной аэродинамической силы отрицательно направленная аэродинамическая сила также переместится вперед, до центра тяжести, и создаст свой продольный момент. Флаттер купола обычно продолжается 1-2 с. Крыло быстро приспосабливается к новому направлению нисходящего потока, поэтому прекращается увеличение угла пикирования и купол возвращается в нормальный режим полета. Однако начавшийся процесс пикирования может продолжиться. Перемещая свой центр тяжести вперед, пилот мог бы уменьшить момент пикирования, но из-за рефлекторных действий в момент пикирования он делает обратное движение - отдает от себя ручку управления. Из-за этого положение становится еще более тяжелым. Пикирующий момент становится настолько значительным, что подвеска ослабевает и пилот затягивается в купол. От попадания в купол пилота, летящего сидя, предохраняет ручка управления. Поэтому, совершая полет в упоре на ручку животом, он может ногами толкнуть килевую балку, а если этого не произойдет, то ручка вырвется у него из рук, а сам пилот ударится о заднюю часть килевой балки. То же самое происходит при кувырке вперед: дельтаплан опрокидывается и пилот непроизвольно усугубляет "кувыркание".

Дельтаплан склонен к кувырканию вперед, когда имеет место падение устойчивости из-за уменьшения нагрузки. Причиной этого может служить также упругость крыла. Материал купола не бывает упругим. Он противостоит растягиванию, т. е. под влиянием аэродинамических нагрузок купол растягивается лишь в незначительной степени; в то же время его можно деформировать, так как силовые элементы (латы, боковые балки) упруги. Например, развитая законцовка благодаря упругости лат способна сохранять заданную форму крыла. С точки зрения потери устойчивости важным является случай, когда латы не соответствуют раскрою купола. В таком случае латы следует с усилием вложить в латкарманы, под влиянием нагрузки купола она деформируется даже без воздушной нагрузки, окончательную форму крыла определяют раскрой купола и упругость лат. На рис. 2.34 показан случай, когда латы расположены в плоском куполе. Под воздействием нагрузки профили деформируются, с уменьшением ее - приближаются к первоначальному состоянию. Для уменьшения устойчивости имеет значение также гибкость отдельных частей каркаса. Например, слишком гибкий лонжерон конца крыла при отрицательной обдувке изгибается вниз и уменьшает восстанавливающий кабрирующий момент.

Рис. 2.34. Латы в плоскости купола: а - купол без лат; в - купол с латами; б - форма купола под нагрузкой

На крыльях, устойчивость которых зависит от нагрузки, потеря устойчивости может возникнуть даже под воздействием слабых нисходящих потоков. Под влиянием ускорения при движении вниз нагрузка на крыло уменьшается, профили деформируются и консоль крыла в большей степени влияет на создание подъемной силы. Возникающий пикирующий момент вызывает дальнейшее уменьшение угла атаки, которое сопровождается дальнейшим уменьшением устойчивости. Если пилот в первый же момент не вмешивается в этот процесс отведением ручки управления, то процесс продолжает усугубляться, пока не произойдет кувырок. Об опрокидывании может многое "рассказать" модель крыла дельтаплана. Если при запуске без нагрузки она стремится опрокинуться на нос, то ее необходимо тщательно исследовать. Строгий контроль нужен и в том случае, когда модель пытается опрокинуться на нос во время старта и становится устойчивой лишь тогда, когда подвесная система пилота натягивается. Нагрузка уменьшается и во время сваливания - на пикирующем крыле нагрузка уменьшается пропорционально ускорению движения вниз.

Большое значение для прекращения опрокидывания на нос, кроме устойчивости крыла, имеет и демпфирующий продольный момент, который зависит от стреловидности, несущей поверхности, длины хорд профилей крыла. С этой точки зрения преимущество имеют крылья с большей площадью и меньшим углом при вершине; Следовательно, последние поколения дельтапланов более склонны к опрокидыванию. Демпфирование происходит также благодаря сопротивлению купола. Кувырок вперед по сути дела является вращением центра тяжести относительно поперечной оси. Уменьшению динамики вращения способствует более низкое расположение центра тяжести относительно плоскости купола.

Полет дельтаплана определяется математическими формулами. Производя расчеты характеристик различных дельтапланов, можно сделать вывод о сути тех причин, которые вызывают вероятность опрокидывания. Используя результаты, приведенные в работе [24], определим причины, вызывающие опрокидывание дельтапланов:

Изменив перечисленные факторы, можно улучшить летные свойства и управляемость дельтаплана. Еще не существует схемы расчета для определения минимальных критериев устойчивости. Пока такие критерии не возникнут, опытные пилоты-испытатели и специалисты, изучающие надежные, устойчивые модели дельтапланов, не смогут объективно оценить качества новых моделей. В программу испытаний должны входить полеты на больших и малых скоростях, преднамеренное сваливание во время планирования и при поворотах, а также перекладка крена. Серийное производство дельтапланов новой модели можно начинать лишь после многих десятков часов, проведенных в жестких условиях полетов в термиках.