Механик полета самолета

Механика полета самолетов относится к самолетам с неподвижным крылом ( планеры , самолеты ) и винтокрылыми ( вертолеты ). Самолет ( самолет в использовании в США) определяется в Документе ИКАО 9110 как «самолет с механическим приводом тяжелее воздуха, подъемная сила которого создается главным образом за счет аэродинамических реакций на поверхности, которые остаются неизменными в данных условиях полета».

Обратите внимание, что это определение исключает как дирижабли (поскольку они получают подъемную силу за счет плавучести, а не за счет потока воздуха над поверхностью), так и баллистические ракеты (поскольку их подъемная сила обычно создается непосредственно и полностью за счет почти вертикальной тяги). Технически можно сказать, что оба они испытывают «механику полета» в более общем смысле физических сил, действующих на тело, движущееся в воздухе ; но они действуют совсем по-другому и обычно выходят за рамки этого термина.

Снимать

Летательный аппарат (самолет) тяжелее воздуха может летать только в том случае, если на него действует ряд аэродинамических сил. Что касается самолетов с неподвижным крылом, фюзеляж самолета удерживает крылья перед взлетом. В момент взлета происходит обратный процесс и крылья поддерживают самолет в полете.

Прямой и горизонтальный полет самолета

Можно считать, что в полете на самолет с двигателем действуют четыре силы: подъемная сила , вес , тяга и сопротивление . ^[1] Тяга — это сила, создаваемая двигателем (независимо от того, является ли этот двигатель реактивным двигателем , пропеллером или — в экзотических случаях, таких как X-15 — ракетой ) и действующая в прямом направлении с целью преодоления сопротивления. ^[2] Подъемная сила действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы. Сопротивление действует параллельно вектору скорости самолета, но в противоположном направлении, поскольку сопротивление препятствует движению в воздухе. Вес действует через центр тяжести самолета по направлению к центру Земли.

В прямом и горизонтальном полете подъемная сила примерно равна весу и действует в противоположном направлении. Кроме того, если самолет не ускоряется, тяга равна лобовому сопротивлению и противоположна ему. ^[3]

В прямолинейном наборе высоты подъемная сила меньше веса. ^[4] На первый взгляд это кажется неверным, потому что, если самолет набирает высоту, кажется, что подъемная сила должна превышать вес. Когда самолет набирает высоту с постоянной скоростью, именно его тяга позволяет ему набирать высоту и получать дополнительную потенциальную энергию. Подъемная сила действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы, поэтому подъемная сила не может изменить потенциальную или кинетическую энергию самолета. В этом можно убедиться, рассмотрев пилотажный самолет, находящийся в прямолинейном вертикальном полете (тот, который поднимается прямо вверх или снижается прямо вниз). Вертикальный полет не требует подъемной силы. При полете прямо вверх самолет может достичь нулевой скорости, прежде чем упасть на землю; крыло не создает подъемной силы и поэтому не сваливается. В прямолинейном полете с набором высоты при постоянной скорости тяга превышает сопротивление.

В прямолинейном полете подъемная сила меньше веса. ^[5] Кроме того, если самолет не разгоняется, тяга меньше сопротивления. В разворотном полете подъемная сила превышает вес и создает коэффициент перегрузки самолета больше единицы, определяемый углом крена . ^[6]

Управление и движение самолета

У самолета есть три основных способа изменить свою ориентацию относительно проходящего воздуха. Тангаж (движение носа вверх или вниз, вращение вокруг поперечной оси), крен (вращение вокруг продольной оси, то есть оси, проходящей по длине самолета) и рыскание (движение носа влево или вправо). , вращение вокруг вертикальной оси). Поворот самолета (изменение курса) требует, чтобы самолет сначала покатился для достижения угла крена (чтобы создать центростремительную силу); Когда желаемое изменение курса достигнуто, самолет необходимо снова повернуть в противоположном направлении, чтобы уменьшить угол крена до нуля. Подъемная сила действует вертикально вверх через центр давления, который зависит от положения крыльев. Положение центра давления будет меняться при изменении угла атаки и положения закрылков самолета.

Поверхности управления самолетом

Отклонение от курса вызывается подвижным рулем направления. Движение руля направления меняет размер и ориентацию силы, создаваемой вертикальной поверхностью. Поскольку сила создается на расстоянии позади центра тяжести, эта боковая сила вызывает отклоняющий момент, а затем отклоняющее движение. На большом самолете может быть несколько независимых рулей направления на одном киле как для безопасности, так и для управления взаимосвязанными действиями рыскания и крена.

Использование только рыскания не является очень эффективным способом выполнения горизонтального разворота самолета и может привести к некоторому боковому скольжению. Необходимо создать точную комбинацию крена и подъемной силы, чтобы вызвать необходимые центростремительные силы без бокового скольжения.

