Значения и время действия перегрузок

Случаи, в которых встречаются перегрузки	Наибольшее значение	Порядок времени действия, с
Выход из пикирования Вход в пикирование Одинарная неуправляемая («штопорная») бочка Штопор Полет в болтанку Посадка, пробег, разбег гидросамолета на воду Раскрытие парашюта с изменением скорости от 60 до 5 м/с Катапультирование пилота	8–9 (до 11) –4 3 1,5–2 4 3–7 5 16	1 1 Несколько секунд То же 0,1 0,1 0,5 0,1

Для авиационных конструкций в большинстве случаев их прочность и жесткость определяется величиной силы Y = n_уG или при определенном значении G – величиной п_у, имеющей из всех составляющих перегрузок наибольшее значение. Поэтому часто, говоря о перегрузке, подразумевают перегрузку п_у, а индекс “у” просто опускают.

Связь перегрузок с ускорениями можно выявить, разделив числитель и знаменатель выражения (9.2) на массу самолета m:

Отсюда перегрузка может быть определена как отношение ускорения j, вызванного равнодействующей поверхностных сил, к ускорению силы тяжести g.

Из уравнений (9.5) следует связь составляющих перегрузок п_х и п_у с тангенциальным и нормальным ускорениями:

. (9.7)

Рассмотрим перегрузки в различных условиях полета.

Установившийся прямолинейный полет в горизонтальной плоскости. При прямолинейном горизонтальном полете с постоянной скоростью (рис. 9.2) на самолет действуют следующие силы: вес самолета G, подъемная сила Y, лобовое сопротивление Х и тяга Т (рис. 9.2, а). Из условий установившегося полета с V = const, получим Т = X; из условий горизонтального полета Y = G; из условий прямолинейного полета Z = 0. Тогда из уравнений (9.6) получим:

.

Криволинейный полет в горизонтальной плоскости. Криволинейный полет в горизонтальной плоскости без снижения (H = const), без скольжения (Z = 0), с постоянной скоростью (Т = X), называется правильным виражом (рис. 9.2, б).

Т

а б

Рис. 9.2. Силы, действующие на самолет [1]:

а – в горизонтальном установившемся полете;

б – при выполнении виража в горизонтальной плоскости

Криволинейный полет в горизонтальной плоскости достигается за счет крена, а искривление траектории – за счет горизонтальной составляющей Y sin  подъемной силы Y. При правильном вираже перегрузки n_z и n_x будут равны. Из условия Y sin  = G и n_y = Y/G получим

n_y = 1/cos . (9.8)

Центробежная сила на вираже уравновешивается составляющей Y sin . Тогда выражая sin  через cos , перегрузку n_у через выражение (9.6), можно получить:

(9.9)

Очевидно, чем больше перегрузка n_у на вираже, тем меньше при V = const значение R_вир и тем выше значение угловой скорости разворота , т. е. выше характеристики маневренности самолета. Однако с увеличением n_у возрастает масса конструкции.

Криволинейный полет в вертикальной плоскости. Рассмотрим самолет, совершающий криволинейное движение по траектории радиусом R (см. рис. 9.1). В этом случае на него действуют те же силы (G, Y, Х, Т), что и в горизонтальном полете, только они не находятся в равновесии, а дают некоторую неуравновешивающую силу, приложенную к самолету. Тогда согласно второму закону Ньютона самолет должен двигаться с ускорением, действующим в направлении этой неуравновешенной силы. В общем случае рассматриваются действия неуравновешенных сил и ускорений в двух направлениях:

– вдоль траектории (по касательной): это тангенциальная сила, дающая увеличение или уменьшение поступательной скорости по траектории;

– перпендикулярную (нормально) к траектории, т. е. по направлению радиуса кривизны траектории: это центростремительная сила, вызывающая искривление траектории [1].

Если силу тяжести G (см. рис. 9.1) разложить по указанным направлениям, то вдоль траектории получим следующие силы: тягу Т, тангенциальную составляющую силы тяжести G_ и силу сопротивления самолета Х. В сумме они дадут тангенциальную силу, ускоряющую или замедляющую движения самолета по траектории. Эта сила по сравнению с другими мала, и в данном случае ею можно пренебречь, так как основное значение имеют силы, перпендикулярные к траекториям движения – подъемная сила Y и силы тяжести G_n = G cos . Из уравнения (9.4) при малых значениях  и  получим:

(9.10)

Очевидно, в нижней точке траектории при  = 0 получается максимальное для данных V и R значение перегрузки:

(9.11)

Максимальные значения перегрузок. Максимальные значения перегрузок n_{y max} теоретически определяются значением :

,

где p = G/S – удельная нагрузка на крыло; с_{уа mах} – максимальное значение коэффициента подъемной силы.

Анализ выражения показывает, что значения возрастают с уменьшением значений Н и р и ростом значений V_max.

При значениях p = 300 кг/м², c_{ya max} = 1 и М = 1 величина n_{у max} может достигнуть 25 [3]. В реальных условиях такой величины достигнуть не удастся, так как переход на с_{уа max} происходит не мгновенно, и за время перехода скорость полета успевает понизиться. Очевидно, что чем быстрее самолет переходит на значение с_{уа mах}, тем большее значение перегрузки может быть достигнуто (для маневренных самолетов надо понижать степень продольной статической устойчивости, инерционность (разнос масс относительно оси z_a), повышать эффективность горизонтального оперения (увеличивать его площадь, углы и скорость отклонения)).

Максимальные значения перегрузок ограничены также физиологическими возможностями летчика. Способность человека переносить ускорения (перегрузки) определяется, в основном, величиной и направлением перегрузки, продолжительностью и частотой ее действия, состоянием организма (табл. 9.2). На рис. 9.3 показаны перегрузки, которые в состоянии переносить человек в течение времени. Повысить выносливость летчика можно изменяя его положение в кабине самолета, применяя противоперегрузочные костюмы. Наибольшие перегрузки человек может переносить в направлении «спина–грудь», поэтому уже есть примеры, когда кресло летчика может быть отклонено от вертикали до 30°, чтобы создать более выгодное с точки зрения восприятия перегрузки положение.

Понятие перегрузки впервые было введено русским советским ученым В. П. Ветчинкиным в 1918г., им же она была впервые и замерена с помощью пружинных весов. Сейчас для тех же целей применяются акселерометры.

Таблица 9.2