методы изучения аэродинамики. Методические указания по изучению курса и контрольные задания
 Скачать 89.99 Kb.
|
|
Раздел 3. Динамика полёта. Устойчивость и управляемость 3.1. Методы динамики полёта в задачах устойчивости и управляемости В результате изучения темы необходимо получить общее представление о балансировке, устойчивости и управляемости ВС, их роли в обеспечении безопасности полёта, об основных требованиях, предъявляемых к этим качествам современных самолётов (вертолётов), и основных задачах динамики полёта по устойчивости и управляемости, их взаимосвязи с траекторными задачами, изученными ранее (в первой части курса). Следует иметь в виду, что в задачах динамики полёта по устойчивости и управляемости нас интересует не сама траектория движения ВС, а процесс управления им и устойчивость его движения по той или иной траектории, то есть возможность осуществления полёта по какой-либо траектории. Следует определить, какие системы координат целесообразно применять при рассмотрении задач устойчивости и управляемости; установить особенности управляемого движения самолёта и проанализировать возможность использования полученных ранее уравнений движения самолёта в задачах устойчивости. При этом нужно уяснить, в чём заключается особенность составления уравнений управляемого движения и чем эти уравнения отличаются от полученных ранее. Уравнения управляемого движения самолёта, как и уравнения, использованные при рассмотрении траекторных задач, являются нелинейными дифференциальными уравнениями с переменными в общем случае коэффициентами. Поэтому необходимо обратить внимание на вероятные методы их решения и в первую очередь на возможные упрощения этих уравнений: метод замораживания коэффициентов; метод малых возмущений, позволяющий от исходных нелинейных уравнений движения перейти к линейным уравнениям воздушного движения; метод разделения общего возмущённого движения ВС на продольное и боковое; различные частные случаи движения, например, прямолинейный полёт и т.д. Методы исследования устойчивости и управляемости базируются на анализе решения уравнений возмущённого движения самолёта (вертолёта), поэтому, кроме умения решать систему линейных однородных или 28 неоднородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, требуется навык анализа характера изменения решения уравнений, описывающих возмущённое движение ВС и знание его зависимости от коэффициентов и вида правых частей уравнений движения. Кроме классических методов решений указанных дифференциальных уравнений, необходимо иметь представление об операционных и статистических методах решения. Особое внимание следует обратить на условия устойчивости движения ВС, на существующие упрощенные методы исследования управляемости самолёта (вертолёта) и критерии управляемости. При этом необходимо уяснить физический смысл коэффициентов уравнений и условий устойчивости и управляемости, роль восстанавливающих и демпфирующих моментов в их обеспечении, а также необходимость совместного рассмотрения условий равновесия сил и моментов при анализе этих характеристик ВС. Вопросы и задания 1. Что Вы понимаете под балансировкой самолёта? 2. Как Вы понимаете устойчивость ВС? 3. Что такое управляемость самолёта (вертолёта)? 4. Как Вы представляете себе роль характеристик устойчивости и управляемости в обеспечении безопасности полёта? 5. Перечислите задачи динамики полёта по устойчивости и управляемости ВС. 6. Какова взаимосвязь этих задач с траекторными задачами динамики полёта? 7. Какие системы координат целесообразно использовать при рассмотрении задач устойчивости и управляемости самолёта (вертолёта)? 8. В чём заключаются особенности составления уравнений управляемого движения ВС? 9. Возможно ли использование уравнений движения самолёта, полученных при решении траекторных задач, при составлении уравнений управляемого движения; в чём отличие этих уравнений друг от друга? 10. В чём заключается метод замораживания коэффициентов и что даёт его применение? 11. Объясните, в чём заключается метод малых возмущений и каковы его возможности? 12. В каких случаях и почему возможно разделение общего возмущенного движения самолёта на продольное и боковое? 13. Какие Вы знаете методы решения линейных дифференциальных уравнений возмущенного движения самолёта? 14. Чем определяется характер возмущённого движения? 15. При каких корнях характеристического уравнения воздушное судно устойчиво? 