Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Динамика на полета – устойчивост на летателните апарати
Преди време си говорехме за това какво определя доколко устойчив е полетът на един летателен апарат и какво е нужно, за да го управляваме.... Динамика на полета – устойчивост на летателните апарати

Преди време си говорехме за това какво определя доколко устойчив е полетът на един летателен апарат и какво е нужно, за да го управляваме. Темата обаче е твърде обширна, за да я приключим в един постинг, така че сега ще й посветим още един. И докато миналия път разгледахме най-простите случаи на възникване на аеродинамични моменти, сега ще разберем каква е реакцията на летателните апарати спрямо тях и какво се случва с движението им, щом се появят.

Статична устойчивост

Летателните апарати, а и всяка друга динамична система, непрекъснато изпитват въздействието на някакви сили. Ако тези сили взаимно се уравновесяват (например самолет, паркиран на стоянка, или такъв, който извършва установен хоризонтален полет), това състояние е известно като равновесно състояние.

Пример за подобно равновесно състояние е едно неподвижно топче на пода, при което силата на тежестта G се уравновесява от силата на нормална реакция R.

ball_stability_001 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Ако някой бутне топчето, то ще премести позицията си от т.А, в която се е намирало до този момент, установявайки се отново в покой в новата точка на равновесие – т.B.

ball_displacement_003 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Подобно поведение, на която и да е динамична система, е известно като неутрална статична устойчивост. Това ще рече, че след възникването на смущаващо въздействие, което извежда от равновесие динамичната система, тя сама възвръща равновесието си, но на ново местоположение или при различно разположение от първоначалното.

Ако вместо в равнина топчето се намира във вдлъбнатина (положение 1 на картинката долу), при побутването му ще се наблюдава нещо различно.

ball_pos_stab_005 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Първоначално топчето се отмества в посока на смущаващата сила, стига до някаква крайна точка (положение 2), след което се връща обратно към т. А. Задминава я, стига до нова крайна точка (положение 3) в противоположно направление на първоначлното смущение, връща се обратно и  след известен брой осцилации около т. А в крайна сметка се установява там отново (положение 1). Подобна динамика е изключително характерна за най-различни физични процеси и по-нататък ще я разгледаме по-подробно. Сега ни интересува факта, че в края на движението си, топчето се установи на абсолютно същата позиция, която имаше преди това. Това поведение е известно като положителна статична устойчивост (или просто статична устойчивост). Каквото и да правим с динамичната система, както и да й въздействаме, в този случай накрая тя възвръща от само себе си своето първоначално състояние.

Не така стоят нещата, ако топчето се намира на върха на изпъкналост. Ако сега бутнем топчето, то така и няма да спре, докато не срещне друга външна сила. Топчето ще се отмества ускорително от първоначалната си точка на равновесие и  няма да се стабилизира отново само. Такава динамична система се дефинира с понятието отрицателна статична устойчивост (или статична неустойчивост).

ball_neg_stab_007 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Физиката от примера с  топчето е принципно валидна и ако имаме не топче, а самолет. Представете си самолет, който извършва хоризонтален установен полет. Всички сили, които му действат,  са уравновесени и той се намира в равновесно положение, подобно на топчето от по-горе. Ако някаква външна сила (например турбуленция) му въздейства и наклони носа му нагоре, според това, което разгледахме дотук, има три сценария как ще се развие ситуацията.

При условие че самолетът е с неутрална статична устойчивост, след прекратяването на възникналия поради турбуленцията надлъжен въртящ момент, самолетът ще продължи да лети  със същия ъгъл на тангаж, на който го е завъртял надлъжният момент. Така действащите сили отново ще се уравновесят и полетът пак ще бъде установен (но не и хоризонтален) .

aircraft_neutral_stability_009 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Неутрална статична устойчивост

Ако самолетът притежава положителна статична устойчивост, докато действа смущаващият въртящ надлъжен момент, благодарение на хоризонталната си плоскост ще противодейства компенсиращ надлъжен момент с обратна посока. Така след преминаване на турбуленцията самолетът сам ще възвърне първоначалното си равновесно положение – хоризонтален установен полет.

aircraft_positive_stability_010 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Положителна статична устойчивост

