Wie wurde das Flattern in Jets wie der F-15 und F-16 gemildert?

Kurze Antwort: Indem man nicht schneller fliegt als die 104 und sich an die gewonnenen Erkenntnisse hält.

Flutter verursachte erstmals im Ersten Weltkrieg Abstürze, als verbesserte Motorleistung und Aerodynamik eine erhebliche Steigerung der Fluggeschwindigkeit ermöglichten. Jedes Mal, wenn der technologische Fortschritt höhere Geschwindigkeiten ermöglichte, wurde das Flattern zu einem Problem, das dann sowohl durch Versuch und Irrtum als auch durch Analytik gelöst wurde.

Aus NASA TM 4720 :

Der erste aufgezeichnete Flattervorfall ereignete sich 1916 bei einem zweimotorigen Handley Page O / 400- Doppeldeckerbomber. Der Flattermechanismus bestand aus einer Kopplung des Rumpftorsionsmodus mit einem antisymmetrischen Höhenruderrotationsmodus.

Dies ließ sich leicht beheben, indem ein Freiheitsgrad für das Höhenruder entfernt wurde: Zunächst konnten beide Seiten unabhängig voneinander bewegt werden, und durch die Verbindung mit einem Torsionsrohr konnte der Flattermodus vermieden werden.

Vom Ruderflattern im Ersten Weltkrieg, das im Allgemeinen durch das Ausbalancieren aller Steuerflächen gelöst wurde (etwas, dessen sich die frühen Flugzeugkonstrukteure nicht bewusst waren), verlagerten sich die Flatterprobleme ab 1925 auf die Primärflächen. Wieder NACA TM 4720:

Flugrennfahrer erlebten von Mitte der 1920er bis Mitte der 1930er Jahre viele Vorfälle von Flattern, als Versuche unternommen wurden, Geschwindigkeitsrekorde zu brechen

Die ersten analytischen Tests wurden 1935 in Deutschland von von Schlippe durchgeführt. Er vibrierte das Flugzeug mit zunehmender Geschwindigkeit und maß die resultierende Amplitude. Eine Zunahme der Amplitude deutete auf eine Verringerung der Dämpfung und eine drohende Flattergefahr hin.

_{Typisches Amplituden-über-Geschwindigkeits-Diagramm (aus NACA TM 806 , das eine direkte Übersetzung von von Schlippes Arbeit ist, die erstmals in Luftfahrtforschung, Band 13, Nr. 2, Februar 1936 veröffentlicht wurde)}

Mit Jets und ihren höheren Geschwindigkeiten traten neue Flatterarten auf. Wieder NACA TM 4720:

Überschallgeschwindigkeiten erzeugten auch eine neue Art von Flattern, das als Panelflattern bekannt ist. Plattenflattern beinhaltet stehende oder wandernde Wellen mit konstanter Amplitude in Flugzeughautbedeckungen. Diese Art von Instabilität könnte zu einem abrupten Ermüdungsbruch führen, daher ist die Vermeidung von Paneelflattern wichtig.

Seit vielleicht fünfzig Jahren muss jedes neue Design einen statischen Vibrationstest durchlaufen, um zu prüfen, welche elastischen Eigenfrequenzen vorhanden sind. Analytische Methoden werden verwendet, um die (geschwindigkeitsabhängigen) aerodynamischen Frequenzen vorherzusagen, und die Struktur muss modifiziert werden, um jede Möglichkeit einer Resonanz auszuschließen. Als nächstes wird die Flugzeugzelle im Flug mit immer höheren Geschwindigkeiten und mit Erregern an den Spitzen aller Oberflächen getestet (die können wie der Vibrationsmotor in Ihrem Smartphone sein, nur größer, oder im einfachsten Fall bewegt der Pilot die Steuerflächen ). ). Bei steigenden Drehzahlen werden die Erreger durch einen Frequenzsweep (typischerweise von 5 bis 60 Hz) geführt und die resultierende Amplitude mit Dehnungsmessstreifen oder Beschleunigungsmessern gemessen.

Unten ist ein Diagramm (entnommen aus NACA TM 4720), das den Flattertest der F-14 darstellt. Die F-14 und F-16 haben das gleiche Verfahren durchlaufen, um sicherzustellen, dass Flattern im Betrieb kein Problem darstellt. Moderne Fly-by-Wire-Designs können ihre Steuerflächen sogar zur aktiven Flatterunterdrückung nutzen .

Die XF-104 ist ein Flugzeugprototyp, der zum Starfighter F-104 führte . Normalerweise werden während der Entwicklung eines Flugzeugs Flattertests durchgeführt und Korrekturmaßnahmen ergriffen. Der Wikipedia-Artikel, der Ihnen gefallen hat, hat einen Punkt:

Serienflugzeuge würden auch eine neu gestaltete Flossenstruktur mit Edelstahlholmen aufweisen, um das Flatterproblem zu beseitigen.

In ähnlicher Weise werden während der Flugtests von F-15 und F-16 (oder jedem anderen Flugzeug, was das betrifft) verschiedene Flattermodi identifiziert und Korrekturmaßnahmen ergriffen. Beispielsweise wurde im Fall von F-15 während der Tests ein Flattern im Leitwerk beobachtet, das durch eine Neugestaltung des Stabilisators (durch Einführen eines „Hakens“) korrigiert wurde.

Konstruktionsänderungen des F-15-Stabilisators aufgrund von Flattern; Bild von airandspacemuseum.org

Auch am Seitenleitwerk wurden einige Modifikationen vorgenommen (durch Erhöhung der Steifigkeit). Die Antwort lautet also im Grunde, dass die Flattermodi (hoffentlich) während des Testprogramms des Flugzeugs identifiziert und entsprechende Korrekturmaßnahmen ergriffen werden.

Nach dem Flattertest und der Identifizierung der Flugzeughülle, die anfällig für divergentes Flattern ist, dann die Versteifung der Flugzeugflügel und Ruder, Stabilisatoren usw. ... war der andere Weg, Manöver in diesem Bereich des Fluges zu untersagen (Rollen unter den harten Gs und Überschallgeschwindigkeit). F 15 Ruder sind aus diesem Grund nicht so hoch