NASAによるスケールモデルロッキードエレクトラ のフラッターの風洞 ふうどう テスト
空 そら 力 りょく 弾性 だんせい (くうりきだんせい)は、弾性 だんせい 体 たい が流体 りゅうたい の流 なが れにさらされている間 あいだ に発生 はっせい する慣性 かんせい 力 りょく 、弾性 だんせい 力 ちから 、および空 そら 力 りょく の間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう を研究 けんきゅう する物理 ぶつり 学 がく および工学 こうがく の分野 ぶんや である。空 そら 力 りょく 弾性 だんせい の研究 けんきゅう は、大 おお きく2つの分野 ぶんや に分類 ぶんるい できる。流体 りゅうたい の流 なが れに対 たい する弾性 だんせい 体 たい の静的 せいてき または定常 ていじょう 状態 じょうたい の応答 おうとう を扱 あつか う静的 せいてき 空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 。また動的 どうてき (通常 つうじょう は振動 しんどう )応答 おうとう を扱 あつか う動的 どうてき 空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 。
航空機 こうくうき は軽量 けいりょう で大 おお きな空気 くうき 力学 りきがく 的 てき 負荷 ふか に耐 た える必要 ひつよう があるため、空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 効果 こうか が発生 はっせい しやすくなる。航空機 こうくうき は、次 つぎ の空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 問題 もんだい を回避 かいひ するように設計 せっけい されている。
発散 はっさん 空 そら 力 りょく が翼 つばさ の迎 むかえ 角 かく を増加 ぞうか させ、さらに力 ちから を増加 ぞうか させる。
制御 せいぎょ 反転 はんてん 制御 せいぎょ 面 めん の変化 へんか により反対 はんたい の空気 くうき 力学 りきがく 的 てき モーメントの発生 はっせい 、また極端 きょくたん な場合 ばあい には制御 せいぎょ を逆転 ぎゃくてん させる働 はたら きが生 う まれる。
フラッター 航空機 こうくうき の破壊 はかい につながる可能 かのう 性 せい のある、閾値をもたない振動 しんどう 現象 げんしょう 。
空 そら 力 りょく 弾性 だんせい の問題 もんだい は、構造 こうぞう の質量 しつりょう 、剛性 ごうせい 、空気 くうき 力学 りきがく を調整 ちょうせい することで防止 ぼうし できる。これは、シミュレーション、振動 しんどう 試験 しけん 、飛行 ひこう フラッター実験 じっけん により検証 けんしょう できる。制御 せいぎょ 面 めん のフラッターは通常 つうじょう 、適切 てきせつ な質量 しつりょう により防 ふせ ぐことができる。
熱 ねつ 力学 りきがく 的 てき 効果 こうか により空 そら 力 りょく 弾性 だんせい を発現 はつげん させる、空 そら 熱 ねつ 力 りょく 的 てき 弾性 だんせい として知 し られており、制御 せいぎょ 理論 りろん による発現 はつげん は空 そら 力 りょく 制御 せいぎょ 弾性 だんせい として知 し られている。
