Главная > Разное > Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава V. Устойчивость и аэроупругость

Важнейшими задачами при осуществлении полета человека явились создание легкого двигателя для сообщения движения вперед и эффективных поверхностей крыльев для поддержания, а также обеспечение установившегося полета или устойчивости самолета. В этой главе мы рассмотрим последнюю из указанных задач. Прежде чем мы перейдем к этой теме, желательно, по-видимому, пояснить, что мы имеем в виду под словом устойчивость. Что касается летательного аппарата, то нас интересует устойчивость движения, но для лучшего понимания этого понятия, начнем с обсуждения устойчивости равновесия.

Статическая устойчивость

Рассмотрим простой пример твердого тела, подвешенного в окрестности точки выше его центра тяжести подобно маятнику. Если мы отклоним тело на небольшой угол, то момент силы тяжести стремится восстановить его в первоначальном положении. Мы говорим, что равновесие устойчиво. С другой стороны, ясно, что маятник все же находится в состоянии равновесия, если он опрокинут, то есть его центр тяжести находится непосредственно над точкой подвеса. Однако в этом случае равновесие неустойчиво, поскольку результирующий момент от малого отклонения стремится увеличить это отклонение от первоначального положения.

Устойчивость равновесия корабля, плывущего по воде, является важным условием, которое обязательно должно быть выполнено. Мы знаем, что корабль находится в равновесии, если равнодействующая подъемной силы благодаря плавучести проходит через центр тяжести. Если мы отклоним корабль, как показано на рис. 60, то подъемная сила проходит через центр тяжести вытесненной воды в то время как сила тяжести проходит через центр тяжести корабля G. Эти две силы создают момент, который стремится восстановить корабль в первоначальном

Рис. 60. Поперечное сечение отклоненного корабля.

положении равновесия, при условии, что центр тяжести G расположен ниже точки М, где вертикальная линия через точку В пересекает осевую линию корабля. Точка пересечения М называется метацентром. Если центр тяжести находится выше метацентра, то равновесие неустойчиво, а результирующий момент от отклонения стремится увеличить угол наклона до тех пор, пока корабль не опрокинется.

К устойчивости полета исследователи сначала применили того же рода соображения. В те времена реально выполняли расчеты полетов, основываясь только на аэростатике, например, полетов на воздушном шаре; таким образом, первые исследователи не осознавали различия между устойчивостью равновесия и устойчивостью движения. Например, мы находим, как один из энтузиастов полетов предположил в частично научной статье, что устойчивость летящей птицы зависит от формы ее брюшка, во всяком случае ее центр тяжести расположен ниже геометрического метацентра тела. Однако другие исследователи при изучении устойчивости исходили из более разумных принципов: они рассматривали самолет в установившемся полете как систему, на которую действуют сила тяжести и подъемная сила. Сила тяжести действует на центр тяжести самолета, в то время как подъемная сила, созданная плоской поверхностью крыла, действует вблизи точки, расположенной на расстоянии четверти хорды назад от передней кромки.

Очевидное условие равновесия в установившемся полете состоит в том, что моменты подъемных сил, действующих на крыло и хвост, взятые вблизи центра тяжести самолета, должны уравновешиваться, причем большая сила, создаваемая крылом, уравновешена меньшей силой, создаваемой хвостовой частью, которая имеет большее плечо пары сил. Это является условием равновесного положения. Однако для достижения устойчивости равновесия требуется второе условие, а именно: если равновесие нарушается, то результирующий момент от подъемной силы, действующей на крыло и хвост, должен быть такой, что он стремится восстановить самолет в исходном положении. Если это условие выполняется, то мы говорим, что самолет статически устойчив. Пено первым (1871) осознал значение хвостовой части в обеспечении статической устойчивости [1]. В частности, он установил, что стабилизирующий момент может быть создан, если крыло и хвост образуют так называемый продольный диэдр таким образом, что хвост установлен под углом атаки меньшем, чем угол атаки крыла. Он продемонстрировал свой вывод на примере небольшой модели, снабженной винтом, приводимым в движение резиновыми валиками (рис. 12, стр. 32).

Если поверхность крыла не плоская, а кривая, то задача до некоторой степени усложняется, потому что подъемная сила, как указывалось ранее, имеет две составляющие: одна создается кривизной, другая — углом атаки. Если крыло чечевицеобразного профиля, то первая составляющая действует в средней точке хорды, тогда как вторая составляющая действует в точке передней четверти хорды. Следовательно, точка действия общей подъемной силы, действующей на само крыло, перемещается по мере изменения угла атаки; при нулевом угле атаки она находится в центре хорды; по мере увеличения угла атаки она перемещается вперед. Это явление было известно уже первым исследователям. Им нравилось выражать условие устойчивости в виде, знакомом кораблестроителям как обобщение понятия метацентра.

Для поддержания статической устойчивости самолета, хвостовое оперение не является абсолютно необходимым условием. Идея бесхвостого самолета привлекательна, поскольку хвост означает дополнительный вес и сопротивление. Первая конструкция бесхвостого самолета относится к 1910 году, когда в Англии Дж. У. Данн предложил и построил один из таких самолетов. Недавно выдающийся американский конструктор самолетов Джон К.Нортроп заинтересовался созданием больших самолетов с бесхвостой конструкцией, которые он назвал

"летающие крылья». Мы с У. Р. Сирсом помогли ему в изучении аэродинамических требований устойчивости без использования хвостовой части. По-видимому, крылу следует придать значительную степень стреловидности и скрученности, так чтобы угол атаки на концах был меньше, чем ближе к центру. Концы закрученного крыла более или менее служат заменой хвоста. Это применение стреловидности для обеспечения статической устойчивости крыла совершенно отличается от ее использования для задержки околозвуковых трудностей, описанных в главе IV.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление