Αντιμετώπιση του Πτερυγισμού (Wing Flutter): Ανάλυση και Δοκιμές

Ο πτερυγισμός πτέρυγας (wing flutter), όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενο άρθρο (Το Πρόβλημα του Πτερυγισμού (Wing Flutter): Πως, Γιατί και Πότε Εμφανίζεται;), είναι ένα αεροελαστικό πρόβλημα στο οποίο η πτέρυγα εξάγει ενέργεια από την ροή και προκαλεί ασταθή αυτοδιέγερση που οδηγεί μέχρι και σε καταστροφική δομική αστοχία. Για αυτό τον λόγο ο πτερυγισμός είναι ένα κρίσιμο σχεδιαστικό σημείο εστίασης και για λόγους ασφαλείας, για την πιστοποίηση ενός αεροσκάφους, απαιτείται η ταχύτητα πτερυγισμού να είναι τουλάχιστον 15% μεγαλύτερη από τη μέγιστη ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους. Ο πτερυγισμός έχει κατά το παρελθόν μελετηθεί με στόχο την κατανόηση των χαρακτηριστικών του για πτέρυγες σε υποηχητικές και υπερηχητικές ροές. Τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού επηρεάζονται σημαντικά από την φυσική συχνότητα του υπό εξέταση συστήματος και από τα αεροδυναμικά του χαρακτηριστικά.

Πτερυγισμός και Εξωτερικά Φορτία

Στο παρελθόν, κατά την μελέτη του πτερυγισμού, δεν λαμβλανόταν υπόψη η επίδραση των εξωτερικών φορτίων. Αυτό γινόταν καθώς οι τότε μελετητές θεωρούσαν είτε ότι δεν επηρέαζαν σημαντικά είτε αγνοείτο καθώς ήταν εξαιρετικά δύσκολο, με τα τότε εργαλεία να μελετηθεί. Τα τελευταία χρόνια όμως η έρευνα έχει στοχεύσει στην εξέταση του φαινομένου για ρεαλιστικά σενάρια πτήσης. Έχουν γίνει διάφορες μελέτες με στόχο τον προσδιορισμό του πτερυγισμού για τις περιπτώσεις πτέρυγας-εξωτερικού φορτίου.

Τα αποτελέσματα ποικίλουν και έχουν εξαιρετικό ενδιαφέρον. Μελετήθηκαν κατά καιρούς περιπτώσεις υποηχητικής και υπερηχητικής ταχύτητας πτήσης καθώς και διατάξεις με διαφορετικές διατομές και μήκη εξωτερικών φορτίων τύπου δεξαμενών, πυραύλων και τα λοιπά (Εικόνα 1 και 2).

Έχει παρατηρηθεί στη γενική περίπτωση ότι τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού (συχνότητα, ταχύτητα εμφάνισης, μετατοπίσεις) μεταβάλλονται έντονα με την ύπαρξη εξωτερικών φορτίων. Παρόλο που η παρατήρηση αυτή μοιάζει λογική, δεν ισχύει πάντοτε, όπως στην περίπτωση που το εξωτερικό φορτίο είναι μακρύ αρκετά. Σε αυτή την περίπτωση, παρόλο που επηρεάζεται σημαντικά η κατανομή πίεσης στο κάτω άκρο του φτερού, ειδικά στην περίπτωση υπερηχητικής ροής (παράδειγμα στην Εικόνα 3), ορισμένα από τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού, σε πολλές περιπτώσεις είναι τα ίδια με την περίπτωση της μη ύπαρξης εξωτερικού φορτίου.

Άλλος παράγοντας που αποτελεί αντικέιμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια είναι η συσχέτιση του ορίου ταχύτητας πτερυγισμού με το ύψος πτήσης. Οι περισσότερες πλεόν μελέτες δείχνουν ότι το όριο είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στο ύψος πτήσης. Όμως ο πιο σημαντικός και πολλά υποσχόμενος τομέας μελέτης του πτερυγισμού αφορά την ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών του ανάλογα με το καθεστώς πτήσης του αεροσκάφους, όσον αφορά την ταχύτητα πτήσης. Τα αποτελέσματα των τελευταίων μελετών υποδεικνύουν ότι στην γενική περίπτωση η αεροδυναμική των εξ. φορτίων έχει αποσταθεροποιητικό ρόλο στην υπερηχητική ροή και σταθεροποθητικό στη διηχητική. Αυτή η διατύπωση απαιτεί περεταίρω διερεύνηση καθώς βασίζεται σε μεμονωμένες μελέτες συγκεκριμένων διαμορφώσεων πτέρυγας – εξ. φορτίου. Φαίνεται σε αυτό το σημείο ότι η διηχητική περιοχή δέχεται περιθώρια μελέτης και αξιοποίησης αυτής, παρά το γεγονός ότι παραδοσιακά είναι μία περιοχή ταχυτήτων που αποφεύγεται στην αεροναυπηγική επιστήμη.

