Файл: Соломонов, П. А. Надежность планера самолета.pdf

тели. С ростом мощностей двигателей возрастают и шумы. Шум возникает при перемешивании частиц струи горячего газа с окружающим воздухом. Интенсивность шума в точках, достаточ­ но удаленных от границ струи (в дальнем звуковом поле1), примерно пропорциональна восьмой степени относительной ско­ рости истечения струи и площади ее сечения на срезе сопла. Амплитуда звукового давления возрастает пропорционально чет­ вертой степени относительно скорости истечения. Для прочности

нии 3—4 м от среза сопла /=100-^500 Гц.

В связи с этим наибольшим акустическим нагрузкам подвер­ гаются элементы конструкции, находящиеся в непосредственной близости от источника шума — потока газов, вытекающих из сопла двигателя. Отмечено также, что при работе двигателей на земле угол границы струи увеличивается по сравнению с углом границы струи в полете и граничная поверхность струи прибли­ жается к поверхности самолета, в частности к поверхности фю­ зеляжа, что приводит к увеличению уровня акустических нагру­ зок при работе двигателей на земле. Так как при этом скорость струи относительно воздуха максимальна, то режим работы двигателей на земле, как правило, оказывается наиболее небла­ гоприятным фактором для прочности [7].

Вблизи обшивки звуковое давление больше, чем вблизи выхлопной струи при отсутствии препятствия. Для плоских по-

1 Дальнее звуковое поле характеризуется расстоянием от источника зву­ ка (от границ реактивной струи), равным или меньшим длццы пппнп__для

исследуемой частоты звуковых колебаний; если это расстоянт г меньше дтЛныкн. я

волны звуковых колебаний, звуковое поле называется ближн м.нау Hv>'r л' нич ч ц

в I '( п.о она О Г: С

0 .;ЗЕМГГД?Р

ЧИТГ Лч. " Г О OAJ

верхностей, размеры которых больше длины волны звуковых колебаний, величина давления примерно удваивается по сравне­ нию с давлением в свободном пространстве. Для криволинейных поверхностей эта величина возрастает примерно на 50 %• Звуко­ вые давления внутри самолета вблизи обшивки имеют макси­ мум в определенных полосах частот, соответствующих собствен­ ным частотам колебаний ее панелей. Общий уровень звукового давления на внешней поверхности реактивного истребителя до­ стигает 160—170 дБ. У пассажирских реактивных самолетов общий уровень звуковых давлений внутри самолета на 20—25 дБ ниже, чем снаружи обшивки.

Для самолетов с турбовинтовыми двигателями существенны­ ми источниками являются воздушные винты. Уровень шума от реактивной струи двигателей у этих самолетов меньше, чем у реактивных самолетов. Интенсивность шума от воздушных вин­ тов зависит главным образом от окружной скорости вращения концов лопастей. Спектр шума — почти дискретный с преобла­ данием составляющих, соответствующих гармоникам угловых скоростей вращения винта.

Величина звукового давления при увеличении расстояния от винта уменьшается примерно по гиперболическому закону. Вследствие этого максимальные давления наблюдаются в точ­ ках фюзеляжа, наиболее близких к концам лопастей винта, в плоскости его вращения. Общий уровень звукового давления снаружи обшивки у пассажирских самолетов с турбовинтовыми двигателями составляет 140—150 дБ на участке фюзеляжа 1,5—2,0 м по обе стороны от плоскости вращения винтов внут­ ренних двигателей многомоторных самолетов. Влияние внешних силовых установок на величину звукового давления на поверх­ ности фюзеляжа незначительно (порядка 10—20% от суммы давлений). С ростом оборотов винта величина давления растет примерно по параболическому закону. При постоянных оборотах давление пропорционально углу установки лопасти (в диапазоне 10—20°). На установившемся режиме работы двигателя пульса­ ции давления довольно стабильны.

При несинхронной работе правого и левого внутренних двига­

18

Шум самолетов вызывает нагружение его элементов и прежде всего обшивки акустическими нагрузками. Под действи­ ем переменных звуковых давлений возникают акустические виб­ рации.