ポトマックでのサミュエルラングレー のプロトタイプ飛行機 ひこうき の2番目 ばんめ の失敗 しっぱい は、空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 効果 こうか (具体 ぐたい 的 てき にはねじれ発散 はっさん )に起因 きいん していた[ 1] 。この問題 もんだい に関 かん する最初 さいしょ の研究 けんきゅう として、1906年 ねん に発表 はっぴょう された剛体 ごうたい 飛行機 ひこうき の安定 あんてい 性 せい に関 かん するジョージブライアン の理論 りろん がある。[ 2] 第 だい 一 いち 次 じ 世界 せかい 大戦 たいせん 中 なか 、ねじれ発散 はっさん の問題 もんだい は多 おお くの航空機 こうくうき の問題 もんだい を引 ひ き起 お こし、主 おも に試行錯誤 しこうさくご とその場 ば での翼 つばさ の補 ほ 剛 ごう によって解決 かいけつ されてきた。航空機 こうくうき でフラッターが最初 さいしょ に記録 きろく され、文書 ぶんしょ 化 か されたのは、1916年 ねん の飛行 ひこう 中 ちゅう に、ハンドレページO/400 爆 ばく 撃 げき 機 き が激 はげ しい尾 お 部 ぶ 振動 しんどう を起 お こし、後部 こうぶ 胴体 どうたい とエレベーターの極端 きょくたん な歪 ゆが みと非対称 ひたいしょう な運動 うんどう を引 ひ き起 お こしたときである。航空機 こうくうき は無事 ぶじ 着陸 ちゃくりく したが、その後 ご のFWランチェスター による調査 ちょうさ により、左右 さゆう のエレベーターを堅 かた いシャフトでしっかりと接続 せつぞく する必要 ひつよう があるということが推奨 すいしょう 事項 じこう として上 あ げあげられた。これは後 のち に設計 せっけい 要件 ようけん になる。さらに、国立 こくりつ 物理 ぶつり 研究所 けんきゅうじょ (NPL)は、現象 げんしょう を理論 りろん 的 てき に調査 ちょうさ するように依頼 いらい され、Leonard BairstowとArthur Fageによって実行 じっこう された。
1926年 ねん 、ハンスライスナー は翼 つばさ 発散 はっさん の理論 りろん を発表 はっぴょう し、この主題 しゅだい に関 かん するさらに多 おお くの理論 りろん 的 てき 研究 けんきゅう を発展 はってん させた[ 1] 。空 そら 力 りょく 弾性 だんせい という用語 ようご 自体 じたい は、1930年代 ねんだい 初頭 しょとう にファーンバラにあるRoyal Aircraft Establishment (RAE)のHarold Roxbee CoxとAlfred Pugsleyによって造 つく られた[ 2] 。
カルテック の航空 こうくう 工学 こうがく の開発 かいはつ において、セオドア・フォン・カルマン は「航空 こうくう 学 がく に適用 てきよう される弾性 だんせい 」のコースを開始 かいし した[ 3] 。コースを1期 き にわたって教 おし えた後 のち 、カルマンはそのコースと空 そら 力 りょく 弾性 だんせい を開発 かいはつ したアーネストエドウィンセクラーに教科書 きょうかしょ を発行 はっこう し、コースを引 ひ き継 つ いだ[ 4] [ 5] 。
1947年 ねん 、アーサーロデリックカラーは空 そら 力 りょく 弾性 だんせい を「気流 きりゅう に曝 さら された構造 こうぞう 部材 ぶざい に作用 さよう する慣性 かんせい 力 りょく 、弾性 だんせい 力 りょく 、および空気 くうき 力 りょく で発生 はっせい する相互 そうご 相互 そうご 作用 さよう の研究 けんきゅう 、およびこの研究 けんきゅう が設計 せっけい に及 およ ぼす影響 えいきょう 」と定義 ていぎ した[ 6] 。
飛行機 ひこうき では、2つの大 おお きな静的 せいてき 空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 効果 こうか が発生 はっせい する可能 かのう 性 せい がある。発散 はっさん とは、翼 つばさ の弾性 だんせい ねじれが突然 とつぜん 理論 りろん 上 じょう 無限 むげん になり、翼 つばさ が機能 きのう しなくなる現象 げんしょう である。制御 せいぎょ 反転 はんてん は、補助 ほじょ 翼 つばさ またはその他 た の操縦 そうじゅう 翼 つばさ を持 も つ翼 つばさ でのみ発生 はっせい する現象 げんしょう で、これらの操縦 そうじゅう 翼 つばさ が通常 つうじょう と逆 ぎゃく に機能 きのう してしまう(たとえば、特定 とくてい の補助 ほじょ 翼 つばさ モーメントに関連 かんれん する回転 かいてん 方向 ほうこう が逆 ぎゃく になる)。
発散 はっさん は、正 せい のフィードバックループで揚力 ようりょく をさらに増加 ぞうか させる方向 ほうこう に空気 くうき 力学 りきがく 的 てき 負荷 ふか の下 した で揚力 ようりょく 面 めん がたわむときに発生 はっせい する。増加 ぞうか した揚力 ようりょく は構造 こうぞう をさらに偏向 へんこう させ、最終 さいしゅう 的 てき に構造 こうぞう を発散 はっさん 点 てん に持 も っていく。発散 はっさん は、翼 つばさ のたわみを支配 しはい する微分 びぶん 方程式 ほうていしき の単純 たんじゅん な特性 とくせい として理解 りかい できる。たとえば、飛行機 ひこうき の翼 つばさ を等 ひとし 方 かた 性 せい オイラーベルヌーイビーム としてモデル化 か すると、非 ひ 結合 けつごう ねじれ運動 うんどう 方程式 ほうていしき は次 つぎ のようになる。
G
J
d
2
θ しーた
d
y
2
=
−
M
′
,
{\displaystyle GJ{\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}=-M',}
ここで、y はスパン方向 ほうこう の寸法 すんぽう 、θ しーた はビームの弾性 だんせい ねじれ、GJ はビームのねじり剛性 ごうせい 、L はビーム長 ちょう 、M' は単位 たんい 長 なが さあたりの空 そら 力 りょく モーメントである。単純 たんじゅん な揚力 ようりょく 強制 きょうせい 理論 りろん の下 もと で、空気 くうき 力学 りきがく 的 てき モーメントは次 つぎ の形式 けいしき となる。
M
′
=
C
U
2
(
θ しーた
+
α あるふぁ
0
)
,
{\displaystyle M'=CU^{2}(\theta +\alpha _{0}),}
Cは 係数 けいすう であり、Uは、 自由 じゆう 流 なが れ流体 りゅうたい 速度 そくど であり、α あるふぁ 0 は初期 しょき の迎 むか え角 かく である。これにより、次 つぎ の形式 けいしき の常微分 じょうびぶん 方程式 ほうていしき が生成 せいせい される。
d
2
θ しーた
d
y
2
+
λ らむだ
2
θ しーた
=
−
λ らむだ
2
α あるふぁ
0
,
{\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dy^{2}}}+\lambda ^{2}\theta =-\lambda ^{2}\alpha _{0},}
ここで
λ らむだ
2
=
C
U
2
G
J
.
{\displaystyle \lambda ^{2}=C{\frac {U^{2}}{GJ}}.}
固定 こてい されていない梁 りょう (つまり、片 かた 持 も ちの翼 つばさ )の境界 きょうかい 条件 じょうけん は次 つぎ のとおりである。
θ しーた
|
y
=
0
=
d
θ しーた
d
y
|
y
=
L
=
0
,
{\displaystyle \theta |_{y=0}=\left.{\frac {d\theta }{dy}}\right|_{y=L}=0,}
これから以下 いか の解 かい が求 もと まる。
θ しーた
=
α あるふぁ
0
[
tan
(
λ らむだ
L
)
sin
(
λ らむだ
y
)
+
cos
(
λ らむだ
y
)
−
1
]
.
