 |
| |||
|
|
|
|
|
 Присоединяйся!
|
||
| |||
| |||
|
|
| Тренажер Самоправ |
Авиаконструктор Евгений Маслов |
 |
 |
| Продольная устойчивость самолета применительно к авиамоделям - Самолёты | ||||||
Продольная устойчивость самолета применительно к авиамоделям 
Эта статья содержит в сжатом виде опыт автора по устойчивости и управляемости построенных им реальных самолётов и авиамоделей. Не всю информацию по устойчивости и управляемости самолётов можно почерпнуть в книгах и учебниках. Почти все описания методов оценки устойчивости быстро уходят в глубины дифференциальных уравнений и становятся непонятны простому читателю. В то же время сущность динамических процессов, проходящих при полёте самолёта, весьма проста. Зная суть, Вы без труда сможете спроектировать свой самолёт без навороченных расчетов и довести его до совершенства лётными испытаниями. Управляемая модель самолёта, несмотря на внешнее сходство, отличается от настоящего самолёта, что некоторые вещи весьма упрощает, хотя и слегка усложняет другие. - На настоящем самолёте лётчик имеет полное право бросать штурвал в полёте. При этом аэродинамические рули начинают болтаться вдоль потока, перестают создавать подъёмную силу, и устойчивость самолёта сильно падает. У модели рулевые машинки всегда активны и держат рули, поэтому проблема брошенного штурвала не стоит. - Настоящие самолёты имеют сравнительно малую тягу двигателя по сравнению с моделью. Далеко не каждый настоящий самолёт имеет максимальную тягу больше половины своего веса, тогда как почти у каждой модели тяга больше веса. Из-за этого влияние работы силовой установки на устойчивость у модели существенно больше. - Моменты инерции у моделей во много раз меньше. Это ускоряет раскачку самолёта, требуя повышенного внимания, и иногда требует более передней центровки. - У радиопилота обычно нет аэродинамических приборов, поэтому ему сложнее следить за скоростью. - Модель предоставляет во много раз больше свободы для эксперимента. Цена недели работы по ремонту, или даже цена всей модели, неизмеримо меньше цены жизни пилота, если конструктор вдруг ошибается с центром тяжести или размером хвоста. КЛАССИФИКАЦИЯ УСТОЙЧИВОСТИ Самолёт может быть устойчив или неустойчив в своём продольном движении (вверх-вниз) или в боковом движении (вправо-влево). Эти движения легко отделить друг от друга и рассматривать отдельно. Кроме положения центра тяжести (центровки), на продольную устойчивость самолёта влияет в основном его вид сверху, а на боковую – вид сбоку и поперечное V крыла. Эта статья касается продольной устойчивости и поперечную пока не затрагивает. В свою очередь продольную устойчивость делят на устойчивость по перегрузке и скорости, об этом смотрите чуть ниже. УСТОЙЧИВОСТЬ ПО ПЕРЕГРУЗКЕ См. п.1 на картинке. Если самолёт устойчив по перегрузке, после ветикального возмущения - порыва ветра или случайного рывка ручки управления - он быстро возвращается к тому же режиму полёта, который был перед порывом. Простейший пример – стрела, пущенная из лука. Благодаря большому хвосту и большой массе в носу она всегда летит по прямой. Неустойчивый самолёт после случайного возмущения будет и дальше увеличивать это случайное отклонение. Пустите стрелу задом наперёд – и увидите простейший красноречивый пример. Большая поверхность впереди и центр тяжести сзади вызывают неуправляемые вращения. Рулить неустойчивым самолётом трудно, а в тяжёлых случаях невозможно. При известном положении центра тяжести, чтобы сделать самолёт устойчивым по перегрузке, достаточно сделать ему большое горизонтальное оперение (ГО). Онако не все это любят, поскольку не всегда есть резон таскать на хвосте бесполезную поверхность. Кроме этого, большой хвост порой выглядит неуклюже и мешает выполнять некоторые фигуры