DE3935893A1

DE3935893A1 - Daempfung von dynamischen instabilitaeten

Info

Publication number: DE3935893A1
Application number: DE19893935893
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl Ing Dr Bschorr; Heinz Dr Hoenlinger
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1991-05-02
Also published as: DE3935893C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung dynamischer Insta bilitäten.

Ein typisches Merkmal für den Mechanismus einer dynamischen Instabili tät, wie das sogenannte Flattern eines aerodynamischen Flügels, ist das Vorhandensein mindestens zweier gekoppelter Schwingungsformen benachbar ter Frequenz, bei denen z. B. Strömungsenergie so in Schwingungsenergie umgesetzt wird, daß mindestens eine am Flattermechanismus beteiligte Schwingungsform angefacht wird. Derartige dynamische Instabilitäten sind gefährliche Phänomene, die innerhalb kürzester Zeit zum Bruch der Flü gelstruktur führen können.

Zur Beseitigung einer derartigen dynamischen Instabilität von umströmten elastischen Strukturen, wie z. B. das Flügelflattern, werden im allgemei nen entweder Versteifungen der Struktur oder ein Massenausgleich oder eine Dämpfung beweglicher Teile vorgenommen. Für den Sonderfall des Ru derbrumms (BUZZ) werden z. B. hydraulische Dämpfer eingesetzt, die Bewe gungen des Ruders gegenüber dem Flügel in einem breiten Frequenzbereich dämpfen. Derartige, z. B. aus dem Prospekt der Fa. Houdaille Industries, Buffalo, N.Y.14211, "Hydraulic Damper P/N 310317" bekannte Dämpfer sind ebenso wie die vorgenannten Maßnahmen mit erheblichen Gewichtszuwachs verbunden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Maßnahme zur Unterdrückung von dynamischen Instabilitäten, insbesondere einen Flatterdämpfer zu schaf fen, welcher leichter, möglichst wartungsarm und auch nachträglich mon tierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 ausgebildete Einrichtung zur Dämpfung dynamischer Insta bilitäten gelöst.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen wird die Struktur hin sichtlich ihrer Schwingungseigenschaften derart verstimmt, daß sich bei Erregung durch das umströmende Medium keine Resonanzen in der Struktur aufbauen können. Bei sich ändernden Strömungsgeschwindigkeiten, wie es beispielsweise bei Luftfahrzeugen der Fall ist, ist es von Vorteil, wenn die Kenngrößen des Feder-Masse-Systems in Abhängigkeit von der Strö mungsgeschwindigkeit verstellt werden. Dies kann zum einen durch Verän derung der Federkonstante bzw. der Vorspannung der Feder oder durch Ver änderung der effektiv wirksamen trägen Masse geschehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine als Flatterdämpfer ausgebildete Einrichtung zur Dämpfung dynamischer Instabilitäten mit externem Feder-Masse-System,

Fig. 2 eine Einrichtung gemäß Fig. 1 mit internem Feder-Masse-System,

Fig. 3 eine Einrichtung gemäß Fig. 1 mit aerodynamisch wirksamer trägen Masse,

Fig. 4 eine Einrichtung gemäß Fig. 3 mit zusätzlicher Ausschlag- und Drehwinkelübersetzung,

Fig. 5 eine Einrichtung gemäß Fig. 1 mit elastisch gelagertem Ruderseg ment,

Fig. 6 eine Einrichtung gemäß Fig. 2 mit staudruckabhängiger Feder,

Fig. 7 eine als Pitot-Rohr ausgebildete Einrichtung zur Dämpfung dyna mischer Instabilitäten und

Fig. 8 eine die Treibstoffmasse ausnutzende Einrichtung zur Dämpfung dynamischer Instabilitäten.

In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die sich insge samt auf die Flatterdämpfung von aerodynamischen Flügeln beziehen, kommt jeweils ein schwingungsfähiges, gedämpftes Feder-Masse-System zur Anwen dung, bei dem das als Feder wirksame Element mit dem Bezugszeichen .1, das als Masse wirksame Element mit dem Bezugszeichen .2 und das zur Schwingungsdämpfung eventuell zusätzlich vorgesehene Element mit dem Be zugszeichen .3 versehen ist. Mit letzterem läßt sich der Verlustfaktor des jeweiligen Feder-Masse-Systems einstellen. Dieser sollte größer als die entsprechende Flattermode sein, so daß ein solcher, aus Masse, Feder und Dämpfung bestehender Resonator ein Schwingungswiderstand (Resistanz) darstellt, mit der die Flattererregung kompensiert wird.

