3.4. Перегрузки масс, не лежащих в центре тяжести самолета

Если вращение самолета относительно центра тяжести отсутствует и он рассматривается как жесткое тело, то все его части испытывают одинаковые ускорения и одинаковые перегрузки, равные пере­грузкам п_Уо и п_хо в центре тяжести.

При вращении самолета с угловой скоростью ω и ускорением  линейные ускорения в различных его точках будут неодинаковыми. В i – ой точке самолета (рис. 3.6), расположенной на расстоянии х от центра тяжести (ц. т.), добавятся ускорения относительного дви­жения — нормальное j_n= - ω²x и тангенциальное j_τ = x.

Этим ускорениям соответствуют перегрузки

и

Суммарные перегруз­ки i-ой массы при этом равны

(3.9)

Рис. 3.6 Перегрузки при вращении самолета

В общем случае составляющие перегрузки i-ой массы, расположен­ной на оси самолета на удалении х от центра тяжести равно

; ;

где 𝛚_y, 𝛚_z - угловые скорости относительно осей у и z соответственно.

Их размерность с^-1;

- угловые ускорения относительно тех же осей, с^-2;

М_у, М_г, J_y, J_z - моменты поверхностных сил и мас­совые моменты инерции самолета относительно осей у и z соответственно. По длине самолета перегрузки изменяются линейно (см. рис. 3.6).

Пример. Приняв 𝝎_z = 0,25 с^-1 и расстояние массы от центра тяжести само­лета равным х = 5 м, найдем дополнительную перегрузку п_х в точке i:

Дополнительная перегрузка п_у обычно больше.

Например, полагая маневрен­ную нагрузку на оперении p_ман = 3000 кгс, плечо горизонтального оперения L_го= 5 м, момент инерции самолета J_z = 5000 кгсс²м, найдем, что

и

3.5. Предельные перегрузки

3.5.1. Предельная (располагаемая) продольная перегрузка

Предельная (располагаемая) продольная перегрузка определяется максимально возможным значением избыточной тяги или сопротивления:

(3.10)

Перегрузка может быть как положительной, так и отрицатель­ной. Положительная перегрузка n_xпред, определяется тяговооруженностью. Для современных самолетов с турбореактивными дви­гателями она обычно не превышает 0,7—0,8.

Отрицательная перегрузка n_xпред, определятся сопротивлением, также может достигать значений, близких к единице, например при одновременном открытии тормозных щитков и дросселирова­нии двигателей в полете или при посадке на мягкий грунт с лобо­вым ударом.

3.5.2. Предельная поперечная перегрузка

n_упред определяется мак­симально возможным значением подъемной силы и весом самолета:

. (3.11)

Здесь с_утах - максимальное значение коэффициента подъемной си­лы;

p_н - давление воздуха на высоте Н;

М - число Маха;

s - площадь крыла.

В горизонтальном полете при скоростном напоре q вес самолета

,

где с_у.гп - коэффициент подъемной силы в горизонтальном полете. Подставляя значение G в выражение (3.11), получим

(3.12)

Величина с_уmах при дозвуковых скоростях полета ограничи­вается появлением срыва потока на верхней поверхности крыла. На больших сверхзвуковых скоростях полета максимально дости­гаемые значения с_у определяются возможностью балансировки при полностью отклоненном стабилизаторе (рис. 3.7).

Величина с_у.гп увеличивается с ростом высоты и уменьшается с ростом скорости.

На малых высотах теоретически могут быть получены очень большие перегрузки. В эксплуатации такие перегрузки не достигаются так как максимальные скорости полета и максимальные углы атаки не могут быть достиг-

Рис. 3.7 Зависимость C_y от M нуты одновременно. На большие углы атаки самолет выходит не мгновенно. Поэтому, ког­да достигается максимум с_у, скорость полета несколько умень­шается.

Наибольшая перегрузка, которая может быть реализована на са­молете, называется располагаемой перегрузкой. С высотой она уменьшается, а с увеличением числа М полета возрастает (рис. 3.8).

Однако при больших скоростях полета по числу М располагаемая перегрузка изменяется незначительно, что объясняется характером изменения с_у при М>1 (рис. 3.7).

На дозвуковых скоростях полета выход са­молета на большие углы атаки часто сопровождается появлением предупредительной тряски.