высшего пилотажа. Расчет для классической схемы (стабилизатор сзади) приблизительно такой: Если пустить в полёт вперёд одно крыло само по себе, без фюзеляжа, хвоста и всего остального, расположив центр его тяжести где-то на 1/5 хорды от передней кромки, оно полетит вполне устойчиво. Если начать понемногу смещать центр тяжести назад, то устойчивость потеряется где-то при 1/4 от хорды. Эту точку называют фокусом крыла. Теперь, если к крылу добавлять хвост при том же положении центра тяжести, устойчивость будет снова увеличиваться. От этой точки на четверти хорды и начинают считать нижеприведенную формулу Ago= (Sgo/S kr)*(Lgo/B)=0.1…0.8 Ago – так называемый статический момент горизонтального оперения. Его вывели аэродинамики в попытках обобщить формулу. Из этой формулы немало исключений и особых случаев, но в общем виде пользоваться можно. Здесь: - Lgo – плечо горизонтального оперения, от четверти хорды крыла до четверти хорды ГО - Skr, Sgo – площади крыла и ГО соответственно - B – хорда крыла. Размер ГО в основном диктуется разбегом возможных центровок самолёта (расстоянием между предельно передней и предельно задней центровками при различных вариантах загрузки самолёта), а также максимальными возмущениями, которые самолёт может встретить в полёте. Обычно рекомендуются следующие величины Ago. - 0.1...0.2 – довольно маленький хвостик, больше пригоден для планеров без закрылков. Если у Вас впереди тянущий винт большой мощности или центр тяжести может ползать вперед-назад (разные аккумуляторы, например), то лучше всё же прибавить площади или длины хвостовой балки. - 0.2...0.4 – более-менее приемлемый хвост для большинства моделей. - 0.4...0.6 – большой стабилизатор для особых условий: он может пригодиться, если модель сбрасывает в воздухе что-то такое, что сильно смещает её центр тяжести, или если у неё есть мощные закрылки. - 0.6 и больше – очень большой хвост. Такого размера могут потребоватть, например, самолеты с поплавками. Особые поправки к устойчивости по перегрузке: 1. На эффективность оперения и, следовательно, его размер, влияют некоторые конструктивные факторы всего самолёта: - прямо за крылом поток воздуха заторможен, это уменьшает силы, действующие на оперение. - за крылом, а также в некоторой зоне выше и ниже, поток скошен не в пользу оперения, тоже уменьшая его эффективность. - С точки зрения скоса и торможения самая невыгодная зона для стабилизатора - чуть ниже крыла. Самая выгодная – на киле. Если стабилизатор вынесен вверх на киль (Т-образное оперение), его площадь можно уменьшить на 15-30 процентов, поскольку он находится вне зоны торможения и почти вне зоны скоса потока. 2. У длинохвостых самолетов величину статического момента можно делать поменьше. Они более устойчивы, поскольку торможение потока в районе хвоста за крылом меньше, и скос потока меньше. Кроме этого, при продольных колебаниях хвост сильнее «машет» вверх-вниз, что увеличивает демпфирование, и модель становится более спокойной. Обычно увеличение длины хвоста вдвое позволяет уменьшить площадь хвоста втрое без заметной потери устойчивости. 3. У бесхвостки или летающего крыла хвоста вообще нет. Можно размещать центр тяжести спереди на 20% хорды крыла. 4. У самолёта с широким фюзеляжем лучше размер горизонтального оперения взять с некоторым запасом. Широкий нос дестабилизирует самолёт. 5. Воздушный винт может уменьшить устойчивость по перегрузке. При косой обдувке он создаёт тягу не только вперёд, но и довольно сильно в ту же сторону, куда отклонилась его ось. Если винт стоит в носу, это ухудшает устойчивость на полном газу. УСТОЙЧИВОСТЬ ПО СКОРОСТИ См.