Аэродинамика самолета. Тема 1
 Скачать 3.35 Mb.
|
|
БОКОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ САМОЛЕТА Ранее было установлено, что при нарушении поперечного равновесия за счет возникновения центростремительной силы происходит нарушение путевого равновесия, а при нарушении путевого равновесия за счет несимметричного обтекания полукрыльев происходит нарушение поперечного равновесия. Такое взаимное влияние поперечного и путевого равновесия на состояние самолета называется боковым равновесием. Поперечная и путевая устойчивость изолированно не могут существовать, так как проявление одного вида устойчивости сказывается на другом. Поэтому совокупность поперечной и путевой устойчивости называется боковой устойчивостью. Допустим, что под действием внешнего возмущения самолет начал вращаться вокруг оси Y вправо. По мере отклонения от первоначального положения возрастает угол скольжения Р. Благодаря скольжению на левом крыле возникает дополнительная аэродинамическая сила, создающая момент, кренящий самолет в сторону, обратную скольжению. При крене самолета нарушается равновесие силы веса G и подъемной силы Y. Возникает центростремительная сила Z, под действием которой самолет начинает скользить на опущенное полу крыло и искривлять траекторию в сторону крена. При скольжении на опущенное полукрыло возникает восстанавливающий момент, который устраняет крен, а момент от сил Z Ф и Z В.О устраняет скольжение (Рис. 156). При хорошей поперечной устойчивости крен, возникший при скольжении, быстро самопроизвольно устраняется. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 131 Рис. 156 Кренение самолета при скольжении Для обеспечения нормальной боковой устойчивости недостаточно еще того, чтобы самолет обладал поперечной и путевой устойчивостью, а нужно, чтобы параметры той и другой находились в определенном соотношении. Преобладание одного вида устойчивости над другим ухудшает общую боковую устойчивость и может быть причиной спиральной или колебательной неустойчивости. Спиральная неустойчивость возникает в том случае, когда самолет имеет чрезмерную путевую устойчивость и слабую поперечную (Рис. 157). Рис. 157 . Спиральная неустойчивость самолета Возникший крен и скольжение в сторону крена самолет устраняет по-разному: скольжение устраняется быстро, а крен частично остается. В результате самолет будет продолжать движение по кривой, вначале очень пологой, так как крен еще мал. У крыльев возникает разность скоростей на полукрыльях и разные подъемные силы на них. В итоге крен постепенно растет, потому что у внешнего крыла подъемная сила больше, а у внутреннего меньше. С увеличением крена (при условии, если летчик не вмешивается в управление) самолет будет идти со снижением, крен еще больше увеличится и в результате самолет может перейти в крутую спираль. Колебательная неустойчивость возникает при очень хорошей поперечной устойчивости (большое поперечное V крыла, большая стреловидность) и слабой путевой устойчивости. В этом случае при непроизвольном скольжении в одну сторону (левую, например) самолет под действием восстанавливающего момента энергично накреняется вправо, что вызовет затем правое скольжение. Устраняя возникший левый крен, самолет из-за повышенной поперечной устойчивости перейдет равновесное положение и войдет в противоположный (правый) крен. В итоге получим ряд повторных колебаний с крыла на крыло. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 132 Для уменьшения поперечной устойчивости самолетам со стреловидным крылом увеличивают площадь вертикального оперения и придают отрицательный угол поперечного V. Между поперечной и путевой управляемостью существует такая же связь, как и между поперечным и путевым равновесием: крен вызывает скольжение и разворот самолета, а скольжение - крен. Разворот самолета только с помощью руля направления или только элеронов происходит со скольжением. Скольжение ускоряет срыв потока с крыла, чем снижает безопасность полета и создает дополнительное сопротивление, которое требует увеличения потребной тяги. Необходимо запомнить, что самолет скользит в сторону отклоненной ручки управления и в противоположную сторону относительно отклоненной педали (левая педаль - правое скольжение). Для того чтобы разворот выполнялся без скольжения, необходимо руль направления и элероны отклонить в сторону разворота таким образом, чтобы скольжение от крена устранялось скольжением от руля направления. Разворот без скольжения называется координированным. Статистикой установлено, что для нормального поведения самолета в полете нужно определенное соотношение между кренящими и разворачивающими моментами. Летными испытаниями установлено, что соотношение отклонения элеронов и отклонения руля направления для нормального поведения самолета в боковом отношении должно быть 5 , 0 - 3 , 0 0 0 = П Р ЭЛ δ δ Таким образом, отклонение элеронов должно быть в 2 - 3 раза меньше отклонения руля направления. ШТОПОР САМОЛЕТА Штопором самолета называется неуправляемое движение самолета по спиральной траектории малого радиуса на закритических углах атаки. В штопор может войти любой самолет, как по желанию летчика, так и самопроизвольно при ошибках летчика в технике пилотирования. Так как штопор представляет собой неуправляемое движение, то выход и управляемый полет требует твердых навыков, хороших знаний и понимания его физической сущности. Штопор выполняется на самолетах Як-52 и Як-55 как с учебной целью, для тренировки летного состава, а также как фигура спортивного пилотажа. Рис. 158 Штопор самолета: а - прямой; б - обратный; а - плоский Существуют два вида штопора: нормальный (прямой) и обратный (перевернутый) (Рис. 158). По режиму установившегося вращения штопор подразделяется на крутой (наклон фюзеляжа к горизонту составляет 50...70°) и плоский (наклон фюзеляжа составляет около 20...30 0 ). На всех вышеуказанных режимах штопора угол атаки больше критического, и чем положе штопор, тем больше угол атаки. На крутом штопоре угол атаки составляет 25...30°, на плоском - 60...65 0 Потеря высоты на крутом штопоре в среднем составляет 100...150 м за один виток. На плоском штопоре потеря высоты значительно меньше и составляет 50...80 м. Скорость вращения на штопоре составляет (на самолетах Як-52 и Як-55): при выполнении крутого штопора - 4,0...4,5 с, а на плоском - 2,5...3,0 с. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 133 Как уже говорилось, что штопор - это неуправляемое движение самолета и весьма опасное на малой высоте. Поэтому летчик должен четко представлять причины штопора, какие факторы и как влияют на него и осмысленно относиться к работе рулями как на вводе, так и особенно на выводе самолета из штопора. Рис. 159 Штопор: а - схема сил и моментов, действующих на самолет в процессе штопора; б - схема сил, действующих на самолет при штопоре СРЫВ В ШТОПОР НА МАЛОЙ ВЫСОТЕ Может произойти при одновременном уменьшении скорости полета и увеличении угла атаки (Рис. 160). Скорость полета падает, поэтому должна падать и подъемная сила, но вследствие увеличения угла атаки коэффициент подъемной силы Су будет расти (компенсируя падение скорости), в результате чего подъемная сила некоторое время будет расти и оставаться равной весу самолета. Но коэффициент Су растет только до критического угла атаки, а затем резко уменьшается, так как за критическим углом резко ухудшается обтекание - происходит срыв струи с поверхности крыла. Поэтому когда угол атаки достаточно увеличился, подъемная сила становится меньше веса самолета и он начнет «проваливаться», опуская капот. Если летчик попытается еще увеличить угол атаки, то самолет станет «проваливаться» плашмя, т. е. парашютировать. Однако при парашютировании самолет трудно удерживать от кренов. А так как эффективность элеронов на больших углах атаки сильно ослаблена, то сохранить поперечное равновесие обычно не удается, и самолет сваливается на крыло, стремясь перейти в штопор. Таким образом, происходит так называемая потеря скорости, которая приводит к ухудшению поперечной управляемости. Если бы летчик мог длительное время удерживать самолет в состоянии парашютирования, то в любой момент можно было бы, отклонив ручку управления от себя, уменьшить углы атаки, набрать скорость и перевести самолет в нормальный полет. Иногда это возможно, если потеря скорости не полная. В этом случае самолет упадет на нос, быстро наберет скорость и снова станет управляемым. Также при потере скорости и падении на крыло (Рис. 160, а) возможен вывод самолета на нос. В противном случае вслед за сваливанием на крыло следует штопор, для выхода из которого и из последующего пикирования требуется значительная высота. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 134 Следовательно: - на малых высотах (примерно 600 м) необходимо всегда иметь достаточный запас скорости, т. е. выдерживать скорость не менее наивыгоднейшей; - если допущена ошибка, скорость упала на значительную величину, управление, особенно по элеронам, стало несколько вялым, следует незначительно отклонить ручку управления от себя и в то же время удерживать самолет в поперечном равновесии элеронами и рулем направления; - в случае внезапного отказа двигателя, особенно на взлете немедленно отклонить ручку управления от себя, и если скорость сильно упала, не начинать разворота до тех пор, пока самолет не наберет скорость до необходимой величины (не менее наивыгоднейшей) и не перейдет в нормальное планирование. Рис. 160 Потеря скорости в горизонтальном полете: а - падение на нос с переходом в. пикирование, б - падение на крыло с переходом в пикирование или штопор САМОВРАЩЕНИЕ КРЫЛА НА БОЛЬШИХ УГЛАХ АТАКИ. ПРЯМОЙ ШТОПОР При потере скорости и накренении самолета происходит увеличение углов атаки у опускающегося полукрыла и уменьшение их у поднимающегося полукрыла (Рис. 161). Если полет происходит на малых или средних углах атаки, то указанное изменение углов атаки создает торможение (демпфирование) крена (Рис. 163). На критических или закритических углах атаки случайное накренение самолета (вращение вокруг продольной оси) не только не тормозится, а, наоборот, еще больше усиливается, так как увеличение углов атаки сверх критического у опускающегося полукрыла ( ) ОП α сопровождается усилением срыва потока и падением коэффициента Су ОП ; у поднимающегося полукрыла, у которого углы атаки уменьшаются ( ) ПОД α , коэффициент подъемной силы Су ПОД уменьшается в меньшей степени или даже может возрасти (Рис. 162). В результате этого подъемная сила опускающегося полукрыла, имеющего большие углы атаки, оказывается меньшей, чем у поднимающегося полукрыла, вследствие чего на самолет будет действовать момент самовращения М х (см. Рис. 161), направленный в сторону первоначального накренения самолета Это явление-самовращение, или авторотация, лежит в основе штопора самолета. Рис. 161 К объяснению самовращения крыла АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 135 Рис. 162 К объяснению самовращения крыла Рис. 163 К объяснению демпфирования крыла Рис. 164 Соотношение подъемных сил опускающегося и поднимающегося полукрыльев при установившемся самовращении Под действием указанного неуравновешенного момента самовращения крыло будет вращаться вокруг продольной оси с положительным угловым ускорением. По мере ускорения вращения поднимающееся полукрыло начинает работать с углами атаки, значительно меньшими критического, т. е. в условиях плавного обтекания, в то время как опускающееся полукрыло уже работает в условиях полного срыва воздушного потока. Но угловая скорость накренения не будет возрастать безгранично. При некоторой угловой скорости вращения наступает равенство Су ОП = Су ПОД (Рис. 164), моменты нормальных сил обеих полукрыльев выравниваются, угловое ускорение исчезает и устанавливается постоянная угловая скорость Х ω самовращения (авторотации). Величина угловой скорости самовращения крыла самолета зависит от величины исходного угла атаки (перед срывом в штопор). ПЕРЕВЕРНУТЫЙ ШТОПОР Перевернутый (обратный) штопор может быть получен как преднамеренно, так и непроизвольно из- за грубых ошибок летчика в технике пилотирования. Вращение самолета в перевернутом штопоре происходит в области отрицательных закритических углов атаки. Обратный штопор может выполняться как с прямого, так и с обратного полета. Перед вводом скорость полета уменьшается до минимальной, углы атаки при этом становятся околокритическими или критическими. Достигнув критических углов атаки, летчик создает скольжение на одно из полукрыльев, и самолет входит в режим авторотации. В этом случае отрицательный угол атаки и Су по величине меньше, чем в прямом полете (для самолета Як-52). Так как максимальный коэффициент подъемной силы имеет отрицательную величину ( ) МАКС Су − , при котором образуется срыв потока и начинается авторотация, и в обратном полете его значение меньше, чем в прямом, то безопасная скорость (минимальная), при которой происходит срыв в АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 136 перевернутый штопор, будет больше, чем в прямом полете, на 20...30 км/ч. Для самолета Як-52 скорость срыва в перевернутый штопор составляет 140 км/ч. В перевернутом штопоре вращение самолета происходит таким образом, что кабина самолета находится на внешней стороне, поэтому летчик не прижимается к сиденью, как в обычном штопоре, а, наоборот, отделяется от сиденья и висит на привязных ремнях. Непроизвольный срыв в обратный штопор может быть при выполнении обратного пилотажа. Характер вращения самолета Як-52 при перевернутом штопоре более равномерный, чем при выполнении прямого штопорa. Выход самолета из перевернутого штопора более прост и надежен, чем из прямого. Это объясняется тем, что значения Су МАКС крыла самолета Як-52 на отрицательных углах атаки, при которых происходит перевернутый штопор, будут меньше, чем при обычном (прямом) штопоре, вследствие чего и склонность к авторотации крыла будет менее резко выражена. При попадании в непреднамеренный перевернутый штопор летчик должен в первую очередь убедиться, что это действительно перевернутый штопор, и уточнить направление вращения. Только после этого должен приступить к выводу самолета из перевернутого штопора. ПЛОСКИЙ ШТОПОР Самолет переходит из нормального (прямого) штопора в плоский при следующих ошибках в технике пилотирования: отклонение ручки управления против вращения в момент ввода самолета в нормальный (прямой) штопор или в процессе выполнения; полное отклонение педали и ручки управления по диагонали на себя и в противоположную сторону данной педали в процессе выполнения поворота на вертикали; увеличение оборотов двигателя в процессе выполнения прямого штопора. С горизонтального полета самолет входит в плоский штопор стандартным способом как в прямой штопор, но при этом элероны отклоняются на вводе против вращения. С поворота на вертикали самолет попадает в плоский штопор, не доходя 40...30° до вертикали вниз за счет резкого отклонения ручки управления на себя и отклонения элеронов против вращения (педаль полностью отклонена в сторону поворота на вертикали). Нормальный плоский штопор носит устойчивый характер, угловые скорости в процессе штопора знак не меняют и нет приостановки вращения. Скорость в процессе выполнения плоского штопора не растет и колеблется в пределах 100...150 км/ч. Характеристики штопора от количества витков вращения практически не зависят, однако с ростом количества витков в штопоре увеличивается запаздывание и потеря высоты на выводе. На самолетах Як-52 и Як-55 правый плоский штопор более устойчивый, чем левый. Положение элеронов при выполнении плоского штопора влияет на его характеристики. Постановка элеронов в нейтральное положение при установившемся плоском штопоре на его характеристики не влияет. При этом вращение остается равномерным, а угловая скорость несколько уменьшается. Постановка элеронов по вращению способствует переходу в крутой штопор и затем в крутую спираль. При этом угловая скорость интенсивно уменьшается ( ) У ω , приборная скорость увеличивается, а вращение становится неравномерным. Увеличение оборотов при выполнении плоского штопора приводит к уменьшению угла тангажа на 5...10°. Угловая скорость вращения увеличивается, приборная скорость возрастает с 100 км/ч до 140...150 км/ч. Для вывода самолета из плоского штопора необходимо отклонить педаль в сторону, противоположную вращению, ручку управления отклонить полностью от себя (на белую черту). После остановки вращения рули управления поставить нейтрально. Запаздывание самолета на выводе составляет: на правом штопоре до 3,5 витка; на левом - 2 витка. С увеличением количества витков штопора запаздывание на выводе растет. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ШТОПОР САМОЛЕТА Отклонение элеронов. Характеристики штопора сильно зависят от скольжения. Отклонение элеронов при штопоре влияет на скольжение. Опущенный элерон увеличивает аэродинамическое сопротивление полукрыла, создавая тем самым разворачивающий момент, который создает скольжение на противоположное полукрыло. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 137 Если, например, при выполнении левого штопора отклонить ручку управления вправо (против штопора), то возникает скольжение на правое полукрыло. Поэтому, как правило, отклонение элеронов против штопора не способствует выходу самолета из штопора, а наоборот, усиливает вращение. Скольжение самолета также может создаваться и отклонением педали. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ, УГЛОВ АТАКИ И СКОЛЬЖЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ШТОПОРА. В процессе штопора самолет вращается не только вокруг продольной оси самолета X, но вокруг вертикальной оси Y, в сторону накренения. Вращение самолета на штопоре вокруг оси Y вызывается тем, что лобовое сопротивление у опускающегося полукрыла, работающего на закритических углах атаки в условиях срыва потока, больше, чем у поднимающегося полукрыла, работающего в условиях плавного обтекания на докритических углах атаки. Таким образом, самовращение крыла вокруг продольной оси самолета на закритических углах атаки сопровождается появлением спирального путевого момента |