Μέθοδοι Ελέγχου του Πτερυγισμού – Μελλοντική Έρευνα

Τα αεροσκάφη σήμερα, για να ελέγξουν το φαινόμενο του πτερυγισμού, κάνουν χρήση του λεγόμενου παθητικού ελέγχου. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στον περιορισμό του φακέλου πτήσης των αεροσκαφών και στην αύξηση της δομικής αντοχής των πτερύγων αυτών. Μείζων στόχος στην σχεδίαση αεροσκαφών αποτελεί η επίτευξη ελαφρύτερων κατασκευών, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις υπάρχουσες μεθόδους ελέγχου του πτερυγισμού. Για αυτό τον σκοπό έχουν αναπτυχθεί διάφορες νέες μέθοδοι ενεργού ελέγχου αυτού.

Ο ενεργός έλεγχος αφορά τον περιορισμό της δομικής ταλάντωσης της πτέρυγας με τη χρήση επιφανειών ελέγχου πτήσης οι οποίες σε πραγματικό χρόνο εντοπίζουν την εκκίνηση των ταλαντώσεων πτερυγισμού και λειτουργούν με αποσβεστικό ρόλο, πριν αυτές αρχίσουν να ενισχύονται επικίνδυνα. (παράδειγμα στην Εικόνα 4).

Άλλος τρόπος χρησιμοποίησης των μέθοδων ενεργού ελέγχου είναι μετατροπή των ταλαντώσεων από καταστροφικές σε σταθερές ταλαντώσεις οριακού κύκλου μικρόυ πλάτους, ώστε να αποφεύγεται η στιγμιαία δομική αστοχία και να υπάρχει δυνατότητα προειδοποίησης και αποφυγής. Αυτές οι νέες μέθοδοι βρίσκονται σε συνεχή εξέλιξη και βελτίωση και θα επιτρέψουν την επέκταση των επιχειρησιακών ορίων των αεροπορικών κατασκευών.

Βιβλιογραφικές Αναφορές

D. Ketseas, Δυναμική συμπεριφορά αεροτομής σε εξαναγκασμένη και ελεύθερη ταλάντωση. Επίλυση του αεροελαστικού προβλήματος σε περιβάλλον ANSYS FLUENT, 2022

N. A. Abdullah, E. Sulaeman, (2013), Flutter Analysis of Supersonic Wing with External Stores, International Conference on Mechanical, Automotive and Aerospace Engineering

M. J. Opgenoord, M. Drela, (2019), Influence of Transonic Flutter on the Conceptual Design of Next-Generation Transport Aircraft, Massachusetts Institute of Technology

P. Marzocca, L. Librescu, SUPERSONIC FLUTTER AND POST-FLUTTER CONTROL OF AN AIRCRAFT WING SECTION, Virginia Polytechnic Institute and State University, NASA Langley Research Center

N. Azam, E. Sulaeman, (2014), AEROELASTIC FLUTTER ANALYSIS OF SUPERSONIC WING WITH MULTIPLE EXTERNAL STORES, IIUM Engineering Journal, Vol. 15, No. 2

H. Terashima, K. Fujii, (2012), INLUENCE OF THE STORE ON THE TRNASONIC AND SUPERSONIC FLUTTER CHARACTERISTICS OF A DELTA WING CONFIGURATION, AIAA Journal, Vol. 45, No. 1

D. H. Kim, I. Lee, (2001), TRANSONIC AND SUPERSONIC FLUTTER CHARACTERISTICS OF A WING-BOX MODEL WITH TIP STORES, 19th Applied Aerodynamics Conference

D. H. Kim, I. Lee, (2000), TRANSONIC AND LOW-SUPERSONIC AEROELASTIC ANALYSIS OF A TWO-DEGREE-OF FREEDOM AIRFOIL WITH A FREEPLAY NON-LINEARITY, Journal of Sound and Vibration, Vol.234, Iss.5, p.859-880