Динамические режимы самолета

Динамическая устойчивость самолета относится к тому, как ведет себя самолет после того, как его потревожили, после устойчивого неколебательного полета. ^[1]

Продольные режимы

Колебательные движения можно описать двумя параметрами: периодом времени, необходимым для одного полного колебания, и временем, необходимым для затухания до половины амплитуды или временем удвоения амплитуды для динамически неустойчивого движения. Продольное движение состоит из двух отдельных колебаний: долгопериодического колебания, называемого фугоидным режимом, и короткопериодического колебания, называемого короткопериодическим режимом.

Фугоидные (более периодичные) колебания

Режим с более длинным периодом, называемый «фугоидным режимом», — это режим, в котором наблюдается изменение воздушной скорости, угла тангажа и высоты с большой амплитудой, но почти нет изменений угла атаки. Фугоидные колебания - это медленный обмен кинетической энергией (скоростью) и потенциальной энергией (высотой) около некоторого равновесного уровня энергии, когда самолет пытается восстановить состояние равновесного горизонтального полета, из которого он был нарушен. Движение настолько медленное, что воздействие сил инерции и демпфирования очень незначительное; однако, несмотря на то, что силы демпфирования очень слабы, период настолько велик, что пилот обычно автоматически корректирует это движение, даже не осознавая, что колебание вообще существует. Обычно период составляет 20–60 секунд. Этими колебаниями обычно может управлять пилот.

Короткопериодные колебания

Без специального названия режим с более коротким периодом называется просто «режим с коротким периодом». Движение представляет собой быстрое покачивание самолета вокруг центра тяжести, что, по сути, является изменением угла атаки. Короткопериодный режим представляет собой колебание с периодом всего несколько секунд, которое обычно сильно демпфируется наличием несущих поверхностей вдали от центра тяжести самолета, таких как горизонтальное оперение или утка. Время демпфирования амплитуды до половины ее значения обычно составляет порядка 1 секунды. Способность быстро самодемпфировать при кратковременном смещении ручки управления является одним из многих критериев общей сертификации самолетов .

Латерально-направленные режимы

«Боковые направленные» режимы включают в себя движения качения и рыскания. Движения по одной из этих осей почти всегда связаны с другой, поэтому эти режимы обычно называют «режимами поперечного направления». ^{[примечание 1]}

Существует три типа возможного динамического движения в поперечном направлении: режим проседания крена, режим спирали и режим голландского крена.

Режим просадки рулона

Режим оседания крена – это просто демпфирование качечного движения. Не создается прямого аэродинамического момента, стремящегося к прямому восстановлению уровня крыльев, то есть нет возвращающейся «силы/момента пружины», пропорциональной углу крена. Однако существует демпфирующий момент (пропорциональный скорости крена ), создаваемый поворотом длинных крыльев. Это предотвращает нарастание больших скоростей крена при подаче сигналов управления креном или снижает скорость крена (а не угол) до нуля при отсутствии входных сигналов управления креном.

Режим крена можно улучшить за счет двугранных эффектов, обусловленных конструктивными особенностями, такими как высокие крылья, двугранные углы или углы стреловидности.

Режим голландского ролла

Второе боковое движение представляет собой колебательное комбинированное движение крена и рыскания, называемое голландским кувырком, возможно, из-за его сходства с одноименным движением на коньках, выполняемым голландскими фигуристами; происхождение названия неясно. Голландский крен можно описать как рыскание и крен вправо с последующим возвратом к состоянию равновесия, затем выходом за пределы этого состояния и рысканием и креном влево, затем обратно за пределы положения равновесия и так далее. Этот период обычно составляет порядка 3–15 секунд, но может варьироваться от нескольких секунд для легких самолетов до минуты и более для авиалайнеров. Демпфирование увеличивается при большой курсовой устойчивости и малом угле наклона и уменьшается при малой курсовой устойчивости и большом угле поворота. Несмотря на то, что в обычном самолете движение обычно стабильно, движение может быть настолько слегка заглушено, что эффект будет очень неприятным и нежелательным. В самолетах со стреловидным крылом проблема голландского крена решается путем установки демпфера рыскания , по сути, специального автопилота, который гасит любые колебания рыскания путем корректировки руля направления. Некоторые самолеты со стреловидным крылом имеют нестабильный голландский крен. Если голландский крен очень слабо демпфирован или нестабилен, демпфер рыскания становится требованием безопасности, а не удобством пилота и пассажира. Требуются двойные демпферы рыскания, а неисправный демпфер рыскания является причиной ограничения полета на малых высотах и, возможно, ниже. Числа Маха , при которых улучшена устойчивость голландского крена.

Спиральное расхождение

Спираль присуща. Большинство самолетов, настроенных для полета по прямой и по горизонтали, при полете с фиксированной ручкой в конечном итоге разовьют крутящееся спиральное пикирование. ^[2] Если спиральное погружение выполнено непреднамеренно, результат может быть фатальным.

Спиральное погружение — это не вращение; он начинается не со сваливания или от крутящего момента, а со случайным возмущением, увеличивающим крен и скорость полета. Без оперативного вмешательства пилота это может привести к разрушению конструкции планера либо в результате избыточной аэродинамической нагрузки , либо в результате столкновения с местностью. Самолет изначально не дает никаких указаний на то, что что-то изменилось. Ощущение «вниза» у пилота продолжает сохраняться по отношению к нижней части самолета, хотя на самом деле самолет все больше скатывается с истинной вертикали. В условиях ПВП пилот корректирует небольшие отклонения от уровня, автоматически используя истинный горизонт, но в условиях IMC или в темноте отклонения могут остаться незамеченными: крен увеличится, а подъемная сила, уже не вертикальная, окажется недостаточной для поддержки самолета. Нос опускается, скорость увеличивается; спиральное погружение началось.

Силы, задействованные

Скажем, разворот вправо. Развивается боковое скольжение, приводящее к скольжению потока справа налево. Теперь исследуйте результирующие силы по одной, называя любое влияние вправо рысканием внутрь, рысканием влево или вращением или откатом, в зависимости от того, что применимо. Скользящий поток будет:

сдвинуть киль, руль направления и другие боковые части позади центра тяжести самолета влево, вызывая рыскание вправо,
толкать боковые области перед центром тяжести влево, вызывая отклонение влево,
подтолкнуть правую законцовку крыла вверх, левую вниз, выкат влево за счет двугранного угла,
заставить левое крыло двигаться быстрее, правое крыло медленнее, вкатиться,
толкание боковых частей самолета выше центра тяжести влево, выкат,
толкание боковых частей самолета ниже центра тяжести влево, накат,

Кроме того, аэродинамическая сила создается относительным вертикальным положением фюзеляжа и крыльев, создавая рычаг крена, если фюзеляж находится над крыльями, как в конфигурации с низким крылом; или выкатывание, если внизу, как в конфигурации с высоким крылом.

Пропеллер, вращающийся под напряжением, будет влиять на проходящий через него воздушный поток. Его эффект зависит от настройки дроссельной заслонки (высокая при высоких оборотах, низкая при низких) и положения самолета.

Таким образом, спиральное пикирование является результатом объединения многих сил, зависящих частично от конструкции самолета, частично от его положения и частично от настройки дроссельной заслонки (чувствительная конструкция будет пикировать по спирали под действием мощности, но не может быть в режиме планирования). .

Восстановление

Пикирующий самолет имеет больше кинетической энергии (которая изменяется пропорционально квадрату скорости), чем когда он находится прямо и горизонтально. Чтобы вернуться к прямому и ровному состоянию, восстановление должно безопасно избавиться от этой избыточной энергии. Последовательность такова:

выключить все питание
выровняйте крылья к горизонту, а если горизонт потерян, к приборам
снижайте скорость, слегка нажимая на органы управления, пока не будет достигнута желаемая скорость.
выровняйтесь, опасаясь тенденции к тангажу, когда самолет перекатывается до уровня крыльев, и восстановите мощность

Выплеск топлива

Колебания могут быть вызваны продольными или поперечными выплесками топлива, явление, которое, как известно, затрагивало самолеты, включая Douglas A4D , Lockheed P-80 , Boeing KC-135 , Cessna T-37 и North American YF-100 . Его эффект минимален, когда топливные баки полны или почти пусты: полный бак имеет большую массу, но мало движения, тогда как почти пустой бак имеет большее движение, но малую массу. Выплескивание топлива можно уменьшить, установив перегородки в топливных баках, однако они увеличивают массу и уменьшают запас топлива. ^[3]^: 419

См. также

Примечания

^ «Боковое» используется, хотя движения качения происходят вокруг продольной оси.

Ссылки

^ Эткин, Бернард (1982). Динамика полета: устойчивость и управляемость (2-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 0-471-08936-2 .
^ Перкинс, Кортленд Д.; Хейдж, Роберт (1949). Стабильность и управляемость летательных аппаратов . Нью-Йорк: Уайли. п. 431. ИСБН 0-471-68046-Х .
^ Стенгель, Роберт Ф. (17 октября 2004 г.). Динамика полета . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-11407-1 . Проверено 6 июля 2022 г.

[Lateral-2] «Боковое» используется, хотя движения качения происходят вокруг продольной оси.

[Etkin-1] Эткин, Бернард (1982). Динамика полета: устойчивость и управляемость (2-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 0-471-08936-2 .

[Perkins-3] Перкинс, Кортленд Д.; Хейдж, Роберт (1949). Стабильность и управляемость летательных аппаратов . Нью-Йорк: Уайли. п. 431. ИСБН 0-471-68046-Х .

[Stengel-4] Стенгель, Роберт Ф. (17 октября 2004 г.). Динамика полета . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-11407-1 . Проверено 6 июля 2022 г.

[1]

[примечание 1]

[2]

[3]