Области знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить языкИнформация
О РУВИКИ
Найти статью

Бафтинг

Pause

Бафтинг(англ. buffeting, от buffet — «ударять, бить») — аэродинамическое явление, состоящее в возникновении вынужденных колебаний (вибраций) всего летательного аппарата или отдельных элементов его конструкции под действием нестационарных аэродинамических сил, порождаемых при обтекании поверхности отрывными и вихревыми течениями. На некоторых режимах полёта амплитуды этих колебаний становятся значительными, а периодические нагрузки, действующие на элементы конструкции, способны вызвать усталостные повреждения, снижение ресурса и в отдельных случаях привести к разрушению планёра[1].

Классическим и исторически первым выявленным типом бафтинга является «бафтинг оперения» — тряска хвостового оперения, возникающая при попадании его в спутный след и в вихревую пелену, срывающуюся с крыла или других расположенных впереди элементов. В современной технической литературе к бафтингу относят также трансзвуковой бафтинг крыла, обусловленный автоколебательным взаимодействием скачка уплотнения с отрывной зоной пограничного слоя, бафтинг вертикального оперения от вихрей наплывов на больших углах атаки, а также колебания конструкции, вызванные пульсациями давления в открытых полостях (нишах шасси, бомбоотсеках, оптических башнях)[1].

Общие сведения
Что важно знать
бафтинг
buffeting
Область использования Аэродинамика
Дата появления 1930

Определение и физическая природа

С позиций современной аэроупругости бафтинг определяют как структурный отклик конструкции на аэродинамическое возбуждение, порождаемое отрывными нестационарными течениями. В отличие от флаттера, представляющего собой самовозбуждающиеся автоколебания за счёт обмена энергией между упругой конструкцией и потенциальным потоком, бафтинг имеет чисто аэродинамическое происхождение возбуждения: даже абсолютно жёсткая модель, помещённая в нестационарное отрывное течение, испытывает переменные нагрузки[2].

Основным источником возбуждения служат:

  • отрыв пограничного слоя с крыла, закрылков, предкрылков, гондол или фюзеляжа и образование вихрей, попадающих на нижерасположенные по потоку элементы;
  • нестационарные скачки уплотнения на трансзвуковых режимах и их взаимодействие с пограничным слоем (так называемый транcзвуковой бафтинг);
  • вихри, сходящие с острых кромок наплывов и передних кромок крыла на больших углах атаки, разрушение вихрей формирует широкополосное возбуждение вертикального оперения;
  • автоколебания сдвигового слоя над открытыми полостями (ниши шасси, отсеки вооружения, оптические окна), возбуждающие как обшивку самой полости, так и близлежащие элементы планёра[3].

Возбуждение имеет широкополосный случайный характер с выраженными спектральными максимумами; наиболее опасным является совпадение частот энергонасыщенной части возбуждения с собственными частотами элементов конструкции, при котором амплитуды колебаний резко возрастают.

История изучения

Первые случаи и появление термина

Термин «бафтинг» вошёл в авиационную инженерию в первой половине 1930-х годов после расследования катастрофы английского самолёта Junkers F.13ge произошедшей 21 июля 1930 года близ деревни Meopham (графство Кент, Великобритания). При полёте в неспокойной атмосфере машина разрушилась в воздухе; хвостовая часть была найдена в 275 метрах от места падения основных обломков. Аэронавтический исследовательский комитет Великобритании квалифицировал причину аварии как «buffeting» — нерегулярные колебания горизонтального стабилизатора, попавшего в отрывной поток с крыла[4][5].

Расследование, проведённое как британскими специалистами, так и группой немецких аэродинамиков во главе с Х. Бленком, показало, что при определённых углах атаки крыло F.13 порождало интенсивные вихревые срывы; попадание их на горизонтальный стабилизатор вызывало знакопеременные нагрузки, значительно превышающие расчётные. Тем самым была установлена принципиальная опасность отрывных нестационарных течений и введено само понятие бафтинга оперения[4][6].