В третия случай (статична неустойчивост) балансировъчен надлъжен момент няма да възникне. Нещо повече – след прекратяване на смущението, въртящият надлъжен момент ще се запази, предизвиквайки все по-голям тангаж, докато самолетът не се срине.

aircraft_negative_stability_011 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Отрицателна статична устойчивост

Тук е мястото да припомним, че пространственото движение на самолетите и други подобни летателни средства се обуславя чрез три взаимно перпендикулярни оси ОXYZ, около които възникват напречни, попътни и надлъжни въртящи моменти. Поради тази причина не се говори просто за „статична устойчивост“, а за надлъжна, напречна или попътна статична устойчивост. При това  не е задължително, ако конкретният летателен апарат има надлъжна статична устойчивост, да притежава също така напречна или попътна статична устойчивост. Обратното също е в сила. А след като дефинираме и понятието „динамична устойчивост“ ще разберете, че изобщо възможни са най-различни варианти, определящи доколко устойчив или неустойчив е полетът на един аероплан.

Надлъжна статична устойчивост

Примерът от по-горе всъщност демонстрира надлъжна статична устойчивост. Тя е може би най-важната от трите вида статична устойчивост. Видно е, че ако управлявате статично неустойчив летателен апарат, то всеки неуравновесен надлъжен момент MZ ще води до непрестанно увеличаване на пикирането или кабрирането. Поне докато не се намесите в управлението. Така, ако искате да изпълнявате установен полет  с подобен самолет, вие ще трябва постоянно да поддържате необходимия тангаж и ъгъл на атака – подобно на акробат, ходещ по въже, който непрекъснато трябва да балансира с дълга пръчка.

Това е доста трудоемка задача, което обяснява защо самолетите обикновено не се конструират със статична неустойчивост. В зависимост от степента на неустойчивост и скоростта на полета един статично неустойчив самолет дори би могъл да бъде напълно неуправляем за пилота. Затова управлението на подобни самолети по правило се подпомага от бордови компютри, които компенсират минималните дисбаланси от желаното положение, без да ангажират пилота с това. Такива самолети са някои изтребители (F-16, F-22, Mirage F1, Rafale и други), отличаващи се с висока маневреност на полета.

344054main_ec85-33297-23_full_0-1024x768 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Grumman X-29: Аеродинамично най-неустойчивият самолет, конструиран някога. Автоматичният контрол, вграден в управлението Х-29, подава 40 управляващи команди всяка секунда. Ако случайно и трите му полетни компютъра се повредят, самолетът ще се разбие, преди пилотът да е успял да се катапултира. Снимка: NASA

Дали летателният апарат ще бъде с надлъжна статична устойчивост или неустойчивост зависи от това къде ще бъде аеродинамичният му фокус XF – преди или след масовия център XT.

  • Ако аеродинамичният фокус е пред масовия център (XT –  XF > 0 или още задна центровка), летателният апарат ще бъде с надлъжна статична неустойчивост и  всяко външно смущение ще води до неконтролируемо нарастващ кабриращ или пикиращ надлъжен момент.
  • Ако аеродинамичният фокус съвпада с масовия център (XT –  XF = 0 или още неутрална центровка), летателният апарат ще бъде с неутрална статична устойчивост;
  • Ако аеродинамичният фокус е зад масовия център (XT –  XF < 0 или още предна центровка), летателният апарат ще бъде с надлъжна статична устойчивост и  всяко външно смущение ще бъде компенсирано от възстановяващ надлъжен момент.
longitudinal-stability_012-1024x608 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Надлъжна статична устойчивост имаме, ако самолетът се стреми да компенсира смущаващи надлъжни моменти (горе), а неустойчивост – ако ги задълбочава (долу). С червената стрелка е показана пълната аеродинамична сила (създавана от крилото, стабилизатора и фюзелажа), а синята точка е центърът на тежестта. Изображение: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aircraft_static_stable_unstable.svg

Центърът на тежестта на един самолет може да варира в големи граници, достатъчни да го превърнат от статично устойчив в статично неустойчив. Ето защо е от изключително важно значение, как ще се разпределят товарите вътре, а пилотите винаги преди полет определят центровката, за да знаят дали разполагат с необходимата надлъжна устойчивост*.

