Comment pouvez-vous supprimer le flottement dans les avions à grande vitesse?

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Le flottement est un phénomène dangereux qui peut causer des dommages structurels ou des défaillances dans les avions à grande vitesse. Il se produit lorsque les forces aérodynamiques et la dynamique structurelle de l’aile ou de la queue interagissent de manière auto-excitée et instable. Dans cet article, vous apprendrez à supprimer le flottement en appliquant quelques principes et méthodes de base de l’aéroélasticité et des vibrations.

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1 Identifier le mode de flottement

La première étape pour supprimer le flottement est d’identifier le mode de flottement, qui est la forme et la fréquence de la déformation de l’aile ou de la queue qui conduit à l’instabilité. Vous pouvez utiliser des méthodes analytiques ou numériques, telles que la théorie de Theodysen, l’analyse par éléments finis ou la dynamique des fluides numérique, pour modéliser le comportement aéroélastique de l’avion et prédire la vitesse et le mode de flottement. Vous pouvez également utiliser des méthodes expérimentales, telles que des essais en soufflerie ou des essais en vol, pour mesurer la vitesse et le mode de flottement à l’aide de capteurs et d’instruments.

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Ilgaz Doğa Okcu, PhD

Helicopter Autopilot Systems Manager - TA | Flight Dynamics Modeling, Simulation & Control Engineer | Control and Robotics Ph.D. - METU
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The numerical methods finite element analysis and computational fluid dynamics should be used in a coupled manner not separately. An additional experimental method could be rap tests, performed with an instrumented hammer, to identify the natural mode of the wing or tail in question.

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2 Modifier la répartition de la rigidité

Une façon de supprimer le flottement est de modifier la distribution de rigidité de la structure de l’aile ou de la queue, ce qui affecte les fréquences naturelles et les modes de vibration. Vous pouvez augmenter la rigidité de la structure en ajoutant des renforts, des nervures, des longerons ou des peaux, ou en utilisant des matériaux plus rigides. Vous pouvez également réduire la rigidité de la structure en enlevant ou en coupant certaines pièces, ou en utilisant des matériaux plus flexibles. L’objectif est d’éviter une condition de résonance entre les fréquences structurelles et aérodynamiques, qui peut déclencher des flottements.

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Kaushik Radhakrishnan
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The storing of fuel in the wing fuel tanks is intended with the purpose of relieving the aeroelastic load. The fuel weight can counterbalance the aeroelastic load that the wing experiences. However, storing the fuel in the wing increases the structural complexity of the wing structural design also requiring increased wing volume and weight.

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3 Modifier la distribution de masse

Une autre façon de supprimer le flottement est de modifier la répartition de la masse de la structure de l’aile ou de la queue, ce qui affecte l’inertie et l’amortissement de la vibration. Vous pouvez augmenter la masse de la structure en ajoutant des poids, des réservoirs de carburant ou des charges utiles, ou en utilisant des matériaux plus lourds. Vous pouvez également réduire la masse de la structure en enlevant ou en déplaçant certaines pièces, ou en utilisant des matériaux plus légers. L’objectif est d’augmenter le taux d’amortissement de la structure, ce qui peut réduire l’amplitude et l’énergie de la vibration.

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4 Modifier la forme aérodynamique

Une troisième façon de supprimer le flottement consiste à modifier la forme aérodynamique de la surface de l’aile ou de la queue, ce qui affecte les forces et les moments de portance et de traînée. Vous pouvez modifier la forme de la structure en ajoutant ou en supprimant des ailettes, des volets, des lattes, des spoilers ou des surfaces de contrôle, ou en modifiant l’angle d’attaque, de balayage ou de torsion. Vous pouvez également modifier la rugosité, le lissage ou la porosité de la surface, ce qui peut affecter la couche limite et la séparation de l’écoulement. L’objectif est de réduire le couplage aérodynamique et la rétroaction entre la structure et le flux d’air, ce qui peut provoquer un flottement.

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5 Appliquer un contrôle actif ou passif

Une quatrième façon de supprimer le flottement consiste à appliquer des systèmes de contrôle actifs ou passifs à la structure de l’aile ou de la queue, ce qui peut modifier la réponse dynamique de la structure aux forces aérodynamiques. Les systèmes de contrôle actif utilisent des capteurs, des actionneurs et des contrôleurs pour mesurer et ajuster la vibration de la structure en temps réel. Les systèmes de contrôle passifs utilisent des dispositifs, tels que des amortisseurs, des ressorts ou des masses, pour absorber ou dissiper l’énergie vibratoire de la structure. L’objectif est d’augmenter la stabilité et la robustesse de la structure contre le flottement.

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Kaushik Radhakrishnan
(modifié)
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Active control movements using control surfaces example High-speed aileron, to balance the deformation of the wing have been utilized in real flight.

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6 Tester et valider la conception

La dernière étape pour supprimer le flottement consiste à tester et à valider la conception de la structure de l’aile ou de la queue, ce qui peut assurer la sécurité et les performances de l’avion. Vous pouvez utiliser des outils de simulation, tels que MATLAB, SIMULINK ou NASTRAN, pour vérifier le modèle aéroélastique et le système de contrôle de la structure. Vous pouvez également utiliser des outils expérimentaux, tels que des essais en soufflerie ou des essais en vol, pour valider les méthodes de suppression du flottement et les marges de conception de la structure. L’objectif est de démontrer que la structure peut résister aux conditions de vol attendues sans flotter.

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7 Voici ce qu’il faut prendre en compte

Il s’agit d’un espace pour partager des exemples, des histoires ou des idées qui ne correspondent à aucune des sections précédentes. Que voudriez-vous ajouter d’autre?

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Ricardo Franco Amaral

Engineering Lead | Aerospace & Defense | Unmanned Aerial Systems | Aeronautics | Loads | Dynamics | Flutter
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Back to basics, flutter is an instability resulting from de interaction of elastic, inertial and aerodynamic forces. Therefore: - Understand your aircraft structure. Provide enough stiffness to your design, make wise decisions in structural layout, load paths and control systems architecture. Take care of actuators impedance and freeplay in mechanisms. - Understand and control the effects of the mass distribution and mass properties of the aircraft. Determine the sensitivity of the design to mass configs, CG and moments of inertia, specially in control surfaces. - Choose a representative model for your aerodynamics, consistent with flow, Mach number and Re. - Model structure + aero. Calculate flutter speeds, check and improve design.

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Denner Miranda

Engenheiro Aeronáutico, MSc
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High-velocity aircraft usually will experimenter transonic flutter, which until today is a concern in aircraft design. Standard industry methods to evaluate flutter include the modelling of unsteady aerodynamics, usually through Doublet Lattice Method (DLM), combined with finite element models for structure dynamics response. The aeroelastic stability is evaluated using matched frequencies methods, most commonly p-k method. However, for transonic speeds, non-linearities will occur, jeopardizing the precision of the above methods. Trend current solutions seek to improve aerodynamics response in high velocities considering improvements using advanced CFD methods to model particularities of fluid motion in these conditions.

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Paul T. Glessner, M.S. 🏁🛩

Aerospace/Aviation & Automotive Entrepreneur Aerodynamics, Wind Tunnel Testing, Flight Testing, Stability & Control, Handling Qualities, and Aircraft Design
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A simple point of preflighting your aircraft after an annual or re-fabrication of a control surface. Airplanes have crashed just from missing counterweights. NASTRAN and other codes get you in the right sweet spot to then verify by actual flight test.

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1 Identifier le mode de flottement

2 Modifier la répartition de la rigidité

3 Modifier la distribution de masse

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5 Appliquer un contrôle actif ou passif

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