{\displaystyle \theta =\alpha _{0}[\tan(\lambda L)\sin(\lambda y)+\cos(\lambda y)-1].}
見 み てわかるように、λ らむだ L = π ぱい /2 + nπ ぱい のとき 、任意 にんい の整数 せいすう nで 、tan(λ らむだ L )は無限 むげん 大 だい となる。n =0は、ねじれ発散 はっさん 点 てん に対応 たいおう する。特定 とくてい の構造 こうぞう パラメーターの場合 ばあい 、これは自由 じゆう 流 りゅう 速度 そくど Uの 単一 たんいつ の値 ね に対応 たいおう する。これがねじれ発散 はっさん 速度 そくど である。翼 つばさ の風洞 ふうどう 試験 しけん で実装 じっそう される可能 かのう 性 せい のあるいくつかの特別 とくべつ な境界 きょうかい 条件 じょうけん (たとえば、空気 くうき 力学 りきがく 的 てき 中心 ちゅうしん の前方 ぜんぽう に配置 はいち されたねじり拘束 こうそく )では、発散 はっさん 現象 げんしょう を完全 かんぜん に排除 はいじょ できる[ 7] 。
制御 せいぎょ 翼 つばさ 面 めん の反転 はんてん は、主 しゅ 揚力 ようりょく 面 めん の変形 へんけい による、操縦 そうじゅう 翼 つばさ 面 めん の予想 よそう される応答 おうとう の損失 そんしつ (または逆転 ぎゃくてん )である。単純 たんじゅん なモデル(たとえば、オイラーベルヌーイビームの単一 たんいつ 補助 ほじょ 翼 つばさ )の場合 ばあい 、ねじり発散 はっさん と同様 どうよう に、制御 せいぎょ 反転 はんてん 速度 そくど を解析 かいせき 的 てき に導出 どうしゅつ できる。カマンのサーボフラップローターの設計 せっけい では制御 せいぎょ 反転 はんてん が利用 りよう されている[ 7] 。
動的 どうてき 空 そら 力 りょく 弾性 だんせい は、空 そら 力 りょく 、弾性 だんせい 、および慣性 かんせい 力 りょく の間 あいだ の相互 そうご 作用 さよう である。動的 どうてき 空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 現象 げんしょう の例 れい は次 つぎ のとおりである。
フラッター は、流体 りゅうたい の弾性 だんせい 構造 こうぞう の動的 どうてき な不安定 ふあんてい 性 せい であり、弾性 だんせい 体 たい のたわみと流体 りゅうたい の流 なが れが及 およ ぼす力 ちから との間 あいだ の正 せい のフィードバック によって引 ひ き起 お こされる。線形 せんけい システムでは、「フラッターポイント」とは、構造 こうぞう の単純 たんじゅん な調和 ちょうわ 運動 うんどう の正味 しょうみ の減衰 げんすい がゼロとなる点 てん であり、減衰 げんすい がさらに減少 げんしょう すると、自己 じこ 発振 はっしん により最終 さいしゅう 的 てき な障害 しょうがい が発生 はっせい する。「正味 しょうみ の減衰 げんすい 」は、構造 こうぞう の自然 しぜん な正 せい の減衰 げんすい と空 そら 力 りょく の負 まけ の減衰 げんすい の合計 ごうけい として理解 りかい できる。フラッターは2つのタイプに分類 ぶんるい できる。ハードフラッター では、正味 しょうみ 減衰 げんすい が急激 きゅうげき に減少 げんしょう し、フラッターポイントに非常 ひじょう に近 ちか くなる。ソフトフラッター では、正味 しょうみ の減衰 げんすい は徐々 じょじょ に現象 げんしょう する[ 8] 。
水中 すいちゅう では、フォイルのピッチ慣性 かんせい と流体 りゅうたい の外接 がいせつ シリンダーの質量 しつりょう 比 ひ が一般 いっぱん には低 ひく すぎて、バイナリフラッターが発生 はっせい しない。これは、最 もっと も単純 たんじゅん なピッチとヒーブフラッターの安定 あんてい 性 せい の決定 けってい 要因 よういん の明確 めいかく な解 かい で示 しめ されている[ 9] 。