И докато сме още на тема „надлъжна статична устойчивост“ ще споменем още един фактор, влияещ на този параметър.  Иде реч за това, че с увеличаването на скоростта, аеродинамичният фокус започва да променя своето местоположение. Това явление е свързано с развитието на вълнови кризис при скорости в  околозвуковия диапазон. След преминаване на някаква въздушна скорост (около М = 0,8) с увеличаване на скоростта аеродинамичният фокус се измества назад.  Интересното е, че оттатък скоростта на звука аеродинамичният фокус отново се застопорява на едно място и  не се премества повече назад  или напред с увеличаване на скоростта. Но да не се отклоняваме. Бедата е там, че с изместването назад на аеродинамичния фокус, надлъжната статична устойчивост се изменя коренно. Тенденцията е към свръхустойчивост, която може дори да възпрепятства надлъжната управляемост.

aerodynamic-center-shift_013 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Изместване назад на аеродинамичния фокус при околозвуковите скорости. С червено е показан центърът на тежестта.

Оказва се, че тази надлъжна свръхустойчивост може да доведе и до състояние на фактическа неустойчивост на полета. Ето как. Да речем, че скоростта на полета се увеличи поради някаква причина с ΔV. Това нарастване на скоростта е свързано с увеличаване на подемната сила с ΔYA. При нормална ситуация траекторията на летателния апарат ще се изкриви нагоре, при което в крайна сметка скоростта му ще намалее за сметка на придобитата потенциална енергия, докато не достигне началната стойност.

Това се нарича надлъжна устойчивост по скорост. Но в нашия случай изместеният твърде назад аеродинамичен фокус ще създаде твърде голям  пикиращ момент.  Носът ще се наклони надолу, скоростта ще се увеличи още, носът ще се наклони още надолу и т.н., докато пилотът не се намеси в управлението.  Нещо, известно на жаргон като „затягане в пикиране“ и типично при високи скорости за самолети с малка стреловидност на крилото, които по принцип изобщо не трябва да се доближават до трансзвуковия диапазон.

transsonic_stability_014 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
На тази графика виждате как запасът от надлъжна статична устойчивост нараства в околозвуковия диапазон поради изместването на аеродинамичния фокус. Показани са графиките на два самолета – F-111 и F-14. F-14 е представен в два варианта – с използване на механизация за намаляване на надлъжната устойчивост (т.нар. glove vane) и без. Разгъването на този glove vane в полет измества аеродинамичния фокус по-напред. Изображение: http://www.dept.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/ConfigAeroSupersonicNotes.pdf

Ще отворим една скоба. Четейки този и предишните материали от блога ни на тема „аеродинамика“, вече бихте могли сами да си дадете сметка какво се крие зад понятието звукова бариера. Kакви изпитания е трябвало да преодолеят първите машини и пилоти, които са опитали да я прескочат и защо мнозина са считали, че свръхзвуковият полет е невъзможен. Сега вече сте наясно с пълния букет от „екстри“, които носи трансзвуковата област – силно увеличено челно съпротивление и натоварване на конструкцията, загуба на надлъжно управление, трудно поддържане на хоризонтален полет… Затваряме скобата.

Странична статична устойчивост

Няма да навлизаме в излишни детайли, защото тук принципно нещата се повтарят. Просто са отнесени към другите две оси. Страничната устойчивост на летателните апарати всъщност се разглежда като попътна (или още – флюгерна) и напречна устойчивост.

Попътната устойчивост е отговорна за възвръщането на странично равновесие след появата на външна странична сила. За да я имаме, отново се нуждаем от възстановяващи сили и моменти, които този път се създават от друга спомагателна повърхност – вертикалния стабилизатор. Критерият за попътна устойчивост е страничният аеродинамичен фокус на летателният апарат да бъде разположен зад центъра на тежестта (XT –  XFβ < 0).

lateral_stability_019 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Напречната устойчивост от своя страна е отговорна за противодействието срещу промяна на крена. Ако ъгълът на напречен наклон (крен) се промени, това ще създаде хоризонтална компонента на подемната сила, която ще отклонява летателния апарат наляво или надясно от курса му. Той ще започне да се плъзга на страната на спуснатото полукрило. Напречна статична устойчивост има този летателен апарат, който ще противодейства на всичко това. Тоест, у него ще се създаде противодействащ напречен момент, който да възстанови началният му крен. Това условие е изпълнено, ако страничният аеродинамичен фокус се намира над центъра на тежестта. Което обяснява защо вертикалният стабилизатор е разположен върху фюзелажа, а не под него.