п.2 на картинке. Устойчивость по скорости - способность самолета автоматически возвращаться к первоначальной скорости после горизонтальных возмущений (например, порыва ветра навстречу). Устойчивость по скорости у самолёта без мотора точно такая же, как устойчивость по перегрузке. Планер, устойчивый по перегрузке, будет всегда устойчив и по скорости. Разница начинается, когда на самолёт ставится мотор, и связана она с тем, что тяга мотора с изменением скорости полёта изменяется по совсем иным законам, чем аэродинамические силы на крыле и стабилизаторе. Неустойчивость по скорости может выражаться в следующем: - на очень малых скоростях устойчивость по скорости теряется, так как крыло выходит на срывные режимы, и сопротивление самолета при снижении скорости растет быстрее, чем тяга двигателя. Это так называемый 2-й режим, и если пилот зазевается и не прибавит газу или не даст ручку от себя, то получит штопор. - У высокопланов типа Цессны-172, особенно с поршневым двигателем с винтом фиксированного шага, временное уменьшение скорости вызывает повышение тяги, а поскольку мотор внизу, это вызывает кабрирующий момент, самолет задирает нос и ещё сильнее тормозится. - если ГО находится в обдувке винтом и за крылом, то похожий эффект есть даже у низкопланов, но по другой цепочке: ниже скорость - больше тяга и скос потока за крылом - сильнее скошенный обдув ГО - кабрирующий момент - ещё большее торможение. 2-й и 3-й случаи можно вылечить отрицательным выкосом мотора. Для этого мотор нужно наклонить на один-два градуса вниз. Самолёт перестанет задирать нос, так как мотор сам собой создаст дополнительную силу вниз, и проблема разрешится. В некоторых случаях, например, если самолёт-высокоплан выпускает закрылки, которые обдувает винт, двух градусов может не хватить. Тогда поможет дополнительный миксер с газа на руль высоты, если он есть на Вашем передатчике: сделайте так, чтобы при даче газа руль высоты немного опускался, создавал дополнительное пикирование, и самолёт не задирал нос. Выкос вниз нужен только самолётам с тянущим винтом, расположенным сравнительно низко. Самолёты с толкающим винтом и высокопланы, у которых моторы стоят высоко над крылом, в выкосе обычно не нуждаются. Как бы то ни было, изменение скорости - более медленный процесс, чем изменение перегрузки, и самолетами, неустойчивыми по скорости, хотя и неприятно, все же управлять легче, чем неустойчивыми по перегрузке: просто надо не зевать и вовремя поддавать газу или пикировать, чтоб не потерять скорость. Ещё один способ сделать самолёт устойчивым по скорости – дополнительно загрузить нос. Получив дополнительную устойчивость по перегрузке, самолёт станет устойчивым и по скорости. СИМПТОМЫ РАЗНОЙ ЦЕНТРОВКИ 1. Передняя центровка: самолёт плохо реагирует на движения ручки вверх-вниз, всё время разгоняется, и его приходится подтягивать ручкой на себя. Оттриммировав самолёт в горизонтальный полёт, Вы видите, что руль высоты сильно отклонен вверх. На малой скорости клюёт носом. Передняя центровка самолёта обычно не так страшна, как задняя. Но: - Вам придётся сажать самолёт на большой скорости, так как при малой самолёт будет клевать носом. - Вы не сможете выполнть резкие фигуры пилотажа. - Возможно, что мощность мотора потребуется больше, так как летать придётся быстрее. При облёте новых самолётов лучше начинать с передней центровки и постепенно смещать её назад. 2. Нормальная центровка: самолёт для Вас более-менее комфортен, не требует большого напряжения при управлении и особых хитростей при посадке. Оттриммированный в горизонтальный полёт, при перевернутом слегка опускает нос, требуя небольшого отклонения рулей от себя для поддержания полёта. 