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

Боковая устойчивость

Несколько слов о других движениях — боковом скольжении, крене и рыскании — по порядку. Эти движения взаимосвязаны между собой. Например, если самолету, первоначально находящемуся в установившемся, прямом полете, задать движение рыскания так, чтобы левое крыло двигалось вперед, а правое крыло — назад, то относительная скорость воздуха увеличивается на левом крыле и уменьшаете правом. Это приводит к увеличению подъемной силы на левом крыле и уменьшению подъемной силы на правом, создавая таким образом момент крена самолета. С другой стороны, если самолету задать движение крена, то будет создан момент рыскания, который стремится перемещать опускающееся крыло вперед. В этом отношении движения крена и рыскания связаны между собой. Между движениями существуют также другие виды взаимодействия, так что их следует рассмотреть вместе под термином боковая устойчивость.

Рис. 63. Создание боковой силы на самолет при крене.

Вертикальное оперение обеспечивает статическую устойчивость в рыскании, также называемую путевой устойчивостью. Без наличия такой поверхности где-либо, или на крыле или в хвостовой части, очень трудно получить достаточную путевую устойчивость. В крене не существует статической устойчивости, потому что здесь нет момента крена,

чтобы выпрямить кренящийся самолет. Дело в том, что горизонтальная составляющая наклонной подъемной силы представляет боковую силу, так что самолет испытывает боковое скольжение (рис. 63). Это взаимодействие бокового скольжения и крена дает возможность достичь динамической устойчивости в крене. Она достигается приданием двум половинам крыла плоской формы называемой поперечный диэдр. Поперечный диэдр и создает момент крена, который стремится восстановить самолет в его нормальном положении полета. Это явление было известно первым исследователям, например сэру Джорджу Кейли. Функцию поперечного диэдра можно объяснить следующим образом. Рассмотрим для простоты крыло прямоугольной формы без стреловидности. На рис. 64 А — точка на передней кромке правого крыла, АВ и ВС — составляющие скорости соответственно в направлениях х и у, а плоскость ADE является плоскостью хорды правого крыла. Если нет бокового скольжения, то С совпадает с В, и угол DAB является углом атаки. При наличии бокового скольжения ВС угол атаки представлен углом ЕАС, который больше первоначального угла DAB. Противоположное справедливо для точек на левом крыле. Поэтому крыло приобретает большую подъемную силу со стороны, по направлению к которой оно скользит, и теряет подъемную силу с противоположной стороны, создавая таким образом момент крена для восстановления крыла в исходном положении. Подобный же эффект возникает вследствие стреловидности крыла, но момент крена, возникающий вследствие стреловидности, пропорционален не только стреловидности, но также углу атаки, тогда как момент крена, возникающий из-за поперечного диэдра, пропорционален двугранному углу и не зависим от угла атаки.

Итак, боковая устойчивость самолета достигается компромиссом между требованиями статической путевой устойчивости благодаря вертикальному оперению и динамической устойчивости благодаря поперечному диэдру. Если поперечное влияние слишком сильное, то самолет во время виража слишком кренится назад, так что он скользит на крыло в другом направлении и снова переходит за положение балансировки, таким образом испытывая движение, названное «голландским шагом». (Возможно название произошло из-за сходства с конькобежным шагом, который иногда демонстрировали голландцы.) Этот тип движения не является действительной неустойчивостью, но неприятен и нежелателен. Такое движение действительно пагубно для военных

Рис. 64. Объяснение функции поперечного диэдра, если происходит боковое скольжение. Угол 6 — двугранный угол.

самолетов, когда необходима точная стрельба. Конструктору самолета обычно стыдно, если его самолет танцует таким образом. Другая крайность, которая встречается, если ненормально увеличена путевая устойчивость, действительная неустойчивость. Например, если самолет получает малое первоначальное рыскание вправо, то за ним следует крен вправо. Этот крен вызывает дополнительное рыскание, за которым следует еще крен, и процесс продолжается. Движение начинается как мягкая спираль, которая, будучи предоставлена сама себе, становится все круче и круче. По этой причине движение называется спиральной неустойчивостью. К сожалению, движение развивается так постепенно, что летчик часто не осознает, что его самолет отклоняется от прямого полета. В воздухе довольно трудно узнать, является ли траектория полета прямой или это окружности с большим радиусом, без обращения к земле или к какому-либо другому постоянному направлению, которое может быть задано звездами или гироскопическим прибором; увеличение результирующей силы тяжести из-за центробежной силы в случае полета в большой окружности так мало, что летчик не может ее почувствовать. Многие самолеты обладают определенной степенью спиральной неустойчивости. Если неустойчивость достаточно слабая, то обычно ее исправляет летчик; следует избегать только чрезмерной неустойчивости. Теоретически говоря, большинство самолетов не являются полностью динамически устойчивыми. Другими словами, ими нельзя бесконечно управлять в «автоматическом режиме».

Для того чтобы быть точнее в утверждениях об устойчивости самолета, необходимо ввести две стороны этой темы, ранее не упоминавшиеся. Во-первых, влияние начального возмущения в основном зависит от того, отклоняются или нет поверхности управления во время последующего движения. Очевидно, что следует предположить две крайние возможности, а именно, органы управления постоянно находятся в исходном положении и они полностью свободны для движения на своих петлях. Первое предположение очень близко соответствует примеру самолета с поверхностями управления, имеющими силовой привод, которые обычно необратимы в том смысле, что аэродинамические силы не могут заставить их отклониться против механизма управления. Второй ограничивающий случай — органы управления свободны — является отчасти идеализированным представлением самолета с ручным режимом управления, когда пилот позволяет самолету лететь в «автоматическом режиме». Степень устойчивости этих крайних примеров может быть различной, настолько, что, очевидно, желаемые цели по устойчивости как при постоянных, так и при свободных органах управления иногда могут быть очень трудно достижимыми.

Вторая сторона проблемы устойчивости, которая ранее не рассматривалась, — это влияние двигательной установки. Необходимо рассмотреть устойчивость как с работающим двигателем, так и с неработающим двигателем. Разница возникает в основном благодаря двум факторам: один из них — непосредственное влияние тяги на равновесие и движение самолета; второй — изменение аэродинамических сил, действующих на крыло и хвостовое оперение вследствие течения, вызванного двигательной установкой. Последний фактор, как правило, более значим в самолетах, приводимых в движение воздушными винтами, по сравнению с самолетами с реактивными двигателями; он называется влиянием спутной струи от воздушного винта. Даже в реактивных самолетах большинство конструкторов размещают хвостовые поверхности довольно высоко над реактивной струей, чтобы избежать взаимных вредных воздействий.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление