Δημήτριος Κετσέας
MSc ΕΜΠ, MSc ΕΑΠ, Μηχανικός ΣΜΑ
Το φαινόμενο του πτερυγισμού (wing flutter) είναι ένα κρίσιμο θέμα συζήτησης στον τομέα της αεροδιαστημικής μηχανικής καθώς μπορεί να έχει σοβαρές επιπτώσεις στην ασφάλεια και στην απόδοση των αεροσκαφών. Η κατανόηση των αιτιών εμφάνισης του των wing flutter είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών σχεδιασμού που μπορούν να αποτρέψουν ή να μετριάσουν τις επιπτώσεις του. Ο σχεδιασμός αυτός μπορεί να αφορά ολόκληρα αεροσκάφη, μικρά και μεγάλα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα, είτε μεμονωμένα μικρότερα εξαρτήματα όπως πτερύγια.
Όπως έχει αναφερθεί και στο πρόσφατο άρθρο, Η Επάνοδος των Υπερηχητικών Επιβατικών Αεροσκαφών (Supersonic Transport): Η Νέα Γενιά, καθώς τα αεροσκάφη συνεχίζουν να ξεπερνούν τα όρια της ταχύτητας και της ικανότητας ελιγμών, ο κίνδυνος πτερυγισμού των φτερών γίνεται ακόμη πιο σημαντικός. Για αυτό το λόγο προκύπτει ακόμα περισσότερο η ανάγκη της προσπάθειας κατανόησης και πρόβλεψης του φαινομένου στις νέες περιοχές του φακέλου πτήσης των νεότερων αεροσκαφών. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει κατά την διάρκεια πιστοποίησης της σχεδίασης κάθε αεροσκάφους και για αυτό γίνεται αναφορά στο συγκεκριμένο πρόβλημα.
Στο πνεύμα της συνεχούς ενημέρωσης και συμμετοχής στις τεχνολογικές εξελίξεις του αεροπορικού κλάδου, τίθεται η ανάγκη κατανόησης των τεχνολογιών αιχμής που χρησιμοποιούνται σήμερα για την αντιμετώπιση αυτού του σημαντικού ζητήματος καθώς και της πρόβλεψης των προβλημάτων που θα προκύψουν με την εξέλιξη των νεότερων αεροσκαφών. Η επίτευξη όμως του συγκεκριμένου στόχου χωρίς πρότερη γνώση για το wing flutter είναι πολύ δύσκολο να συμβεί.
Για αυτό τον λόγο στο παρόν άρθρο θα επεξηγηθούν οι αιτίες, οι τρόποι εμφάνισης και οι συνέπειες του πτερυγισμού και σε μελλοντικό άρθρο θα γίνει η ανάλυση του φαινομένου για τους νέους προβληματισμούς επί του wing flutter που θα προκύψουν.
Εμφάνιση του Φαινομένου
Ο πτερυγισμός (Flutter) εμφανίζεται σε ελαστικές κατασκευές όπως η πτέρυγα ενός αεροσκάφους, μία γέφυρα ή ένα κτίριο. Στην περίπτωση που αναφερόμαστε σε αεροσκάφος τότε κάνουμε λόγο για πτερυγισμό της πτέρυγας δηλαδή για το γνωστό wing flutter. Αυτό το φαινόμενο είναι ένα από τα πιο τυπικά αεροελαστικά φαινόμενα και συμβαίνει όταν η πτέρυγα του αεροσκάφους υφίσταται αυτοδιεργούμενες ταλαντώσεις.
Η αιτία αυτών των ταλαντώσεων σχετίζεται με την αλληλεπίδραση αεροδυναμικών, ελαστικών και αδρανειακών δυνάμεων. Ουσιαστικά ο πτερυγισμός προκαλείται από αεροδυναμικά φορτία που αλληλοεπιδρούν με την δομική δυναμική μίας πτέρυγας αεροσκάφους. Όταν η ελαστικότητα της δομής της πτέρυγας παίζει ουσιαστικό ρόλο στην αστάθεια τότε εμφανίζεται το φαινόμενο. Η δυναμική αυτή αστάθεια εμφανίζεται κατά την πτήση, σε μια ταχύτητα που ονομάζεται ταχύτητα πτερυγισμού. Ωστόσο το πρόβλημα αυτό δεν είναι κάτι που συμβαίνει απλά σε μία συγκεκριμένη ταχύτητα.
Η έναρξη και η ενίσχυση του πτερυγισμού εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της φόρτισης του αεροπλάνου (καύσιμο στις πτέρυγες, εξωτερικά φορτία, κλπ) και των τυχαίων αναταράξεων της ατμόσφαιρας που λειτουργούν σαν διεγέρσεις για την παραγωγή ταλαντώσεων.