3. Нейтральная центровка: если порыв ветра отклоняет самолёт вверх, тот продолжает лететь в отклоненном направлении, и возвращать направление приходится вручную. В перевернутом полёте самолёт летит точно так же, как в прямом, не имея тенденции отклоняться ни вверх ни вниз. Реакция на рули довольно резкая. При даче полного газа на малой скорости (напримр, при взлёте) самолёт может стать неустойчивым. Опытные пилоты вполне справляются с управлением, но новички - далеко не всегда. 4. Лёгкая степень задней центровки: самолёт слишком активно реагирует на движения ручки вверх-вниз, весьма напрягая Вас с управлением. К тому же он всё время опускает хвост и теряет скорость, Вам постоянно приходится поддавать руль высоты на пикирование. Когда Вы всё-таки триммерами смогли более-менее приподнять хвост, руль высоты оказывается заметно опущен вниз. Если загоните оттримированный таким образом самолёт повыше и переведёте в перевёрнутый полёт, нос самолёта начнёт самопроизвольно подниматься. Грузите нос. 5. Тяжёлая степень задней центровки: при взлёте самолёт резко взмывает вверх, Вы пытаетесь его выровнять и даёте вниз, самолёт в ответ резко идёт вниз. Обычно после этого модель втыкается в землю и грузить нос уже поздно. Если Вы оказались в такой ситуации, как можно быстрее постарайтесь сбросить газ и выключить двигатель. Это чуть увеличит устойчивость и уменьшит степень повреждения конструкции при ударе. ГДЕ РАЗМЕСТИТЬ ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ НА ГОТОВОМ САМОЛЁТЕ Не всегда есть необходимость и возможность рассчитывать и изменять размер ГО. Например, Вы можете строить модель-копию, у которой размер хвоста уже строго определён. Но и в этом случае Вы сможете добиться приемлемой устойчивости, правильно расположив в самолёте грузы и добившись положения центра тяжести в удачном месте. Расчет несложен. Сначала надо вычислить нейтральную точку (ещё её называю фокусом всего самолёта). Если бы центр тяжести оказался в ней, то самолёт будет как раз между устойчивым и нейстойчивым состоянием. После этого отмерить некоторое расстояние вперёд от неё (3-10 процентов хорды крвла) и попасть центром тяжести туда. Итак: У чистого крыла нейтральная точка расположена на 25% хорды позади передней кромки. Если фюзеляж торчит вперёд, он смещает нейтральную точку вперёд на 3% хорды. (Плоский вертикальный фюзеляж не в счёт) Если есть сильно торчащие вперёд мотогондолы на крыльях, то они сместят нейтральную точку вперёд на 2% каждая. Каждый тянущий винт впереди крыла на полном газу смещает нейтральную точку ещё вперёд на 2 % Если винт в носу и внизу, как у Цессны-172, сместите нейтральную точку ещё вперёд на 2%, чтобы улучшить устойчивость по скорости. Вот и всё, что могло сместить нейтральную точку вперёд. Теперь можно сосчитать, насколько сместит эту точку назад ГО. Вычислите статический момент Ago (см.выше), померив реальную геометрию самолёта. Умножьте этот Ago на 0.4, если ГО прямо за крылом, или на 0.5, если ГО вынесено вверх на киле. Это нужно, так как ГО всегда находится в заторможенном и скошенном потоке и не может выполнять свой функции на 100%. Вот это уменьшенное Ago в виде доли хорды отложите назад от последней полученной нейтральной точки. Например, если вышло 0.35, то отложите назад 35% хорды крыла. Вы получили нейтральную точку (или фокус) всего самолёта. Теперь отложите 3-10% хорды вперёд – это будет запас устойчивости. Там и должен быть центр тяжести. Если Вы уже опытны в пилотировании и делаете фан или самолёт для экстремального 3D пилотажа, запас устойчивости будет нужен меньше 3%, возможно вообще ноль. Однако из осторожности для первых полётов всё же сместите центр тяжести вперёд. |
||||||
|
||||||
| Автор: | Евгений Маслов | |||||
| Раздел: | Самолёты | |||||
| Опубл.: | 2008-02-07 16:23:18 | |||||
| Изм.: | 2008-04-11 16:47:16 | |||||
|
Чья картинка: |
Своя | |||||
| Стат.: | посещений: 19681, посетителей: 11764, ответов: 0, голосов: +6 | |||||
|
||||||
|
||||||
Обсуждение этой темы:
| Темы |