In Fig. 1 besteht der Flatterdämpfer aus einer Blattfederung 11, die mit einem Dämpfungsbelag 13 versehen ist und eine strömungsneutrale, z. B. kugelförmige Masse 12 aufweist. Wegen der Strömungsneutralität hat ein solches System eine geschwindigkeitsunabhängige, konstante Resonanzfre quenz. An einem Ruder 14 angebracht, vermag dieser Flatterdämpder 10 das sogenannte Buzz-Flattern zu unterdrücken.

In Fig. 2 befindet sich der Flatterdämpfer, bestehend aus Blattfeder 21, Masse 22 und Dämpfungsbelag 23 im Innern eines Flügels oder Ruders 24. Die Feder 21 ist hier gleichzeitig als Translations- und Torsionsfeder ausgeführt (Darboux-Balken). Durch Wahl des Befestigungspunktes am Flü gel 24 kann ein Drehmoment erzeugt und so gleichzeitig die Schlag- und Drehbewegung bedämpft werden.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 bis 5 ist die Resonanzmasse 32, 42, 52 wieder über eine Federung 31, 41, 51 an der zu dämpfenden Struk tur 34, 44, 54 angebracht und hat eine flächige, auftriebsaktive Form. Die einwirkenden Luftkräfte geben eine geschwindigkeitsabhängige Fede rung, mit der die nichtkonstanten Flatterfrequenzen angepaßt und unter drückt werden können. Um auch beliebige Geschwindigkeitsabhängigkeiten der Flatterfrequenz einstellen zu können, ist in Fig. 4 zusätzlich ein Parallelogrammgelenk zur Übersetzung von Hub- und Drehbewegung der Reso nanzmasse 42 vorgesehen. Über das Längenverhältnis a:b der flügel- und masseseitigen Befestigungsbasis lassen sich so die geschwindigkeitsab hängigen Luftkraftfederungen manipulieren.

Eine andere Methode, die Resonatorfrequenz eines Flatterdämpfers anhän gig von der Fluggeschwindigkeit zu machen, ist in Fig. 6 dargestellt. Die Federn 61 sind hier als nichtlineare Balgfedern ausgeführt und bil den zwei unabhängige Lufträume. Dazwischen aufgehängt ist eine Masse 62. Einer der Balgräume ist durch einen Kanal 66 mit dem Staupunkt, der an dere mit dem Kanal 65 mit einem an sich beliebigen Oberflächenpunkt des Flügels 64 verbunden. Bei Umströmung des Flügels 64 kommt es so zu einer unterschiedlichen Druckbeaufschlagung in den beiden Balgräumen, so daß sich der Arbeitspunkt der Feder 61 verschiebt. Über die Nichtlinearität der Feder 61 kann so jede staudruckabhängige Resonanzfrequenz einge stellt werden.

In den Fig. 7 und 8 werden die Flatterdämpfer unter Verwendung bereits bestehender Nutzmassen realisiert. In Fig. 7 wird z. B. ein Pitot-Rohr 72 mittels einer Stabfeder 71 elastisch gelagert und auf Flatterresonanz abgestimmt. In Fig. 8 wird die Treibstoffmasse 82 als Resonanzmasse be nützt. Dazu werden an dem Tank 84 volumenelastische Elemente 81, z. B. Silatoren oder Rohre mit ovalem Querschnitt, angebracht. Die volumenela stischen Elemente 81 bilden mit der Treibstoffmasse 82 wieder Resonanz systeme. Dabei ist es zweckmäßig, eine breitbandige Dämpfung mit ver schieden abgestimmten Resonatoren zu realisieren, um unabhängig von der Tankfüllung eine ausreichende Flatterdämpfung zu gewährleisten.

Claims

1. Einrichtung zur Dämpfung dynamischer Instabilitäten von umström ten Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (.4) mit ei nem schwingfähigen, gedämpften Feder-Masse-System (.1, .2, .3) verbunden ist, dessen Resistanz R größer als die Schwingerregung der Struktur ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante oder die Vorspannung der Feder (.1) des Feder-Masse-Sy stems (.1, .2, .3) in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des umströmenden Mediums verstellbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (.2) des Feder-Masse-Systems (.1, .2, .3) mit einer zusätzli chen, von der Strömungsgeschwindigkeit des umströmenden Mediums abhängi gen Kraft beaufschlagbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Masse des Feder-Masse-Systems (.1, .2, .3) als aero dynamisch wirksame Fläche (32, 42, 52) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Masse des Feder-Masse-Systems (.1, .2, .3) als Pitot-Rohr (72) ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einem motorgetriebenen Luftfahrzeug der Motortreib stoff (82) als Masse (.2) eines Feder-Masse-Systems (.1, .2, .3) verwen det wird, indem innerhalb eines Treibstofftanks (84) volumenelastische Elemente (81, 83) angeordnet sind.