С изменением режима работы двигателей и полета изменя­ ются спектры давлений и напряжений в элементах конструкции. При этом изменяются в основном амплитуды колебаний (напря­ жений), частоты колебаний претерпевают малые изменения. Звуковые давления и, следовательно, акустические вибрации и переменные напряжения в элементах конструкции возрастают с увеличением мощности (тяги) двигателей. Увеличение скорости и высоты полета также ведет к увеличению акустических нагру­ зок.

Наибольшие уровни шума самолетов имеют место при работе двигателей на повышенных режимах. У дозвуковых реактивных самолетов при полете на крейсерском режиме уровень шума от реактивной струи двигателя составляет около 10% от уровня шума при взлете. Поэтому повышенные звуковые давления дей­ ствуют в течение 1—2% времени полета.

У сверхзвуковых самолетов время действия повышенных зву­ ковых давлений значительно больше. У турбовинтовых самоле­ тов уровень звукового давления также меняется с изменением режима работы двигателей. Однако обороты винтов остаются при этом практически постоянными и относительно высокий уро­ вень акустических напряжений фюзеляжа в зоне вращения вин­ тов сохраняется в течение всего времени полета. Значительные вибрации с частотами, соответствующими винтовым гармони­ кам, возникают также на хвостовом оперении, поскольку у не­ которых самолетов оно находится в струе от винтов или вблизи нее.

Амплитуда и частота акустических давлений от струи реак­ тивного двигателя на одном и том же режиме работы двигателя и, следовательно, шум представляют собой случайный процесс.

В будущем в связи с увеличением мощности двигателей мож­ но ожидать дальнейшего увеличения уровня акустических нагру­ зок. Как уже указывалось, акустические давления характеризу­ ются весьма широким спектром частот (/=10-^-20 000 Гц). Поэтому, если вызываемые ими повторные напряжения превы­ шают или близки к пределу выносливости, то усталостное раз­ рушение может наступить довольно быстро. Если даже повтор­ ные напряжения от акустических давлений оказываются ниже предела выносливости, они могут сократить допустимый срок службы, если кроме них, на конструкцию действуют значитель­ ные повторные напряжения, вызванные другими нагрузками.

Увеличение скоростей полета привело к увеличению нагру­ зок, вызванных нагревом конструкции. В полете при обтекании элементов конструкции планера частицами воздуха, примыкаю­

19

щими к поверхности, происходит их торможение. Хотя нагрев поверхностей, обтекаемых воздухом, существует при любой ско­ рости движения, однако на малых скоростях полета он незначи­ телен. На больших же скоростях полета, превышающих ско­ рость звука, в сверхзвуковом потоке, обладающем громадной энергией, нагревание поверхности становится значительным. Известно, что абсолютная температура пограничного слоя Т в точке полного торможения воздушного потока с учетом ее вос­ становления

В начале сверхзвукового полета распределение температуры по конструкции происходит не­ равномерно, а через некоторое время температура выравнивает­ ся. Перепад температур, кото­ рый имеет место в начале сверх­ звукового полета, может приве­ сти к короблению отдельных элементов конструкции. Кроме того, значительный нагрев эле­ ментов конструкции планера

специальное оборудование, атмосферная и солнечная радиация. Влияние на нагрев самолетов атмосферной и солнечной радиа­ ций несущественно до высот порядка 50 км и их можно прак­ тически не учитывать. На современных самолетах начинают оказывать существенное влияние на нагрев конструкции двига­ тельные установки и выхлопные газы. Так, температура возду­ ха в отдельных отсеках конструкции может достигать 450— 500° С, что может привести к нагреву элементов конструкции до 300° С и более. Такой нагрев элементов конструкции планера также может привести к значительному снижению прочностных характеристик материалов. На рис. 11 в качестве примера пока­ зан характер изменения температуры воздуха в хвостовой час­ ти фюзеляжа при пробе двигателя на земле.

■20