タコマ橋 きょう がフラッタにより崩壊 ほうかい する映像 えいぞう
翼 つばさ や翼 つばさ 、さらには煙突 えんとつ や橋 はし などの空気 くうき 力 りょく に曝 さら される構造 こうぞう 物 ぶつ は、フラッターを避 さ けるために既知 きち のパラメーター内 ない で注意深 ちゅういぶか く設計 せっけい されている。空気 くうき 力学 りきがく と構造 こうぞう の機械 きかい 的 てき 特性 とくせい の両方 りょうほう が完全 かんぜん に理解 りかい されていない複雑 ふくざつ な構造 こうぞう では、詳細 しょうさい なテストによってのみフラッターを防 ふせ ぐことができる。航空機 こうくうき の質量 しつりょう 分布 ぶんぷ または1つのコンポーネントの剛性 ごうせい を変更 へんこう することでさえ、一見 いっけん 無関係 むかんけい な空 そら 力 りょく コンポーネントにフラッターを引 ひ き起 お こす可能 かのう 性 せい がある。フラッタの軽微 けいび なものは、航空機 こうくうき 構造 こうぞう の振動 しんどう として見 み られるが、深刻 しんこく な場合 ばあい 、フラッタは急速 きゅうそく に成長 せいちょう して、航空機 こうくうき に深刻 しんこく に損傷 そんしょう を引 ひ き起 お こす[ 10] 。ブラニフフライト542、またはVLミルスキー 戦闘 せんとう 機 き のプロトタイプではこのようなフラッタによる破壊 はかい が起 お こった。有名 ゆうめい な例 れい では、タコマ橋 きょう は空 そら 力 りょく 弾性 だんせい フラッタの結果 けっか として破壊 はかい された[ 11] 。
場合 ばあい によっては、フラッター関連 かんれん の構造 こうぞう 振動 しんどう を防止 ぼうし または制限 せいげん するのに役立 やくだ つ自動 じどう 制御 せいぎょ システムが実証 じっしょう されている[ 12] 。
プロペラフラッター は、回転 かいてん するプロペラの空気 くうき 力学 りきがく 的 てき および慣性 かんせい 効果 こうか と、支持 しじ するナセル構造 こうぞう の剛性 ごうせい を伴 ともな う、フラッターの特殊 とくしゅ なケースである。プロペラとエンジンサポートのピッチとヨーの自由 じゆう 度 ど を含 ふく む動的 どうてき な不安定 ふあんてい 性 せい が発生 はっせい し、プロペラの歳 とし 差 さ 運動 うんどう が不安定 ふあんてい になることがある[ 13] 。エンジンサポートの故障 こしょう により、1959年 ねん にブラニフフライト542で2台 だい のロッキードL-188エレクトラに、そして1960年 ねん にノースウエストオリエントエアライン710フライトでプロペラフラッタが発生 はっせい した[ 14] 。
遷音速 そく 領域 りょういき では、流 なが れは非常 ひじょう に非線形 ひせんけい であり、衝撃波 しょうげきは がが伴 ともな う。このような領域 りょういき での飛行 ひこう は遷音速 そく マッハ数 すう を飛行 ひこう する航空機 こうくうき にとって不可欠 ふかけつ である。衝撃波 しょうげきは の役割 やくわり は、最初 さいしょ ホルトアシュレイによって分析 ぶんせき さた[ 15] 。フラッタ速度 そくど が飛行 ひこう 速度 そくど に近 ちか づく「遷音速 そく ディップ」として知 し られる現象 げんしょう は、1976年 ねん 5月 がつ にラングレー研究 けんきゅう センターの ファーマーとハンソン[ 16] によって報告 ほうこく された。
NASA HARV F/A-18翼 つばさ の渦 うず の崩壊 ほうかい によって引 ひ き起 お こされたフィンのバフェッティング