Тангаж регулируется с помощью задней части горизонтального стабилизатора хвостового оперения, шарнирно закрепленного для создания руля высоты . Перемещая руль высоты назад, пилот перемещает руль высоты вверх (положение отрицательного развала), и направленная вниз сила на горизонтальном оперении увеличивается. Угол атаки крыльев увеличился , поэтому нос поднялся вверх, а подъемная сила в целом увеличилась. В микролегких самолетах и дельтапланах действие по тангажу противоположное - система управления по тангажу намного проще, поэтому, когда пилот перемещает руль высоты назад, создается тангаж вниз и угол атаки крыла уменьшается.

Система неподвижного оперения и подвижных рулей высоты является стандартной для дозвуковых самолетов. Суда, способные к сверхзвуковому полету, часто имеют стабилизатор — цельноповоротное оперение. Шаг изменяется в этом случае за счет перемещения всей горизонтальной поверхности хвостового оперения. Это, казалось бы, простое нововведение стало одной из ключевых технологий, сделавших возможным сверхзвуковой полет. В первых попытках, когда пилоты превышали критическое число Маха , странное явление делало их поверхности управления бесполезными, а самолет неуправляемым. Установлено, что по мере приближения самолета к скорости звука приближающийся к самолету воздух сжимается и на всех передних кромках и вокруг шарниров руля высоты начинают образовываться ударные волны. Эти ударные волны приводили к тому, что движения лифта не вызывали изменения давления на стабилизаторе перед лифтом. Проблему решили заменой стабилизатора и шарнирного руля высоты на цельноповоротный стабилизатор — вся горизонтальная поверхность хвостового оперения стала цельной рулем. Кроме того, в сверхзвуковом полете изменение развала меньше влияет на подъемную силу, а стабилизатор создает меньшее сопротивление. ^{[ нужна ссылка ]}.

Самолеты, которым необходимо управление на крайних углах атаки, иногда оснащаются конфигурацией «утка» , в которой движение тангажа создается с помощью передней носовой части (примерно на уровне кабины). Такая система обеспечивает немедленное увеличение авторитета тангажа и, следовательно, лучшую реакцию на управление тангажем. Эта система распространена в самолетах с треугольным крылом (дельтаплан), в которых используется носовая часть «утка» типа стабилизатора. Недостаток конфигурации «утка» по сравнению с хвостовым оперением заключается в том, что крыло не может использовать такой большой вылет закрылков для увеличения подъемной силы крыла на малых скоростях из-за характеристик сваливания. В комбинированном самолете с тремя поверхностями используются как утка, так и хвостовое оперение (в дополнение к основному крылу), чтобы получить преимущества обеих конфигураций.

Еще одна конструкция хвостового оперения — V-образное хвостовое оперение , названное так потому, что вместо стандартного перевернутого Т-образного или Т-образного хвостового оперения имеется два киля, расположенных под углом друг к другу в форме буквы V. Тогда управляющие поверхности действуют как рули направления, так и рули высоты. двигаться в нужном направлении по мере необходимости.

Крен контролируется подвижными секциями на задней кромке крыла, называемыми элеронами . Элероны движутся навстречу друг другу: один поднимается вверх, другой опускается. Разница в развале крыла приводит к разнице в подъемной силе и, следовательно, к перекатыванию. Помимо элеронов иногда встречаются интерцепторы — небольшие шарнирные пластины на верхней поверхности крыла, первоначально использовавшиеся для создания сопротивления, замедления самолета и уменьшения подъемной силы при снижении. На современных самолетах, имеющих преимущества автоматизации, их можно использовать в сочетании с элеронами для обеспечения управления по крену.

Самый ранний самолет с двигателем, построенный братьями Райт , не имел элеронов. Все крыло было перекошено с помощью проволоки. Деформация крыла эффективна, поскольку в геометрии крыла нет разрывов, но по мере увеличения скорости непреднамеренное деформирование стало проблемой, и поэтому были разработаны элероны.

См. также

Ссылки

^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.2
^ Столлери, Дж. Л., Механика полета высокопроизводительных самолетов , Труды Института инженеров-механиков, доп. Часть G211.2 (1997 г.): 129.
^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , рисунок 14.1.
^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.5
^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.4
^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.6

Эл Джей Клэнси (1975). Аэродинамика . Глава 14. Элементарная механика полета . Питман Паблишинг Лимитед, Лондон. ISBN 0-273-01120-0

[1] Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.2

[2] Столлери, Дж. Л., Механика полета высокопроизводительных самолетов , Труды Института инженеров-механиков, доп. Часть G211.2 (1997 г.): 129.

[3] Клэнси, LJ, Аэродинамика , рисунок 14.1.

[4] Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.5

[5] Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.4

[6] Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 14.6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]