Динамична устойчивост

Дотук, говорейки за устойчивост, ни интересуваше единствено това дали някога ще се възстанови състоянието на равновесие след преминаване на смущение, или не. И изобщо пропуснахме движението във времето, което ще има летателният апарат (или която и да е динамична система) след въздействието на смущението. Е, след като имаме движение, значи става дума за динамика. A развитието на това движение всъщност показва доколко динамично устойчива или неустойчива е системата, която разглеждаме.

Нека се върнем на примера с топчето от по-горе. Осцилациите, които то придобива във вдлъбнатата повърхност, показват именно динамичното му поведение във времето. Фактът, че амплитудата на тези осцилации намалява постепенно, докато накрая не се установи в най-ниската точка, характеризират положителна динамична устойчивост. Ако триенето не съществуваше и топчето осцилираше с постоянна амплитуда около тази точка, подобно на идеално махало, то щяхме да говорим за неутрална динамична устойчивост. А ако движението на топчето беше съпроводено от осцилации с нарастваща амплитуда, това щеше да бъде ситуация на отрицателна динамична устойчивост (динамична неустойчивост).

Забележете – и при трите случая имаме (положителна) статична устойчивост! Звучи леко объркващо, но по-долните картинки, може би ще ви помогнат да разберете идеята.

Динамиката на една смутена динамична система може да се опише чрез периодичен (осцилиращо отклонение) или апериодичен закон (неосцилиращо отклонение). Случаите с неосцилиращо отклонение вече ги разгледахме по-горе. Но динамиката с осцилации е нещо ново, което в реалността се среща много често.

dynamic_stability_modes_021 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Намаляването на амплитудата на осциалциите – тяхното затихване – се дължи на физическия процес демпфиране, при който част от енергията на колебанието се отдава в околното пространство посредством триене, топлинно излъчване, пластични и еластични деформации, звук. Ако няма демпфиране, колебанията в осцилиращата система никога не биха затихнали и тяхната амплитуда би била постоянна във времето. Така, макар и тези колебания да са все около равновесната точка – т.е. макар и системата да се стреми към положителна статична устойчивост – тя никога няма да се спре на нея.

Още по-краен е вариантът на динамична неустойчивост, при който осцилациите непрекъснато ще увеличават амплитудата си. Подобно резонансно поведение се наблюдава, когато в динамичната система се вкарва енергия по подходящ начин. Например, ако пилотът премества нагоре-надолу кормилото за височина с честота, съвпадаща със собствената честота на самолета по надлъжната му ос.

Най-важното тук е, че дори динамичната система да притежава положителна статична устойчивост, това не гарантира, че ще има също така и положителна динамична устойчивост. Но притежаването на положителна динамична устойчивост, означава че задължително и положителната статична устойчивост е налице.

longitudinal_dynamic_stability_022-1024x419 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Пример за положителна, неутрална и отрицателна динамична устойчивост, като и в трите случая имаме надлъжна статична устойчивост. В първия случай (динамична устойчивост) действащите надлъжни моменти намаляват големината си с всеки следващ период на колебателното движение, докато носът на самолета не възвърне началната си позиция. При неутрална динамична устойчивост тяхната големина е постоянна. А при динамична неустойчивост големината им нараства във времето.

Надлъжна динамична устойчивост

В динамиката на надлъжното движение се променят следните параметри на полета – ъгъла на тангаж θ, ъгъла на атака α и въздушната скорост V.  Те могат да се изменят по три начина в зависимост от честотата на осцилациите.

Най-дългопериодично е т.нар. фугоидно (phugoid) движение. При това колебателно движение бавно (с период 20-30 s) се изменят тангажът,  скоростта и височината, докато ъгълът на атака остава почти постоянен. Демпфирането на това движение е слабо, но и като цяло ефектите от него често са трудно забележими за пилота.

На другия полюс е късопериодичното движение на елеватора около шарнира му с период от 0,3 до 1,5s. To се характеризира с много бързо демпфиране от порядъка на половин амплитуда за 0,1s, така че също не е особено интересно.

Всъщност най-опасният режим на надлъжно движение е този, при който тангажът осцилира с период от 0,5 до 5 s. Демпфирането на това движение по правило е силно и един обикновен дозвуков самолет би трябвало да погасява половин амплитуда за около половин секунда. Но условия за подобно колебание се създават при свободно отклонение на елеватора около шарнира му (което се случва, когато пилотът не държи щурвала). Това движение на елеватора по принцип намалява динамичната устойчивост на летателния апарат и ако триенето в шарнира е по-голямо може да стигне до такава надлъжна осцилация. А като се има предвид, че периода на трептението е съпоставим с времето за реакция на пилота, това означава, че опитвайки се да го неутрализира, той всъщност би могъл да го задълбочи, причинявайки опасно големи и дори разрушителни претоварвания.

flight_232_crash_023-1024x676 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
През 1989 се случва една от най-тежките авиационни катастрофи в историята на САЩ – полет 232 се разбива и загиват 111 души от 296. До нещастието се стига, след като един от трите двигателя на самолета DC-10, разположен в опашната част, експлодира в полет и прекъсва хидравликата на полетните контроли, така че елеваторът започва да се отклонява свободно. Поради това самолетът става динамично неустойчив – той придобива осцилиращо фугоидно движение. При всеки период на осцилацията самолетът губи 460m височина до разбиването си. Все пак пилотите успяват да погасят до някаква степен амплитудата на осцилиране, контролирайки единствено тягата на изправните двигатели. Изображение: Iowa Department of Public Safety

Моменти, още моменти

В “Динамика на полета – аеродинамични моменти” разказахме за въртящите моменти, които изпитва по време на полета си едно летателно средство. Спрямо осите, около които действат, разграничихме три типа въртящи моменти – надлъжен, напречен и попътен.

Само че реалната ситуация не е толкова проста. Всъщност, завъртането около някоя от осите, причинява завъртане около друга ос. Или с други думи – възникването на някакъв въртящ момент поражда друг въртящ момент. Което прави фактическото движение на летателните апарати доста по-комплексно, отколкото бихме очаквали.

Например, ако един самолет се завърти от попътен момент около оста OY, едното му полукрило ще създаде повече подемна сила от другото, защото изнасяйки се напред то ще се обтича при по-висока въздушна скорост, спрямо изоставащото. Плюс това аеродинамичната сила, създавана от вертикалния стабилизатор за демпфиране на попътното въртене, има рамо и спрямо ос OX. Крайният резултат от тези ефекти, е че ще създаде вторичен напречен въртящ момент около ос OX. Този момент се нарича напречен спирален момент, тъй като заради него самолетът ще започне да се движи по спираловидна траектория.

Аналогично, завъртане около OX ще доведе до въртене около OY. При въртене около ОХ ефективният ъгъл на атака на спускащото се полукрило се увеличава, а на издигащото се – намалява. Това води до промяна на подемната сила на двете полукрила, което причинява стабилизиращ напречен момент, но също така е свързано и  със съответната промяна на силата на челно съпротивление.  Заради разликата в челното съпротивление, което изпитват двете полукрила, летателният апарат ще отклони носа си по посока към спускащото се полукрило. Този въртящ момент около ОY се нарича попътен спирален момент.

Спиралните моменти имат голямо влияние върху динамичната странична устойчивост на летателните апарати.

Динамична странична устойчивост

Примерите от горната точка ясно показват, че всъщност попътната и напречна динамика на летателните апарати са неразривно свързани и взаимнозависими. Ето защо е най-правилно те да се разглеждат общо. Или с други думи – когато имаме полет с ъгъл на плъзгане, различен от нула, то задължително имаме въздействие, както на попътната, така и на напречната динамика. Конкретните детайли са доста комплицирани, но крайните резултати върху движението на летателния апарат са три:

  • попътно отклонение;
  • спирално отклонение;
  • попътно и напречно осцилиране, известно като „холандска стъпка“.
directaional_unstability_026 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Ако поради някаква причина имаме състояние на попътна неустойчивост (т.е. вертикалният стабилизатор е станал неефективен), летателният апарат непрекъснато  ще увеличава ъгъла си на плъзгане, при което курсът му също ще се изменя по параболична траектория. При това положение ще се стигне до странично обтичане или до разрушение на конструкцията.  Което, разбира се, е крайно нежелателно и затова летателните апарати задължително притежават голяма попътна устойчивост.

