Вступление
Здравствуйте, мои дорогие читатели! Сегодня я наконец-таки нашел в себе силы и время выпустить статью, посвященную продольной балансировке и устойчивости. Как Вы и сами догадались вскоре обязательно будет рассмотрена и путевая и поперечная устойчивость, так как все эти понятия конечно связаны. Мы с Вами продолжаем углубляться в основы динамики полета, но конечно далее будут выходить статьи и по другим не менее важным дисциплинам (обо всем Вы можете прочитать здесь). Ну давайте скорее начнем!
Понятие "фокуса крыла"
Прежде чем мы перейдем к балансировке необходимо определится с понятиями, которые мы затронем. Начнем с понятия "фокуса крыла".
Фокус крыла - это точка, относительно которой момент аэродинамических сил не зависит от угла атаки. То есть точка, относительно момент постоянен. Еще эту точку называют точкой приложения приращения подъемной силы.
Второе не менее важное понятие "центр давления". Центр давления - это точка приложения полной аэродинамической силы на хорде профиля крыла.
Подробнее рассмотрим рисунок. На картинке А мы видим профиль крыла под некоторым углом атаки. Подъемная сила на этом профиле Ya1 и приложена она в точке называемой центром давления (как мы только что разобрали).
На рисунке Б угол атаки профиля крыла увеличился (профиль поворачивается более вертикально по отношению к потоку), и подъемная сила увеличивается (вспоминаем предыдущие статьи, увеличивая угол атаки мы увеличиваем Cy). И вот уже подъемная сила Ya2>Ya1 также приложена в точке под названием центр давления, только ЦД2 уже будет смещен ближе к началу профиля.
На рисунке В можно увидеть, что в точке под названием фокус крыла приложено то самое приращение (увеличение) подъемной силы, связанное с увеличением угла атаки. И ровно на это приращение и возросла подъемная сила при увеличении угла атаки: Ya2=Ya1+ΔY.
Отлично, мы с Вами выяснили, что при увеличении угла атаки, центр давления смещается ближе к фокусу вперед, и наоборот - при уменьшении назад.
Фокус самолета аналогичен понятию фокуса крыла и определяется положением фокусов его частей (крыла, оперения, фюзеляжа) и величиной приращения подъемных сил этих частей.
Продольная балансировка
Сбалансировать самолет в установившемся горизонтальном полете это значит уравновесить все продольные статические моменты относительно оси Z: ∑Mz=0
Итак рассмотрим рисунок подробнее. Для начала необходимо определится к каким именно точкам приложены силы, действующие на самолет:
- G - приложена к центру тяжести самолета
- P - (для упрощения пока что будем считать, что также приложена к центру тяжести самолета)
- X - (для упрощения пока что будем считать, что также приложена к центру тяжести самолета)
- Y - приложена к центру давления
Получается P и X друг друга скомпенсированы так как приложены к одной точке, а вот G и Y приложены к разным точкам, поэтому будут возникать моменты. Момент, направленный на опускание носа самолета вниз мы будем называть пикирующим, а на поднятие носа вверх - кабрирующим.
Получается между центром тяжести самолета и центром давления на крыле существует некоторое расстояние (плечо), а значит относительно центра тяжести будет создаваться момент, причем если центра давления расположен ЗА центром тяжести (как на рисунке), то момент будет пикирующим, а если ПЕРЕД - то кабрирующим. Получается:
Мпикир=Мкрыла = a (расстояние между ЦД крыла и ЦТ) * Yкрыла (см. рис)
Хорошо, для того, чтобы самолет летел прямо (а не вниз) необходимо этот пикирующий момент, чем то парировать, для этого на помощь приходить горизонтальное оперение (руль высоты). Отклоняя его вверх (угол атаки его при этом будет отрицательным) подъемная сила будет направлена вниз в точке центра давления горизонтального оперения. А значит снова относительно центра тяжести возникнет момент, только теперь уже кабрирующий:
Мкабрир=Мго= Lго (расстояние между ЦД гор.оперения и ЦТ) * Yго
Эти два момента компенсируют друг друга, а значит самолет будет продольно сбалансирован. Запишем условие продольной балансировки:
Мпикир.=Мкабрир. (Мкрыла=Мго)
а * Yкрыла = Lго * Yго
Продольная устойчивость
Продольная устойчивость - это способность самолета сохранять заданный режим полета и возвращаться к нему после воздействия внешних возмущений, нарушающих исходной равновесие сил и моментов в плоскости симметрии ВС.
