Аэродинамика самолета. Тема 1
 Скачать 3.35 Mb.
|
|
Рис. 106 Схема сил, действующих на самолет на разбеге Техника взлета на самолете с хвостовым колесом отличается от техники взлета самолета с 3-х колесным шасси тем, что в начале разбега летчик при достижении скорости, на которой руль высоты становится эффективным, отдачей ручки от себя опускает капот до линии горизонта и в таком положении совершает разбег. Как только скорость самолета достигнет скорости отрыва, летчик незначительным движением ручки управления на себя отрывает самолет от земли и на высоте 1 - 1,5 м совершает разгон скорости самолета до скорости подъема. После этого самолет переводится в набор высоты. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 86 На самолет при разбеге действуют следующие силы (Рис. 106): - сила тяги двигательной установки Р; в начале разбега ее величина максимальна, а затем по мере увеличения скорости постепенно уменьшается; у самолетов с поршневыми двигателями уменьшение тяги на разбеге более значительно, чем у самолетов с ТРД; - сила веса самолета Q; по величине неизменна, направлена вниз; - подъемная сила У; в начале разбега равна нулю, а в конце разбега, при отрыве, достигает величины веса самолета; - сила лобового сопротивления Q; возрастает по мере разбега от нуля до некоторого значения (в зависимости от угла атаки, скорости, высоты полета); - нормальная сила реакции земли N; в начале разбега равна весу самолета, а по мере нарастания скорости и увеличения подъемной силы уменьшается до нуля при отрыве; - сила трения пневматиков о грунт F; зависит от коэффициента трения колес о землю и от силы N. F=N ⋅ f. Уравнения движения центра тяжести самолета при разбеге будут иметь вид: P-Q-F= g G i X (7.1) Y-G+N=0, где i Х = dt d υ ускорение движения. Из уравнения следует, что в направлении движения действует неуравновешенная сила, равная разности сил Р - (Q + F) и вызывающая ускорение движения. Нарастание скорости на разбеге будет происходить тем быстрее, чем больше величина этой неуравновешенной силы. Сила трения колес о землю равна F=f ⋅ N=f(G-Y) (7.2) Из формулы видно, что сила трения в конце пробега обращается в нуль, так как при отрыве G=У. Ускорение при разбеге согласно уравнению (7.1) может быть выражено формулой [ ] G Y G f Q P g i X ) ( − + − = (7.3) или G F Q P g i СР X ) ( + − = (7.4) Ввиду того что сила тяги в процессе разбега изменяется незначительно, а сила лобового сопротивления Q при увеличении скорости увеличивается примерно в такой же мере, в какой уменьшается сила Р, ускоряющая сила на разбеге изменяется также незначительно. Из сказанного следует, что ускорение при разбеге сохраняется постоянным (i Х = const), т. е. разбег является равноускоренным движением самолета. В реальных условиях среднее ускорение сильно зависит от величины коэффициента трения, который изменяется в зависимости от состояния взлетной полосы. Для расчетов можно принять , ) ( 1 G F Q f СР + = (7.5) где f 1 - осредненная величина коэффициента трения, зависящая от состояния поверхности ВПП. В таблице приведены величины коэффициента трения для различных взлетных полос. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 87 Вид взлетной полосы f f 1 Бетон Твердый грунт Мягкий песчаный грунт Сырой вязкий грунт 0,03-0,04 0,05-0,06 0,02-г- 0,30 0,25- г-0,35 0,06 0,06 0,11-0,23 0,20-0,26 ОТРЫВ САМОЛЕТА В конце разбега самолет приобретает такую скорость, когда его несущие поверхности создают подъемную силу, равную весу самолета, и самолет отделяется от земли. Момент отделения самолета от земли называется отрывом. Подъемная сила самолета становится несколько больше силы веса, и самолет, оторвавшись от земли, продолжает разгон скорости и переходит в набор высоты. Скорость самолета, при которой он отрывается от земли, называется скоростью отрыва и определяется по формуле , 2 S Cy G ОТР ОТР ρ υ = (7.6) В целях безопасности коэффициент подъемной силы СУ отр предусматривается несколько уменьшенным по отношению СУ макс и при отрыве составляет 0,8 - 0,85 СУмакс. Из формулы (7.6) видно, что скорость отрыва