Но само това не е достатъчно да поддържаме желания курс. Ако летателният апарат има голяма попътна устойчивост, но слаба напречна устойчивост, то той ще започне да се движи по спираловидна траектория. В началото това се случва бавно и неуловимо, но постепенно спиралата става все по-стръмна (т.нар. „затягане в спирала“).

Ето как възниква това явление. Да речем, че поради смущение самолетът се наклони наляво. Слабата му напречна устойчивост няма да му позволи да стабилизира (достатъчно бързо) своя крен и той ще започне се отклонява наляво от зададения курс. През това време силната му попътна устойчивост ще накара самолета да завърти носа си също наляво, стремейки се да застане отново срещу въздушния поток. При това завъртане дясното полукрило ще получи относително нарастване на скоростта, с която го обтича въздуха, в сравнение с лявото. Тоест, то ще получи нарастване на подемната сила спрямо лявото, което ще задълбочи още повече напречния наклон наляво и веригата от събития ще се повтори отново и отново, докато самолетът обикаля в спирала…   И все пак спиралното отклонение не е особено тревожно. Поради факта, че то се развива бавно и (поне в началото) може лесно да бъде предотвратено от пилота, слаба спирална неустойчивост е допустима.

Друг нежелателен случай на странична динамика е осцилиращото движение, наречено холандска стъпка (Dutch roll). Наименованието е дошло от пързалянето с кънки на лед, където то описва характерно движение, при което кънкьорът се клатушка наляво-надясно, докато се придвижва напред. Е, образно казано, самолетът прави нещо подобно, но във въздуха. Движението му е съпроводено с осцилации с период от около 5s, както около ОХ, така и около OY.

ForcefulElderlyArgali-size_restricted Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати
Холандска стъпка. Изображение: YouTube

Холандска стъпка възниква, когато компенсацията на смущаващи напречни моменти благодарение на стреловидността и напречната V-образност на крилото е много силна (тоест имаме висока положителна напречна устойчивост), докато попътната устойчивост не е толкова голяма. Забележете – имаме, както напречна, така и попътна устойчивост, но въпреки това самолетът се люшка по своя курс. Именно това е причината да не се прибягва да аеродинамични конфигурации, които осигуряват прекомерна напречна устойчивост (например схема на крилото високоплан плюс положителна V-образност). За предпочитане е слаба спирална неустойчивост, отколкото поклащането на холандската стъпка. Особено при пътническите лайнери и особено за седящите отзад. В такива самолети се използва специално автоматично устройство (нарича се yaw damper) ,  което увеличава демпфирането на неприятните осцилации. Това става чрез сензори, улавящи колебанията по крен. Според показанията им се подават управляващи сигнали към актуатор, който задвижва кормилото за направление.

Свредел

В предишните ни материали сме говорили за явлението откъсване на потока при надкритични ъгли на атака и свързания с това срив на летателните апарати. Но сега е удачно да изследваме какво всъщност се случва при срива от гледна точка на динамиката на летателните апарати. Това, което се случва всъщност е ярък пример за силно взаимодействие между надлъжното и странично движение.

Първо да припомним, че за да имаме напречна устойчивост, при промяна на крена, спускащото се крило трябва да придобие по-голяма подемна сила от издигащото се. Така ще се създаде демпфиращ момент, който ще уравновеси обратно летателния апарат. Разбира се, това е при условие, че граничният слой на обтичащия въздух е плътно прилепнал по повърхността на крилото – сиреч летим при нормални ъгли на атака. Тогава с увеличаване на ъгъла на атака, нараства и подемната сила. Но ако надминем критичния ъгъл на атака и граничният слой започне да се откъсва, зависимостта се обръща – подемната сила започва да намалява с увеличаване на ъгъла на атака.