29 16. Можно ли, не решая характеристического уравнения, определить устойчив самолёт или нет? 17. Раскройте физический смысл устойчивости и управляемости ВС. 18. Как Вы понимаете роль восстанавливающих и демпфирующих моментов в обеспечении устойчивости и управляемости? 19. От каких факторов зависит статическая устойчивость самолёта и какова роль этой величины в его динамической устойчивости? 20. Какие критерии управляемости Вы знаете? 21. Каков физический смысл критериев управляемости ВС? 22. Какие приближённые методы исследования управляемости Вы знаете? 3.2. Продольная устойчивость самолёта После изучения тем 2.2 и 2.3, необходимо составить уравнения продольного возмущенного движения ВС, проанализировать характер возмущенного движения самолёта и сформулировать условия его продольной устойчивости. При этом следует обратить внимание на существование двух типов продольного возмущенного движения (короткопериодического и длиннопериодического) и на возможность раздельного рассмотрения продольной устойчивости по перегрузке и по скорости. Необходимо помнить, что понятие продольной динамической устойчивости является более полным, чем статической устойчивости, так как оно учитывает воздействие на самолёт не только продольного статического момента, но и продольных демпфирующих моментов, обусловленных вращением самолёта вокруг поперечной оси, а также рассматривает возмущенное движение самолёта под действием всех сил и моментов. Надо понять роль статической устойчивости по перегрузке и по скорости в обеспечении продольной динамической устойчивости самолёта, их влияние на характеристики (показатели) динамической устойчивости самолёта и обосновать выбор предельной задней центровки самолёта. Следует обратить внимание на особенности продольной устойчивости самолёта со «свободным управлением», на неустойчивость его по высоте полёта и особенности продольной устойчивости при взлёте и посадке, обусловленных дополнительным воздействием на самолёт опорных реакций со стороны колёс шасси. Вопросы и задания 1. Что называется продольной устойчивостью самолёта? 2. Чем определяется характер продольного возмущенного движения ВС? 3. Каковы условия продольной устойчивости самолёта? 30 4. Чем объясняется возможность раздельного рассмотрения устойчивости самолёта по перегрузке и по скорости? 5. Дайте определение устойчивости по перегрузке. 6. Что такое устойчивость по скорости? 7. Что называется статической устойчивостью по перегрузке и по скорости? 8. Какие условия статической устойчивости по перегрузке и по скорости Вы знаете? 9. Какова роль продольной статической устойчивости в обеспечении продольной динамической устойчивости самолёта? 10. Каково влияние центровки самолёта на продольную статическую устойчивость и на характеристики динамической устойчивости самолёта? 11. Какую роль играет продольный статический момент и демпфирующие моменты в обеспечении продольной устойчивости самолёта? 12. Из каких условий выбирается предельная задняя центровка самолёта? 13. Как связана продольная статическая устойчивость по перегрузке и по скорости с характером балансировочной кривой? 14. Расскажите об изменении критериев продольной устойчивости самолёта при «освобождении» руля высоты? 15. В чём заключаются причины неустойчивости самолёта по высоте? 16. Каковы основные особенности продольной устойчивости самолёта с хвостовым колесом при разбеге и пробеге? 17. Назовите особенности продольной устойчивости самолёта с носовым колесом при разбеге и пробеге. 18. Чем опасно нарушение предельных центровок при взлёте и посадке? 19. В чём заключается влияние упругости конструкции на продольную устойчивость самолёта? 3.3. Боковая устойчивость самолёта Изучение материала данной темы целесообразно производить в следующем порядке: - составить уравнения бокового возмущенного движения и соответствующее им характеристическое уравнение; - проанализировать характер бокового возмущенного движения самолёта в зависимости от вида корней характеристического уравнения и сформулировать условия боковой устойчивости самолёта; - выяснить значение боковой статической устойчивости, а также стабилизирующих моментов рысканья и крена и динамических демпфирующих моментов в обеспечении боковой устойчивости самолёта. Боковая устойчивость – это совокупность поперечной устойчивости самолёта и путевой устойчивости, которые должны находиться в определённом соотношении друг с другом. В подтверждение сказанного 31 следует рассмотреть два типа боковой неустойчивости (колебательной и спиральной) и границы боковой устойчивости самолёта. Необходимо также выяснить особенности устойчивости самолёта на больших углах атаки, на больших высотах, при взлёте и посадке и назначение демпферов рыскания и крена. Вопросы и задания 1. Что такое путевая устойчивость самолёта и чем она обеспечивается? 