зависит от удельной нагрузки на крыло S G и плотности воздуха р. На величину скорости отрыва оказывает влияние техника выполнения взлета. С целью уменьшения длины разбега иногда прибегают к отрыву самолета на меньшей скорости, для чего в конце разбега, когда самолет наберет определенную скорость (соответствующую V мин ), летчик резко выводит самолет на углы атаки, близкие к критическому (так называемый взлет с подрывом). Подъемная сила возрастает и самолет отрывается. Однако при этом скорость уменьшается до Vмин и ухудшаются характеристики устойчивости и управляемости, полет становится небезопасным. ДЛИНА РАЗБЕГА Длиной разбега называется путь, проходимый самолетом от старта до точки отрыва от земли. Длина разбега является одной из главных характеристик самолета, по которой определяют необходимый размер взлетно-посадочной полосы. Рассматривая разбег самолета как равноускоренное движение с ускорением i ср , можем записать (при отсутствии ветра): среднее время разбега , СР ОТР СР i t υ = (7.7) средняя скорость 2 ОТР СР υ υ = (7.8) но так как , t L СР РАЗБ ⋅ = υ то получим 2 2 СР ОТР РАЗБ i L υ = (7.9) АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 88 Как следует из формулы (7.9), длина разбега зависит в основном от скорости отрыва и величины среднего ускорения на разбеге. Для приближенной оценки влияния отдельных параметров можно воспользоваться следующей формулой: , 2 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = f G P g L СТ ОТР РАЗБ υ (7.10) где Р СР - тяговооруженность самолета; f - коэффициент трения. Выясним влияние различных эксплуатационных и конструктивных факторов на длину разбега самолета. Влияние величины силы тяги силовой установки. С увеличением силы тяги Р увеличивается ускоряющая сила Р-(Q+F), вследствие чего увеличивается ускорение и самолет быстрее (на меньшем отрезке пути) набирает скорость, равную скорости отрыва. С этим связано использование того или иного режима работы двигателя. Как правило, взлет производят на взлетном режиме, т. е. режиме наибольшей тяги (мощности). Увеличение тяги на 25% (за счет перехода на взлетный или форсажный режим) сокращает длину разбега с твердого грунта на 20 - 25%. Для сокращения длины разбега на некоторых типах самолетов при взлете применяются стартовые ускорители, представляющие собой двигатели типа ЖРД или пороховые ракеты. Они кратковременно (в течение 10 - 15 сек) создают дополнительную значительной величины тягу и тем самым сокращают длину и время разбега. Скорость отрыва самолетов с ТРД от режима работы реактивных двигателей не зависит, а у самолетов с поршневыми двигателями (и с турбовинтовыми) она может уменьшаться за счет увеличивающейся эффективности обдувки несущих поверхностей струёй от винтов, вследствие чего увеличивается С У МАКС. Влияние взлетного веса на длине разбега сказывается двояко. Увеличение его повышает скорость отрыва (нужна большая подъемная сила) и уменьшается ускорение (самолет становится инертнее и несколько повышается сопротивление). И то и другое увеличивает длину разбега. Влияние состояния поверхности аэродрома связано с наличием силы трения колес о поверхность взлетной полосы. При рыхлом, мягком грунте сила трения возрастает, а ускоряющая сила [Р - (Q + Р)] уменьшается, в результате чего уменьшается ускорение, а длина разбега увеличивается. Сила трения, выраженная коэффициентом трения f, зависит от нагрузки на колеса и состояния поверхности аэродрома. Чем меньше коэффициент трения, тем меньше сила трения F, а ускоряющая сила возрастает, что сокращает длину разбега. Поэтому применение взлетных полос с твердым покрытием является одним из способов уменьшения длины разбега. Влияние механизации крыла. Перед взлетом на большинстве современных самолетов выпускаются щитки (или закрылки) во взлетное положение, чтобы увеличить максимальное значение коэффициента подъемной силы самолета. Рис. 107 Взлет самолета с наклонной ВПП При этом подъемная сила, необходимая для отрыва, возникает на меньшей скорости. Для достижения меньшей скорости требуется и меньшая длина разбега. Влияние направления и скорости ветра. Скорость, при которой создается необходимая подъемная сила, представляет собой скорость самолета относительно воздушной массы. При встречном ветре скорость отрыва складывается из скорости самолета относительно земли ПУТ υ и скорости ветра ω ω υ υ + = ПУТ (7.11) Следовательно, разбег выгодно совершать против ветра, так как в этом случае скорость воздуха относительно самолета будет больше, чем скорость самолета относительно земли. И отрыв произойдет раньше. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 89 При взлете по ветру длина разбега увеличивается ввиду того, что воздушная скорость самолета в этом случае равна разности между путевой скоростью и скоростью ветра: ω υ υ − = ПУТ (7.12) Поэтому с целью сокращения длины разбега самолета старт разбивают таким образом, чтобы взлет совершался против ветра. Влияние давления и температуры воздуха. От величины давления и температуры атмосферного воздуха зависят скорость отрыва и сила тяги двигательной установки. С уменьшением давления увеличивается скорость отрыва, а сила тяги уменьшается, что ведет к увеличению длины разбега. При увеличении температуры наружного воздуха длина разбега увеличивается, так как увеличивается скорость отрыва и уменьшается сила тяги. Это происходит из-за уменьшения массовой плотности р при повышении температуры. Для самолетов с ТРД можно приближенно считать, что при отклонении на 1° температуры изменяется на 1% длина разбега. Наклон взлетной полосы. Если взлетная полоса имеет угол наклона θ (Рис. 1074), то ускорение на разбеге будет отличаться от ускорения при горизонтальном разбеге на величину , sin θ ⋅ g тогда sin θ ⋅ ± = g i i ГОР СР СР (7.13) Угол наклона полосы на скорость отрыва не влияет и сказывается только на ускорении, следовательно, и на длине разбега. ВЫДЕРЖИВАНИЕ САМОЛЕТА Выдерживание. Экономическая скорость не дает быстрого подъема, кроме того, она является границей между интервалами первых и вторых режимов, и поэтому подъем с этой скоростью на малой высоте опасен. Следовательно, сразу же после отрыва от земли начинать подъем не следует, а необходимо предварительно набрать скорость, т. е. необходимо выдерживание для дальнейшего разгона скорости. С этой целью после отрыва летчик выдерживает самолет над землей с медленным отходом от нее. ПОДЪЕМ САМОЛЕТА Подъем. Как уже говорилось выше, выдерживание самолета над землей имеет цель увеличения скорости полета до величины, необходимой для безопасного и быстрого подъема. Подъем самолета необходимо осуществлять на скорости не менее 170 км/ч для самолета Як-52 и 150 км/ч - для самолета Як-55. В летной практике иногда выдерживают самолет над землей до несколько меньшей скорости подъема, уменьшая при этом этап выдерживания, и переводят самолет на пологий подъем, во время которого скорость возрастает до взлетной, и только после этого летчик устанавливает нормальный угол подъема. Однако следует помнить, что, переводя самолет на подъем при скорости значительно меньшей, чем взлетная, летчик замедляет разгон и, главное, будет управлять самолетом на режиме, близком к границе вторых режимов. Поэтому в первые секунды подъема запас скорости мал, что потребует от летчика усиленного внимания и безупречного пилотирования. ВЗЛЕТНАЯ ДИСТАНЦИЯ Путь, проходимый самолетом от начала разбега до места набора высоты 25 м, называется взлетной дистанцией. Взлетная дистанция включает в себя длину разбега и воздушный участок пути от места отрыва до места набора высоты 25 м. Длина воздушного участка зависит от среднего угла наклона этого участка 25 θ tg L ВОЗД = (7.14) Чем меньше угол подъема, тем больше воздушный участок, тем больше и взлетная дистанция. После отрыва на самолетах с ТРД на воздушном участке производится выдерживание с постепенным отходом от земли и разгоном скорости. Набрав нужную скорость, летчик переводит самолет в набор высоты, который отличается от выдерживания более крутой траекторией. Все движение от начала разбега представляет собой разгон, который требует избытка тяги, т. е. ускоряющей силы. На воздушном участке эта сила определяется по формуле , sin θ ⋅ − − = G Q P R УСК (7.15) АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 90 где θ - угол набора. ВЗЛЕТ С БОКОВЫМ ВЕТРОМ Наличие бокового ветра ухудшает взлетные характеристики самолета и усложняет технику его выполнения, так как несимметричное обтекание крыла создает разность в величине подъемных сил правого и левого полу крыльев. В результате получается накренение самолета на разбеге и снос по ветру после отрыва от земли. Несимметричное же обтекание вертикального оперения и фюзеляжа создает разворачивающий момент против ветра (Рис. 108). Рис. 108 Взлет самолета с боковым ветром При разбеге кренящий момент от бокового ветра будет создавать разную нагрузку на колеса шасси. У более нагруженного колеса большей будет и сила трения, которая начнет разворачивать самолет по ветру. Однако разворачивающий момент от боковых сил фюзеляжа и оперения по величине значительно превосходит разворачивающий момент от разности в подъемных силах крыла, в результате чего самолет будет разворачиваться против ветра. Для устранения разворота самолета при разбеге летчик использует элероны и руль направления. Однако их эффективность в начале разбега мала и возрастает с увеличением скорости, поэтому в начале разбега парировать разворот труднее. Очевидно, что и величина отклонения рулей для предупреждения разворота будет больше в начале разбега, а затем по мере набора самолетом скорости отклонение рулей уменьшают, так как они становятся эффективнее. Поэтому при взлете с боковым ветром основное внимание летчика должно быть сосредоточено на недопущении кренов и соблюдении прямолинейности разбега. Для этого необходимо: - для уменьшения кренящего момента во время разбега отклонять ручку управления против направления ветра, а для предупреждения разворота самолета отклонить руль направления по ветру (ветер справа - дать левую ногу); - по мере увеличения скорости на разбеге и повышения эффективности элеронов и руля направления угол их отклонения следует постепенно уменьшать с таким расчетом, чтобы сохранить заданное направление взлета и произвести отрыв самолета без крена; - отрыв самолета производить на несколько увеличенной скорости (на 5-10 км/ч), не допуская повторного касания самолета колесами земли во избежание бокового удара шасси о землю; - после отрыва самолета от ВПП борьбу со сносом до высоты 50 м вести созданием крена против ветра и отклонением руля направления по ветру; с высоты 50 м борьбу со сносом вести углом упреждения. ВЗЛЕТ АЭРОПОЕЗДА Взлет аэропоезда, состоящего из самолета-буксировщика и планера (или планеров), характеризуется тем, что из двух или более летательных аппаратов, взлетающих в одном аэропоезде, только один из них имеет двигательную установку, создающую тягу (Рис. 109). Процесс взлета аэропоезда усложняется тем, что уменьшается общая тяговооруженность, увеличивается суммарное сопротивление, в результате чего ускорение на разбеге уменьшается. Составим уравнение движения аэропоезда вдоль оси X. , X а ПЛ ПЛ i g G F Q Fc Qc Px = − − − − (7.16) где Ga=Gc+G ПЛ - суммарный вес аэропоезда; F С, F ПЛ - сила трения колес самолета и планера о землю; Qс, Qпл - лобовое сопротивление самолета и планера; Рх - тяга, развиваемая двигательной установкой самолета-буксировщика АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 91 Рис. 109 Взлет аэропоезда Из уравнения (7.3) найдем ускорение на разбеге ( ) ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − + − = а ПЛ C X X G F Q F Q P g i (7.17) Из анализа формулы можно сделать следующие выводы: - тяговооруженность аэропоезда меньше вследствие увеличения суммарного веса при неизменной силе тяги; - ускоряющая сила дополнительно уменьшается на величину (Q+F) пл Все это приводит к тому, что аэропоезд по сравнению с одиночным самолетом будет иметь меньшее ускорение на разбеге. Уменьшение ускорения отразится на длине разбега, которая согласно формуле CP СТР P i L 2 2 υ = , будет возрастать. Летчик самолета-буксировщика должен знать особенности взлета аэропоезда и учитывать их при полетах. |