バフェッティング は、ある物体 ぶったい から別 べつ の物体 ぶったい に衝突 しょうとつ する気流 きりゅう の分離 ぶんり または衝撃波 しょうげきは 振動 しんどう によって引 ひ き起 お こされる高周波 こうしゅうは 不安定 ふあんてい 性 せい である。これは急激 きゅうげき な負荷 ふか の増加 ぞうか が原因 げんいん でおこるランダムな強制 きょうせい 振動 しんどう である。一般 いっぱん に、翼 つばさ の下流 かりゅう の空気 くうき の流 なが れにより、航空機 こうくうき 構造 こうぞう の尾翼 びよく に影響 えいきょう を与 あた える[要 よう 出典 しゅってん ] 。
バフェッティング検出 けんしゅつ の方法 ほうほう は次 つぎ のとおりである。
圧力 あつりょく 係数 けいすう 図 ず [ 17]
後 こう 縁 えん での圧力 あつりょく 発散 はっさん
マッハ数 すう に 基 もと づく後 のち 縁 えん からの分離 ぶんり の計算 けいさん
垂直 すいちょく 力 りょく の変動 へんどう 発散 はっさん
エルロンから突 つ き出 で たフラッタを抑 おさ えるためのおもり
1950 - 1970年 ねん に、AGARDは空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 問題 もんだい の解決 かいけつ と検証 けんしょう に使用 しよう されるプロセスと数値 すうち 解 かい のテストに使用 しよう できる標準 ひょうじゅん 的 てき な例 れい を詳述 しょうじゅつ した空 そら 力 りょく 弾性 だんせい マニュアルを 開発 かいはつ した。[ 18]
空 そら 力 りょく 弾性 だんせい には、外部 がいぶ の空気 くうき 力学 りきがく 的 てき 荷重 かじゅう とその変化 へんか の仕方 しかた だけでなく、航空機 こうくうき の構造 こうぞう 、減衰 げんすい 、質量 しつりょう 特性 とくせい も含 ふく まれる。予測 よそく には、航空機 こうくうき 構造 こうぞう の動的 どうてき 特性 とくせい を表 あらわ すように調整 ちょうせい されたバネとダンパーによって接続 せつぞく された一連 いちれん の質量 しつりょう として航空機 こうくうき の数学 すうがく モデル を作成 さくせい することによりなされる。モデルには、加 くわ えられた空気 くうき 力 りょく の詳細 しょうさい とそれらの変化 へんか の仕方 しかた も含 ふく まれる。
このモデルを使用 しよう してフラッターの生 しょう じるパラメータ範囲 はんい を予測 よそく し、必要 ひつよう であればテストにより潜在 せんざい 的 てき な問題 もんだい を修正 しゅうせい できる。慎重 しんちょう な設計 せっけい のもとに質量 しつりょう 分布 ぶんぷ と局所 きょくしょ 構造 こうぞう 剛性 ごうせい の小 ちい さな変更 へんこう は、空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 問題 もんだい の解決 かいけつ に非常 ひじょう に効果 こうか 的 てき である。
線形 せんけい 構造 こうぞう のフラッターを予測 よそく する方法 ほうほう には、p法 ほう 、k法 ほう 、pk法 ほう がある [ 7] 。
非線形 ひせんけい システムの場合 ばあい 、フラッターは通常 つうじょう 、リミットサイクル 振動 しんどう (LCO)として解釈 かいしゃく され、動的 どうてき システム の方法 ほうほう を使用 しよう して、フラッターが発生 はっせい する速度 そくど を決定 けってい できる[ 19] 。
これらのビデオはアクティブ空 そら 力 りょく 弾性 だんせい 翼 つばさ のNASA -空軍 くうぐん 共同 きょうどう 研究 けんきゅう で、エルロン やフラップなどの従来 じゅうらい の制御 せいぎょ 方式 ほうしき により柔軟 じゅうなん な翼 つばさ のねじれを誘発 ゆうはつ することで、遷音速 そく および超 ちょう 音速 おんそく で航空機 こうくうき の操縦 そうじゅう 性 せい を向上 こうじょう させる可能 かのう 性 せい を調 しら べる実験 じっけん である。
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