2. Дайте определение поперечной устойчивости самолёта. Объясните, чем она обеспечивается. 3. Что называется боковой устойчивостью самолёта? 4. Чем определяется характер бокового возмущенного движения? 5. Каковы условия боковой устойчивости самолёта? 6. Напишите формулу для статического момента рысканья и его коэффициента. 7. Напишите формулу для статического момента крена и его коэффициента. 8. Охарактеризуйте взаимосвязь движений рысканья и крена. 9. Какова роль статической устойчивости в обеспечении боковой устойчивости самолёта? 10. Дайте определение демпфирующего момента рысканья. Расскажите, как он образуется. 11. Что называется демпфирующим моментом крена и как он образуется? 12. Какие спиральные боковые моменты Вам известны и как они образуются? 13. Что такое колебательная неустойчивость самолёта? Какие самолёты склонны к этой неустойчивости? 14. Дайте определение спиральной неустойчивости самолёта. Когда она проявляется? 15. В чём заключается влияние высоты полёта на характеристики боковой устойчивости самолёта? 16. Каковы особенности боковой устойчивости самолёта на больших углах атаки, на взлёте и посадке? 3.4. Продольная управляемость самолёта Управляемость является свойством более сложным и многосторонним по сравнению с устойчивостью и поэтому оценивается целым рядом частных критериев, каждый из которых характеризует управляемость с определённой стороны. Управляемое движение самолёта определяется как характеристиками 32 собственного возмущенного движения, так и характером и величиной управляющего воздействия. Структурную схему большинства показателей статической управляемости можно представить в следующем виде: Величина, характеризующая управляющее воздействие Показатель = . управляемости Величина, характеризующая реакцию самолёта на управляющее воздействие Свойства динамической управляемости самолёта оцениваются характеристиками переходных процессов при реакции самолёта на управляющее воздействие. При изучении статической управляемости самолёта необходимо обратить внимание на балансировочные диаграммы отклонений руля высоты и усилий на штурвале, их зависимость от продольной статической устойчивости и от скорости полёта, а так же на назначение автоматов балансировки и на способы уменьшения усилий на штурвале. При изучении динамической управляемости самолёта основное внимание следует уделить анализу характеристик переходного процесса при ступенчатом отклонении руля высоты и возмущенного движения самолёта при гармоническом законе изменения угла отклонения руля высоты. В обоих случаях необходимо уяснить взаимосвязь характеристик устойчивости и управляемости самолёта. Вопросы и задания 1. Что понимают под балансировкой самолёта? 2. Нарисуйте схему сил и моментов, действующих на самолёт в прямолинейном установившемся полёте без крена и скольжения, и напишите условия продольной балансировки самолёта при этом. 3. Напишите формулу для коэффициента продольного статического момента самолёта. 4. Как зависит продольный момент самолёта от режима работы двигателей? 5. Отличается ли угол атаки горизонтального оперения от угла атаки крыла? 6. Как влияет угол установки стабилизатора на продольный момент самолёта? 7. Из какого условия можно определить потребное для продольной балансировки самолёта отклонение руля высоты? 8. Как влияет число М полёта на коэффициент продольного момента самолёта? 33 9. В чём заключается влияние центровки самолёта на характер балансировочной кривой δв = f(M)? 10. Как влияет режим работы двигателей на характер этой же балансировочной кривой? 11. Из каких условий выбирается предельная передняя центровка самолёта? 12. Какими показателями (критериями) оценивается продольная статическая управляемость самолёта? 13. С учётом какого условия определяется балансировочный угол отклонения руля высоты в прямолинейном полёте? 14. Как изменяются необходимые для балансировки самолёта в прямолинейном полёте углы отклонения руля высоты и усилия на штурвале с изменением скорости полёта? 15. От каких факторов зависит величина усилий на штурвале? 16. Объясните назначение аэродинамической компенсации рулей. Какие существуют виды аэродинамической компенсации? 17. Каково назначение пружинного сервокомпенсатора? 18. В чём заключается отличие обратимой бустерной системы от необратимой? 19. Какими характеристиками оценивается продольная динамическая управляемость самолёта? 