Δυναμική Φύση του Προβλήματος και Επιπτώσεις
Όπως αναφέρθηκε, η εφαρμογή μίας τυχαίας διαταραχής στην πτέρυγα επιφέρει την ταλάντωση αυτής λόγω της δυναμικής αλληλεπίδρασης των φορτίων σε αυτή. Οι διαφορετικές αποκρίσεις της πτέρυγας καθορίζουν και την δριμύτητα του φαινομένου και αποτελούν την ουσία της μελέτης του προβλήματος του wing flutter.
Όταν η ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους είναι χαμηλή, το πλάτος δόνησης της παραγόμενης ταλάντωσης ξεκινά από μία μέγιστη τιμή και μειώνεται σταδιακά. Αυτή η μείωση μπορεί να καταλήξει σε πλήρη απόσβεση της ταλάντωσης (βλ. Εικόνα 3b). Ανάλογα με την φύση του προβλήματος, δηλαδή τις διάφορες παραμέτρους αυτού, υπάρχει η περίπτωση το πλάτος να μην αποσβεσθεί πλήρως αλλά να καταλήξει σε μία σταθερή τιμή. Τότε η πτέρυγα εκτελεί ταλάντωση οριακού κύκλου (Limit Circle Oscillation) (βλ. Εικόνα 3c). Η πιο δυσμενής περίπτωση είναι η ταλάντωση της πτέρυγας να είναι ενισχυόμενη με διαρκώς αυξανόμενο πλάτος ταλάντωσης (βλ. Εικόνα 3a).
Οι αρνητικές επιπτώσεις του Flutter συνίστανται στις δύο τελευταίες περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα ποικίλουν ανάμεσα σε έντονες αναταράξεις, δομική υποβάθμιση της πτέρυγας στο σημείο στήριξής της ή πλήρη απώλεια και καταστροφή αυτής. Συνεπώς η αστάθεια του πτερυγισμού μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τις δομές των αεροσκαφών, την απόδοση πτήσης τους ή την ασφάλεια του ίδιου του αεροσκάφους και των επιβατών.
Πρόβλεψη του Wing Flutter
Για τους λόγους που αναφέρθηκαν, φαίνεται η ανάγκη πρόβλεψης των συνθηκών εμφάνισης του wing flutter και εξασφάλισης της αποφυγής επισφαλών καταστάσεων που προκύπτουν από τις παραγόμενες ταλαντώσεις. Για αυτό τον λόγο, για την πιστοποίηση ενός αεροσκάφους απαιτείται η δοκιμή πτερυγισμού κατά την πτήση. Η μελέτη του φαινομένου όπως και ο τελικός έλεγχος εκτελούνται αρχικά με χρήση υπολογιστικών εργαλείων (Computational Fluid Mechanics – Computational Structural Mechanics) (βλ. Εικόνα 4b). και τελικά με τη διεξαγωγή τρισδιάστατων πειραμάτων σε αεροσήραγγα (βλ. Εικόνα 4a). Στην τελευταία περίπτωση, μια εξωτερική δύναμη προσομοιώνει μια ριπή ανέμου για να παρέχει επαρκή διέγερση στο αεροσκάφος και στην συνέχεια μελετάται η απόκρισή του για τυχόν ενδείξεις επισφαλούς κίνησης με χρήση επιταχυνσιόμετρων και μετρητών καταπόνησης στην πτέργυγα, το ουραίο τμήμα, την άτρακτο και τις επιφάνειες ελέγχου πτήσης.
Βιβλιογραφικές Αναφορές
D. Ketseas, Δυναμική συμπεριφορά αεροτομής σε εξαναγκασμένη και ελεύθερη ταλάντωση. Επίλυση του αεροελαστικού προβλήματος σε περιβάλλον ANSYS FLUENT, 2022
Y. Chai & B. Ankay & F. Li, Aeroelastic analysis and flutter control of wings and panels: A review, International Journal of Mechanical System Dynamics, Volume 1, Issue 1, p. 5-34
M. S. Hussin & A. Ghorab & M. A. El Samanoudy, Computational analysis of two-dimensional wing aeroelastic flutter using Navier-Stokes model, Ain Shams Engineering Journal, Volume 9, Issue 4, December 2018, Pages 3459-3472
V. Roxov & A. Volmering & A. Hermanutz & M. Hornung & C. Breitsamter, CFD-Based Aeroelastic Sensitivity Study of a Low-Speed Flutter Demonstrator, Journals Aerospace, Volume 6, Issue 3, 2019
B. N. Goud & G. Sathyanarayana & S. S. Babu, Dynamic Aero elastic ( Flutter ) Instability Characteristics of an Aircraft Wing, 2105
I. E.E Garrick & H. Wilmer & Reed III, Historical Development of Aircraft Flutter, History of Key Technologies, Volume 18, Issue 11, November 1981
https://www.dlr.de/ae/en/desktopdefault.aspx/tabid-18367/29234_read-76837/
http://aviation.cours-de-math.eu/ATPL-081-POF/flutter.php
