Экспериментальные исследования влияния гироскопической системы демпфирования на аэроупругие характеристики модели крупногабаритного летательного аппарата с двигателями на упругих пилонах под крылом

При создании современных крупногабаритных транспортных самолетов широко используется компоновка с двигателями, размещенными на упругих пилонах под крылом. Такое расположение двигателей обладает известными преимуществами, однако имеют место и существенные динамические особенности, обусловленные тем, что парциальные частоты вертикальных и горизонтальных (боковых) колебаний двигателей на упругих пилонах близки к собственным частотам изгибных и крутильных колебаний консолей крыла низших тонов. Именно указанный частотный спектр и определяет динамический отклик летательного аппарата в целом на внешние возмущающие воздействия, а также существенно влияет на динамическую устойчивость ЛА. Для гашения колебаний двигателей на упругих пилонах предложен ряд технических решений, в том числе реализация принципа «освобожденного двигателя». В данной работе предлагается для повышения диссипативных параметров колебаний двигателей на пилонах использовать специальные устройства – силовые гироскопы, которые являются основным элементом гироскопической системы демпфирования. Многочисленные теоретические исследования возможности применения силовых гироскопов показали, что устойчивость динамической системы можно повысить путем введения в нее дополнительных гироскопических, диссипативных и потенциальных сил. Известно предложение использовать метод непосредственной гироскопической стабилизации для управления аэроупругими колебаниями элементов конструкции ЛА. В статье предлагается использовать силовые гироскопы для гашения слабодемпфированных колебаний двигателей на пилонах крупногабаритного самолета. С целью оценки возможности практического применения гироскопической системы демпфирования (ГСД) были проведены экспериментальные исследования на динамически подобной флаттерной модели (ДПФМ) крупногабаритного самолета с четырьмя двигателями на пилонах под крылом типа Ан-124. Исследования включали два этапа: частотные и флаттерные испытания. В качестве ГСД использовалось гироскопическое устройство, выполненное по схеме скоростного гироскопа, который был установлен внутри гондолы двигателя. В статье приводятся результаты экспериментов по оценке влияния ГСД на динамические характеристики ДПФМ. Анализ нормированных амплитудно-частотных характеристик вертикальных и горизонтальных колебаний в центре масс внешних двигателей показывает значительное (в 1,5...5,0 раза) снижение пиковых значений амплитуд колебаний во всем рассматриваемом частотном диапазоне. Результаты экспериментальных исследований влияния ГСД на флаттерные характеристики модели самолета показали значительное (7…15 %) увеличение критической скорости флаттера при всех уровнях заправки самолета топливом. При этом при включенной гироскопической системе демпфирования автоколебания носят вялый, сбивчивый характер, а формы флаттера за счет гироскопической связанности продольного и бокового движения переходят из одной в другую.

1. Jorgensen L., Saki H. Design of aero engine structure. Bachelor’s thesis. University West. Uppsala, Sweden, 2023. 65 p.

2. Зиченков М.Ч., Ишмуратов Ф.З., Кузнецов А.Г. Исследование совместного влияния гироскопических сил и конструкционного демпфирования на характеристики флаттера крыла аэроупругой модели EuRAM // Вестник МАИ. 2018. Т. 25, № 4. С. 86–95.

3. Овчинников В.В., Петров Ю.В. Исследование влияния упругодиссипативных параметров подвески двигателя на пилоне под крылом на аэроупругие и прочностные характеристики самолета // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2021. № 1. С. 119–128. DOI: 10.31857/S0572329921010086

4. Waitz S., Hennings H. The aeroelastic impact of engine thrust and gyroscopics on aircraft flutter instabilities // International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics. IFASD-2015. Russia, Saint Petersburg, 2015. Pp. 1–15.

5. Wang L. Aeroelastic modeling and analysis of the wing/engine system of a large aircraft / L. Wang, Z. Wan, Q. Wu, Ch. Yang // Procedia Engineering. 2012. Vol. 31. Pp. 879–885. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.01.1116

6. Овчинников В.В., Петров Ю.В. Исследование влияния инерционных и гироскопических свойств работающих двигателей на прочностные характеристики динамической системы двигатель-пилон-крыло // Научный Вестник МГТУ ГА. 2020. Т. 23, № 3. С. 63–72. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-3-63-72

7. Ишлинский А.Ю. Механика гироскопических систем. М.: АН СССР, 1963. 482 с.

8. Сорокин А.В., Яременко В.В. История создания силовых гироскопов для систем управления ориентацией космических аппаратов // Гироскопия и навигация. 2022. Т. 30, № 1 (116). С. 84–92. DOI: 10.17285/0869-7035.0087

9. Мкртычан А.Р. Современное состояние и перспективы развития силовых гироскопических комплексов / А.Р. Мкртычан, Н.И. Башкеев, Д.О. Якимовский, Д.И. Акашев, О.Б. Яковец // Гироскопия и навигация. 2015. № 1 (88). С. 93–99. DOI: 10.17285/0869-7035.2015.23.1.093-099

10. Полянин К.С., Гордиенко В.С. Система ориентации космического аппарата на базе силового гироскопического комплекса // Наука без границ. 2019. № 1 (29). С. 16–25.

11. Ünker F., Çuvalci O. Gyroscopic vibration damper for building: Theoretical and experimental research // Gazi Journal of Engineering Sciences. 2022. Vol. 8, no. 3. Pp. 457–471. DOI: 10.30855/gmbd.0705034

12. Платонов В.Н., Сумароков А.В. Управление космическим аппаратом с помощью двухстепенных гироскопов при их раскрутке и торможении // Известия РАН. Теория и системы управления. 2020. № 2. С. 156–167. DOI: 10.31857/S0002338820020110

13. Вермель В.Д. Результаты исследований опытного образца механического демпфера вибраций с вращательными парами трения / В.Д. Вермель, М.Ч. Зиченков, А.Н. Корякин, С.Э. Парышев // Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020. № 4 (35). С. 77–86. DOI: 10.38013/2542-0542-2020-4-77-86

14. He H., Xie X., Wang W. Vibration control of tower structure with multiple cardan gyroscope [Электронный ресурс] // Shock and Vibration. 2017. Vol. 2017. ID: 3548360. 11 p. DOI: 10.1155/2017/3548360 (дата обращения: 03.07.2024).

15. Горелова А.Ю., Кристаль М.Г. Виброгаситель инструмента для обработки гидроцилиндров шахтной крепи // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 6. С. 50–59.

16. Волкова А.Ю., Суетин В.П. Экспериментальное исследование особенностей вращательного движения гироскопа // Математическое моделирование и информационные технологии при решении прикладных задач в транспортном вузе: сборник статей. Екатеринбург: УГУПС, 2021. Т. 1 (241). С. 61–69.

17. Виноградов Р.И., Гайнутдинов О.И., Петров Ю.В. Управление упругими колебаниями авиационных конструкций при помощи силовых гироскопов // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1986. № 4. С. 41–43.