20. Какова взаимосвязь характеристик продольной устойчивости и управляемости самолёта? 21. Назовите особенности продольной управляемости самолёта при взлёте и посадке. 22. Каковы ограничения и их причины при полёте в турбулентной атмосфере? 23. В чём заключается опасность взлёта с обледеневшим горизонтальным оперением? 24.Чем опасно обледенение горизонтального оперения самолёта при посадке? 25. В чём заключается влияние упругости конструкции крыла на продольную устойчивость и управляемость самолёта? 3.5. Боковая управляемость самолёта Боковая управляемость самолёта, как и продольная, оценивается с помощью целого ряда частных критериев (показателей), каждый из которых характеризует её с определённой стороны. Среди них можно выделить критерий статической и динамической боковой управляемости, аналогичные рассмотренным в предыдущей теме. Изучению и характеру этих критериев, их взаимосвязи с боковой устойчивостью следует уделить основное внимание. При этом необходимо уяснить взаимосвязь характеристик путевого и поперечного управления, а 34 исследование характеристик динамической управляемости провести на примере упрощённых случаев бокового движения самолёта (быстроуправляемые движения рысканья и крена, анализ которых аналогичен анализу быстроуправляемого продольного движения самолёта). Вопросы и задания 1. Нарисуйте схему сил и моментов, действующих на самолёт в прямолинейном установившемся полёте с креном и скольжением, и напишите условия боковой балансировки самолёта при этом. 2. Напишите условия для определения балансировочных углов отклонений руля направления и элеронов в прямолинейном установившемся полёте с креном и скольжением. 3. Нарисуйте балансировочные кривые самолёта при полёте с креном и скольжением. 4. Что такое боковая управляемость самолёта? 5. С помощью каких критериев оценивается боковая статическая и динамическая управляемость самолёта? 6. Как путевая и поперечная статические устойчивости влияют на характер бокового управляемого движения самолёта? 7. В чём заключается смысл координированного отклонения органов бокового управления самолёта при выполнении бокового манёвра? 8. Охарактеризуйте особенности управляемости при взлёте и посадке. 9. Какие существуют способы балансировки самолёта при отказе одного из двигателей? 10. Что такое реверс элеронов и какие существуют меры борьбы с ним? 11. Каковы причины самопроизвольного кренения самолёта? 12. Что такое обратная реакция самолёта по крену на отклонение руля высоты и когда она наблюдается? 13. Приведите примеры возможных лётных происшествий при наборе и снижении для самолётов, на которых Вы летаете. 3.6. Основы устойчивости и управляемости вертолёта При изучении вопросов балансировки и центровки вертолёта необходимо уделить особое внимание механике возникновения управляющего момента вертолёта. Суммируя продольные и поперечные моменты, установить потребную величину балансировочного угла вертолёта и на основании этого рассмотреть балансировочные кривые вертолёта. Выяснить, в чём заключается различие в определении центровки самолёта и вертолёта и в ограничении по задним центровкам. Вопросы управляемости вертолёта рассматриваются качественно. При изучении статической устойчивости вертолёта обратить внимание на 35 различие в устойчивости по скорости и по углу атаки. Для самолёта это различие проявляется только при больших числах М полёта. Анализируя динамическую устойчивость вертолёта, необходимо представить себе механизм возникновения колебаний вертолёта на висении и в горизонтальном полёте. Рассматривая явление земного резонанса, следует разобраться в причинах возникновения боковых сил на несущем винте в условиях периодического движения лопастей относительно вертикального шарнира. Выяснить, как влияют демпферы, установленные на вертикальных шарнирах, на колебания лопастей в плоскости вращения. Вопросы и задания 1. В чём различие в определении положения центра тяжести на вертолёте и самолёте? 2. Из каких составляющих складывается балансировочный угол? 3. В чём различие между моментами, действующими на вертолёт соосной схемы и на одновинтовой вертолёт с хвостовым винтом? 4. Что произойдёт с вертолётом при нарушении предельных центровок? 5. Почему одновинтовой вертолёт в горизонтальном полёте должен иметь крен? 6. У какого вертолёта запаздывание в управляемости больше (у тяжелого или лёгкого)? Объясните причину. 7. Имеется ли различие в статической устойчивости самолёта и вертолёта и в чём оно заключается? 8. Каковы меры борьбы с земным резонансом, воздушным резонансом? |