مدلسازی و تحليل  آيروالاستيک بال و بدنه يک هواپيمای جنگنده

تعداد129 صفحه  درword

کارشناسي ارشد در

 رشته مهندسي هوافضا (آئروديناميک)

مدلسازی و تحليل  آيروالاستيک بال و بدنه

يک هواپيمای جنگنده

فصل اول- مقدمه

1-1- پيشگفتار

     از پرواز ناموفق هواپيماي ساموئل لانگلي در سال 1903  تا سانحه فضاپيماي شاتل در سال 2003 سوانح بیشماری به نحوي متاثر از ناپايداري­هاي آیروالاستيک استاتيکي و ديناميکي  و شاخه هاي مرتبط با آن بوده­اند.

 معادلات حرکت هواپیما عموما با فرض صلبیت سازه هواپیما بدست می­آیند و از اثرات انعطاف­پذیری سازه صرف نظر می­گردد. در مواردی که فرکانس­های طبیعی دینامیک هواپیما با فرض صلبیت، اختلاف زیادی با فرکانس­های طبیعی ارتعاشی سازه داشته باشند فرض صلبیت جهت تحلیل دینامیکی هواپیما تا حد قابل قبولی با واقعیت سازگار خواهد بود. اما با افزایش انعطاف پذیری سازه و کاهش فرکانس­های طبیعی ارتعاشی سازه این اختلاف کاهش یافته و فرض صلبیت سازه دیگر قابل قبول نخواهد بود. این امر متخصصین این رشته را بر آن داشته است که در بدست آوردن معادلات حرکت هواپیما، انعطاف پذیری سازه را نیز مد نظر قرار دهند.

با ساخت هواپیماهای بزرگتر با بدنه طویل و دهانه بال بسیار بیشتر در دهه پنجاه میلادی و نیز بکارگیری موتور جت و افزایش سرعت هواپیماها مشکلات متعددی که بعضا منجر به سوانح مرگباری گردید، پدیدار گشت. همچنین بکارگیری آلیاژهای جدید و مواد مرکب نوظهور در سالهای بعد باعث افزایش چشمگیر انعطاف پذیری سازه گردید، به گونه ای که عدم در نظر گرفتن انعطاف پذیری سازه در هواپیماهای با سرعت زیر صوت و گذر صوت بزرگ و نیز جنگنده­های مافوق صوت نه تنها باعث کاهش دقت و صحت تحلیل­ها می­گردید، بلکه  نتایجی کاملا نادرست را در اختیار تحلیل گران قرار می­داد.

در حقیقت مودهای دینامیک پرواز و مودهای ارتعاشی سازه با یکدیگر کوپل^[1] می­باشند[1]، [2]. اما این وابستگی به طور معمول در هواپیماهای کوچک و کم سرعت در مقایسه با هواپیماهای بزرگ و پرسرعت بسیار کمتر می­باشد. زیرا در هواپیماهای کوچک و کم سرعت فرکانس طبیعی مودهای پروازی طولی و عرضی شامل دوره کوتاه^[2] و فوگوید^[3] ، رول^[4]، داچرول^[5] و اسپیرال^[6] بسیار کمتر از فرکانسهای طبیعی ارتعاشی سازه می باشند. به گونه­ای که وابستگی مودهای پروازی و ارتعاشی سازه قابل صرفنظر کردن بوده و عدم در نظر گرفتن انعطاف پذیری سازه باعث بروز خطای قابل ملاحظه ای نمی گردد.

جدول1-1- کمترین فرکانس طبیعی ارتعاشی چند نوع هواپیمای مختلف [3]، [4].

در جدول 1-1 کمترین فرکانس طبیعی تعدادی از هواپیماها مورد مقایسه قرار گرفته است[3]. مشاهده می­گردد که در هواپیماهایی مانند کنکورد، B-1 و C-5 کمترین فرکانس طبیعی در محدوده 11 الی13 رادیان بر ثانیه می باشد.

تداخل اثرات نيروهاي آيروديناميکي، اينرسي و الاستيک در سازه‌هاي هوافضايي با نام آيروالاستيسيته مورد پژوهش قرار مي‌گيرد. چنانچه در مدلسازي، اثرات بارگذاري حرارت آيروديناميكي اعمال شود عملا با مسئله آيروترموالاستيسيته مواجه خواهيم بود. همچنين اگر در مدلسازي مسئله، سيستم هاي كنترلي و تداخلشان با پارامترهاي آئروالاستيك مورد بررسي قرار گيرد، با مسئله آیروسروالاستيسيته روبرو خواهيم شد.

پديده­هاي ناپايداري استاتيكي و ديناميكي، واگرائي و فلاتر، مي توانند باعث از هم گسيختگي سازه هاي هوایي شوند، بطوريكه اين مشكل از زمان پرواز هواپيماي ساموئل لانگلي رقيب برادران رايت،  تاكنون كه در ساخت وسايل پرنده و موشك ها از سازه ها و مواد پيشرفته استفاده مي­گردد فراروي طراحان مي­باشد. بر اساس آناليز پايداري خطي، نوسانات بالاي آنچه که سرعت فلاتر ناميده مي­شود، ميرا نمي­شوند و دامنه آنها به صورت نامحدود افزايش مي يابد و به فروپاشي بال منتهي مي شود.

در اين فصل پس از مرور تاریخچه رویدادهای آیروالاستیسیته و پژوهش هاي انجام گرفته در زمينه بالهاي آئروالاستيك،  هدف اين پژوهش ارائه گرديده است.

[1] Coupled

[2] Short Period

[3] Long Period

[4] Roll

[5] Duch-roll

[6] Spiral