А какие же у нас основные параметры, определяющие все силы и моменты действующие на самолет в продольном движении?
- Угол атаки - а значит выделяют устойчивость по углу атаки (или устойчивость по перегрузке, что тоже самое)
- Скорость полета - а значит выделяют и устойчивость по скорости
Устойчивость по перегрузке
Это способность самолета создавать статические моменты, направленные на восстановление исходного угла атаки (перегрузки).
Итак представим себе ситуацию самолет сбалансирован по продольной оси летит в горизонтальном полете. Пилот отклоняет ручку управления на себя, тем самым переходит в набор высоты. Что случится если он вдруг отпустит ручку управления? Сейчас разберемся.
Отклонив ручку на себя, пилот увеличил угол атаки профиля крыла, тем самым увеличил и подъемную силу, создаваемую на крыле. А так как приращение подъемной силы приложено не в центре тяжести самолета, а в фокусе крыла, возникнет пикирующий момент равный: Мпикир.=Xf-Xm (расстояние между центром тяжести и фокусом, так называемое плечо) * ΔY (приращение подъемной силы). То есть самолет под действием возникшего пикирующего восстанавливающего момента, будет стремится вернуться на прежний угол атаки.
А теперь представим, если фокус крыла располагался бы впереди центра тяжести (такое возможно например, при превышении предельно задней центровки, когда основной вес самолет смещен в его заднюю часть). Получается, что при отклонении пилотом ручки управления на себя, увеличится угол атаки, а значит возникнет приращение (увеличение) подъемной силы, приложенное в точке фокуса крыла. А значит возникнет момент, равный расстоянию между фокусом и центром тяжести самолета, однако он будет уже кабрирующим, ведь приращение, возникшее в фокусе будет стремиться повернуть самолет вокруг центра тяжести. Получается пилот, ручкой приподнимает нос самолета, а самолет с возникшим кабрирующим моментом еще сильнее стремится запрокинуть нос вверх. Такой самолет называется неустойчивым по перегрузке, так как при действии возмущения стремится не восстановить, и а ухудшить положение самолета.
Ну надеюсь из этих двух примеров, Вы смогли определить условие устойчивости по перегрузке: ФОКУС ДОЛЖЕН РАСПОЛАГАТЬСЯ ПОЗАДИ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ.
Также Вы могли заметить, что величина восстанавливающего момента зависит от расстояния между центром тяжести и фокусом, чем оно больше тем больше будет и момент, тем быстрее самолет восстановит исходное положение. Это расстояние есть ничто иное, как запас центровки, или запас устойчивости по перегрузке.
Устойчивость по скорости
Это способности самолета восстанавливать скорость полета и угол наклона траектории исходного режима.
Что случится с самолетом, который летит в горизонтальном полете, если пилот не будет трогать ручку управления, а просто выведет режим работы двигателей на максимальный (увеличит скорость)?
Вспоминая формулу подъемной силы, не сложно догадаться, что она увеличится, а значит станет больше силы тяжести G, что переведет самолет в набор высоты. В процессе набора же скорость начнет падать, и будет падать до тех пор, пока подъемная сила не уравновесится с силой тяжести G и самолет снова будет лететь в горизонте, только уже на больше высоте, чем прежде.
Также рассмотрим и обратную ситуацию, пилот снижает мощность двигателя до минимальной (уменьшает скорость), подъемная сила упадет, сила тяжести G тут же изменит траекторию полета самолета, и самолет начнет снижаться. В снижении скорость снова разгонится, и когда ее будет достаточно для создания подъемной силы равной силе тяжести, самолет снова перейдет в горизонт.
Так самолет называется устойчивым по скорости, так как стремится восстановить потерянную скорость и угол наклона траектории. Для того чтобы самолет был устойчивым по скорости необходимо соблюдения условия устойчивости по скорости: ПРИ РОСТЕ СКОРОСТИ ДОЛЖНА РАСТИ И ПОДЪЕМНАЯ СИЛА И НАОБОРОТ (ПРИ ПОТЕРЕ СКОРОСТИ ДОЛЖНА ПАДАТЬ И ПОДЪЕМНАЯ СИЛА).
Заключение
Спасибо тебе дорогой читатель, что дочитал данную статью. Надеюсь ты нашел в ней, что-то полезное для себя. Оставь комментарий и напиши в личные сообщения, если появились вопросы по материалу или же просто свои впечатления от прочтения, рекомендации и критика. Приходите летать на первоклассных самолетах, это всё еще того стоит!