aircraft_spin_028 Динамика на полета - устойчивост на летателните апарати

Същевременно откъсването на потока започва неравномерно по разпереността на крилото и следователно първоначално ще засегне повече едното му полукрило. Когато това стане, летателният апарат ще се наклони именно към това полукрило, защото то ще дава по-малко подемна сила от другото. Накланяйки се, въпросното полукрило ще среща въздушния поток при още по-голям ъгъл на атака. Но този път стабилизиращ момент няма да се създаде. Напротив – потокът ще се откъсва все по-мащабно в сравнение с другото полукрило и  наклоняването ще продължи все по-бързо и по-бързо. Създават се условия за т.нар. самовъртене или още  – авторотация. Курсът на самолета също се променя – полукрилото, което изпитва по-голям срив създава и по-голямо челно съпротивление, така че носът на летателния апарат ще се насочи в неговата посока. Освен това тангажът ще намалее – летателният апарат ще започне да пада, въртейки се около надлъжната си ос, наподобявайки свредел. Откъдето идва и наименованието на въпросното движение – свредел.

Свределът представлява неустойчиво и неуправляемо движение – най-опасният вид движение, който може да придобие един летателен апарат. Излизането от свредел е трудно, а в някои случаи и невъзможно, особено ако разстоянието до земята не е голямо. На видеото по-долу, можете да проследите зараждането, развитието и прекратяването на свредел на класическия двуместен самолет Cessna 150.

За да се прекрати свредела, е необходимо да се спре срива на двете полукрила. Постигне ли се това летателният апарат би могъл дори да се самостабилизира. В англоезичната литература, предназначена за пилоти, често се споменава акронима „PARE”, който подсказва какво най-общо трябва да се направи, за да се излезе от свредел. А именно:

  1. Да се отнеме тяга до малък газ (Power to idle). Това е донякъде неинтуитивно, доколкото вероятно именно недостатъчната тяга (и скорост) е предизвикала срива на първо място. Само че когато самолетът вече е навлязъл в свредел, допълнителната тяга само влошава нещата и може да допринесе за задържането на самолета в надкритични ъгли на атака;
  2. Да се поставят елероните в неутрално положение (Ailerons neutral). В условия на срив елероните са неизползваеми и нормалното им управление всъщност също спомага развитието на свредела. Ако пилотът се опита да компенсира с тях въртенето по крен, като върти щурвала срещу въртенето, той ще създаде още по-голямо челно съпротивление и по-малка подемна сила на сриващото се полукрило.
  3. Да се постави кормилото за направление в посока обратна на свредела (Rudder to opposite spin). Ако свределът отклонява самолета надясно, кормилото за направление се отклонява наляво и обратно. Което противодейства както на напречното въртене, така и на попътното въртене.
  4. Да се отклони кормилото за височина нагоре (Elevator forward). Това се прави, за да се постигнат отново докритични ъгли на атака, които да позволят управляем полет. Тази стъпка също е против интуицията на пилота, тъй като от негова гледна точка самолетът пада и нормалната му реакция би била да дърпа щурвала към себе си, а не да го бута напред. Но ако го дърпа към себе си (отклонявайки елеватора надолу), той ще задълбочи още повече срива, увеличавайки ъгъла на атака, вместо да го намали.

Използвана литература:

  1. Динамика на полета, Борис Маджаров, 2000, ТУ София
  2. Introduction to the Aerodynamics of Flight. NASA SP-367, Theodore A. Talay, NASA, Washington, D.C., 1975
  3. Hurt, H.H., Aerodynamics for Naval Aviators, Navair 00-80T–80, Naval Air Systems Command, US Government, Washington, USA, 1960

Бележки:

* Това става, чрез попълването на т.нар. “Weight and Balance” бланки, в които се вписват всички товари (вкл. пасажерите) и разстоянието им до масовия център на ненатоварен самолет. След това се изчисляват всички тегловни моменти, сумират се, и пресметнатият резултатен момент се разделя на масата на самолета. Получава се разстояние, което трябва да е в границите на вариация на центъра на тежестта, определени в техническата документация на съответния самолет. Ако не е – необходимо е да се свали товар от самолета, да се разположи на друго място или да се качи балансировъчен товар.


Още за аеродинамиката:

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

Да изпревариш звука…

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Динамика на полета – аеродинамични моменти

0 0 vote
Article Rating
Еmil Petkov

Еmil Petkov

Емил е завършил авиационно инженерство и инженерна физика. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x