Развитие представлений в 1940—1970-е годы

К концу 1930-х годов бафтинг воспринимался прежде всего как проблема хвостового оперения. С ростом скоростей полёта в 1940—1950-е годы был обнаружен принципиально новый тип явления — трансзвуковой бафтинг крыла, связанный с образованием на верхней поверхности профиля местной сверхзвуковой зоны, замыкаемой скачком уплотнения. При отрыве пограничного слоя за скачком его положение становится неустойчивым: скачок совершает автоколебания вдоль хорды, порождая пульсации давления и подъёмной силы. Такой режим наблюдался у ранних реактивных самолётов и потребовал пересмотра методик прочностных расчётов[1][7].

Систематизация проблемы связана с работами британского Королевского авиационного исследовательского института (Royal Aircraft Establishment), где Дж. Россайтер в 1960-е годы разработал полуэмпирическую модель автоколебаний потока в открытых полостях, а Д. Мэйби сформулировал классификацию видов бафтинга по типу отрывного возбуждения. В 1972 году военный комитет НАТО поручил консультативной группе AGARD разработать общую методику оценки влияния бафтинга на лётные и боевые характеристики самолётов; с этого момента исследования бафтинга приобрели статус самостоятельного научного направления[1].

Вклад отечественных учёных

В СССР и России исследования бафтинга традиционно велись прежде всего в Центральном аэрогидродинамическом институте имени Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), а также в отраслевых институтах и опытно-конструкторских бюро. Первые продувки крыльев в скачкообразных отрывных режимах в аэродинамических трубах Т-106 и Т-112 ЦАГИ позволили ещё в 1950—1960-е годы получить экспериментальные границы бафтинга для целого ряда сверхкритических профилей.

Обобщение отечественных и зарубежных результатов представлено в монографии М. Ф. Гарифуллина «Бафтинг», в которой изложены как физика явления, так и инженерные методы борьбы с ним. В цикле работ И. И. Липатова, Р. Я. Тугазакова и их коллег из ЦАГИ и МФТИ численно исследованы механизмы возбуждения трансзвукового бафтинга и роль взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем[7]. Работы А. М. Гайфуллина и К. Г. Хайруллина (ЦАГИ) посвящены управлению бафтингом сверхкритического профиля с помощью движущегося участка обшивки, размещённого под скачком уплотнения: показано, что при скорости движения 150 м/с амплитуда колебаний коэффициента подъёмной силы уменьшается в 55 раз[8]. Разработанный в ЦАГИ пассивный метод стабилизации скачка уплотнения струйными вихрегенераторами, образующими вихри перепуском воздуха из отверстий, расположенных до и после скачка, защищён патентом Российской Федерации и подтверждён экспериментами в аэродинамической трубе на числах Маха 0,72—0,82[9]. Импульсные тепловые актуаторы для управления трансзвуковым бафтингом крыла предложены в работах А. В. Воеводина и сотрудников ЦАГИ[10].

Основные виды бафтинга

Бафтинг оперения

Наиболее распространённая форма — тряска стабилизатора и руля высоты, попадающих в вихревой след крыла на околокритических углах атаки или при выпуске механизации. Спектр возбуждения обычно широкополосный с максимумом на числах Струхаля 0,1—0,3, отнесённых к хорде крыла. Тряска служит естественным «предупреждением» о приближении к режиму сваливания и часто нормируется как обязательный признак приближающегося критического угла атаки для гражданских самолётов.

Трансзвуковой бафтинг крыла

Возникает при полётных числах Маха, близких к крейсерским для современных магистральных самолётов (M ≈ 0,7—0,9). При достижении местной сверхзвуковой скорости на верхней поверхности профиля формируется замыкающий скачок уплотнения; если он вызывает отрыв пограничного слоя, положение скачка становится неустойчивым и совершает автоколебания с частотами порядка десятков герц. Возникающие пульсации подъёмной силы и момента нагружают крыло, вызывают его изгибно-крутильные колебания и ограничивают допустимые режимы полёта — так называемая граница бафтинга (buffet boundary), определяющая предельные значения перегрузки и числа Маха в эксплуатационном диапазоне[1][11].

Бафтинг вертикального оперения

Проявляется на манёвренных самолётах с развитыми наплывами крыла (F/A-18, Су-27, F-22 и др.) на больших углах атаки. Вихри, сходящие с наплывов, при разрушении («vortex breakdown») формируют интенсивные пульсации давления, попадающие на кили. У самолёта F/A-18 бафтинг двухкилевого оперения был обнаружен уже на этапе испытаний и потребовал введения ограничений и специальных доработок[12].

Ударно-волновые колебания в полостях (бафтинг бомболюков)

Отдельный класс явлений составляют автоколебания сдвигового слоя, натекающего на открытую полость в поверхности летательного аппарата — нишу шасси, бомбоотсек, отсек вооружения, окно оптической аппаратуры. Ещё в 1950-е годы фирмой Boeing был описан эффект «bomb bay buffet» — интенсивная тряска бомболюков и прилегающей конструкции при полёте с открытыми створками. Теоретическую основу для описания этих колебаний заложил Дж. Россайтер, показавший, что механизм самоподдержания состоит из четырёх звеньев: неустойчивости Кельвина — Гельмгольца в слое смешения над полостью, свёртывания вихрей, их взаимодействия с задней кромкой полости и распространения акустического возмущения к передней кромке, где оно замыкает петлю обратной связи. Соответствующие моды получили название мод Россайтера[13]. Уровень пульсаций давления при таком автоколебательном режиме может достигать 160—170 дБ, что вызывает не только вибрации конструкции, но и повреждения размещённого в полости оборудования.

Знаковые случаи

  • 1930, Meopham (Великобритания). Разрушение Junkers F.13ge G-AAZK; катастрофа стала отправной точкой систематического изучения бафтинга оперения и введения самого термина[4].
  • 1959—1960, Lockheed L-188 Electra. Две катастрофы были вызваны разрушительным флаттером крыла, инициированным винтовой модой колебаний (propeller whirl mode): при снижении жёсткости крепления двигателя колебания системы «двигатель — гондола» могли связаться с собственной формой колебаний крыла. Этот механизм относится к аэроупругой неустойчивости, а не к обычному бафтингу гондол[14].
  • 1980-е, F/A-18 Hornet. Обнаружен интенсивный бафтинг двухкилевого оперения от вихрей наплывов; введены усиления килей, установлены генераторы вихрей на наплывах, испытывались активные пьезоэлектрические демпферы[12].
  • 1990—2000-е, магистральные самолёты. Ограничения по трансзвуковому бафтингу крыла стали одним из ключевых пунктов сертификационных требований гражданской авиации; методы расчёта границы бафтинга получили статус обязательной части проекта[11].

Методы борьбы с бафтингом

Инженерные меры борьбы с бафтингом делятся на конструктивные и активные:

  • Аэродинамическая компоновка. Выбор взаимного расположения крыла и оперения так, чтобы стабилизатор при эксплуатационных углах атаки не попадал в след крыла; применение сверхкритических профилей с уменьшенной интенсивностью замыкающего скачка; использование вихрегенераторов для управления отрывом пограничного слоя.
  • Пассивные средства управления обтеканием. Установка на крыле струйных вихрегенераторов, работающих за счёт перепуска воздуха из зон разного давления, стабилизирующих положение замыкающего скачка (разработка ЦАГИ)[9]. Использование трёхмерных выступов и профилированных наплывов, изменяющих структуру скачка уплотнения.
  • Активные системы управления обтеканием. Тангенциальный выдув сжатой струи вдоль верхней поверхности крыла; движущиеся участки поверхности профиля; импульсные тепловые актуаторы[8][10].
  • Демпфирование конструкции. Локальное усиление силовых элементов оперения, установка динамических гасителей, а на манёвренных самолётах — экспериментальные системы активного подавления вибраций киля пьезоэлектрическими актуаторами[12].
  • Ограничения по режимам полёта. Регламентация допустимых сочетаний числа Маха, угла атаки и перегрузки, определяющих «границу бафтинга».

Успокоение потоков в полостях с оптическим оборудованием

Отдельным приложением исследований бафтинга полостей является подавление автоколебаний потока над окнами оптической и лазерной аппаратуры на борту самолёта. При открытии оптического порта или размещении оборудования в надфюзеляжной башне («turret») сдвиговый слой над полостью порождает и вибрации конструкции, и оптические искажения — так называемые аэрооптические возмущения, ухудшающие качество изображения и когерентность лазерных пучков[15].

По данным исследований, проводившихся в США (в том числе в Университете Нотр-Дам и в исследовательских центрах ВВС), одним из наиболее эффективных пассивных способов «успокоения» потока над оптическими окнами является установка перфорированных пластин перед входом в полость. Такая пластина, будучи размещённой заподлицо с обшивкой над окном, ослабляет крупномасштабные вихри в сдвиговом слое, увеличивает толщину подслоя и разрушает механизм обратной связи Россайтера, за счёт чего снижаются как пульсации давления, так и оптические искажения[16]. Аналогичный эффект дают проницаемые (сеточные) экраны, изменяющие профиль скорости в слое смешения. Результаты подобных работ используются при проектировании оптических и лазерных систем воздушного базирования.

Литература

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Фам Туан Винь. Численное моделирование бафтинга и управления им в трансзвуковом потоке : диссертация. — ЦАГИ / МФТИ, 2018.
  2. ↑ Cole H. A. Buffeting during atmospheric ascent // NASA Technical Note. — 1970.
  3. ↑ Breitsamter C. Buffet and buffeting characteristics of high agility and transport aircraft // DGLR-Bericht. — 2025.
  4. ↑ 1 2 3 Blenk H., Hertel H., Thalau K. The German investigation of the accident at Meopham (England) // NACA Technical Memorandum. — 1932. — № 669.
  5. ↑ Crash of a Junkers F.13ge in Meopham: 6 killed. Bureau of Aircraft Accidents Archives.
  6. ↑ Seal D. M. A survey of buffeting loads // Aeronautical Research Council Current Papers. — 1959. — № 584.
  7. ↑ 1 2 Липатов И. И., Тугазаков Р. Я. Численное моделирование процессов возникновения бафтинга // Учёные записки ЦАГИ. — 2014.
  8. ↑ 1 2 Гайфуллин А. М., Хайруллин К. Г. Управление бафтингом с помощью движущейся поверхности // Известия РАН. Механика жидкости и газа. — 2020. — № 4.
  9. ↑ 1 2 ЦАГИ разработал новые способы борьбы с бафтингом. Aviation21 (16 июля 2019).
  10. ↑ 1 2 Воеводин А. В. и др. Управление бафтингом крыла при околозвуковых скоростях импульсным тепловым актуатором // Теплофизика и аэромеханика. — 2021.
  11. ↑ 1 2 Reberga O., Caruana D. и др. Buffet characterization and control for turbulent wings // AerospaceLab Journal. — 2013.
  12. ↑ 1 2 3 Moses R. W. Vertical tail buffeting alleviation using piezoelectric actuators // NASA / AIAA-99-1318. — 1999.
  13. ↑ Lawson S. J., Barakos G. N. Review of numerical simulations for high-speed, turbulent cavity flows // Progress in Aerospace Sciences. — 2011. — Т. 47, вып. 3. — С. 186—216. — doi:10.1016/j.paerosci.2010.11.002.
  14. ↑ Lockheed L-188 Electra: Braniff Airways Flight 542 and Northwest Airlines Flight 710. Federal Aviation Administration. Дата обращения: 8 сентября 2026.
  15. ↑ Gordeyev S., Jumper E. Fluid dynamics and aero-optical environment around turrets // AIAA Paper 2009-4224. — 2009.
  16. ↑ Sakaliyski K. D. Aeroacoustics of perforated drag plates for quiet transport aircraft : дисс.. — Massachusetts Institute of Technology, 2005.

Категории

Pause