Коэффициент подъемной силы,

Рис. 3.8 Располагаемые перегрузки соответ­ствующий началу предупредительной тряски, обозначают с_унач._тр. Превышать с_унач._тр в эксплуатации без особой надобности не ре­комендуется. тряска, как правило, появляется задолго до срыва потока с крыла. Поэтому выход на углы атаки, соответству­ющие с_унач._тр, не опасен для самолета.

На практике используют понятие допустимого коэффициента подъемной силы с_удоп > с_унач._тр. Значение с_удоп устанавливают обычно равным (0,8 - 0,85)с_утаx или определяют по началу отклонения кривой с_у по  от линейного за­кона. Конкретная величина с_удоп зависит от аэродинамической ком­поновки самолета и крыла. По условиям безопасности полета пре­вышать величину с_удоп в эксплуатации не разрешается. Поэтому располагаемая перегрузка определяется не по с_утах, а по значению с_удоп.

Значения с_унач._тр и с_удоп показаны на рис. 3.7, а соответствующие значения располагаемых перегрузок — на рис. 3.8 (ограничение по тряске дано только для высоты 10 км).

Величина п_урасп является одним из важнейших показателей маневренности самолета. Для улучшения маневренности желательно увеличивать располагаемые перегрузки во всем диапазоне высот и скоростей полета. На малых высотах значения располагаемых перегрузок могут получаться весьма большими и их приходится ограничивать исходя из тре­бований прочности.

Нормируя допустимые перегрузки, учитывают также физиологические возможности че­ловека.

Вес тела, покоящего­ся на земле, называют нормальным весом. В остальных слу­чаях вес отличается от нормального, причем в некоторых условиях это отличие может быть весьма существенным. В зависимости от ускорения тела его вес может быть больше нормального (положи­тельная перегрузка), обращаться в нуль (невесомость) и принимать отрицательные значения (отрицательная перегрузка).

В установившемся горизонтальном полете со сравнительно не­большой скоростью (М < 6…7) п_у = 1. В криволинейном полете поверхностные и массовые силы само­лета, а также реакции опор и массовые силы человека, находящегося в самолете, изменяются. При этом дополнительные деформации и напряжения, возникающие в теле человека, ощущаются им как увеличение или уменьшение веса в зависимости от направления дополнительного ускорения. В этом случае перегрузка п_у  1.

Большие положительные или отрицательные пе­регрузки вызывают у человека болезненные явления. Помимо механического воздействия они приводят к нарушению нормального кровообращения — приливам крови к голове и отливам, что тяже­ло переносится человеком.

Предельные пе­регрузки для человека в зависимости от направления и времени их действия показаны на рис. 3.9.

В данном случае принято, что поло­жительное направление перегрузки совпадает с направлением инер­ционных сил.

Перегрузки в направлении «грудь - спина», «спи­на - грудь» переносятся легче, чем в направлении «голова - таз» и особенно — в направлении «таз - голова».

Рис. 3.9. Предельные пе­регрузки для человека

Перегрузка в на­правлении «голова - таз» (поло­жительная перегрузка), равная 8, не вызывает существенных нару­шений жизнедеятельности челове­ка, если она действует не более 3 с. Перегрузка равная 5...6 допустима при продол­жительности действия до 10…15 с.

Допустимая кратковременная перегрузка в направлении «таз — голова» (отрицательная перегруз­ка) равна 3…4 при длительности действия до 3 с. При положитель­ной перегрузке n= 3…4 и отрицательной до -1 тренированный летчик сохраняет работоспособность в течение длительного времени. Фи­зиологическая переносимость перегрузок человеком может быть повышена на 20—30% применением специальных противоперегрузочных костюмов.

В ОПРОСЫ

1. Какие силы действуют на самолет в полете?

2. В чем заключается прин­цип Д'Аламбера?

3. Какие силы относятся к поверхностным силам?

4. Какие силы относятся к массовым силам?

5. Какие силы необходимо приложить к самолету для соблюдения прин­ципа Д'Аламбера?

6. Дайте определение коэффициента перегрузки.

7. Что показывает перегрузка?

8. Проанализируйте выражение для определения полной перегрузки

9. Какие параметры входят в уравнения движения самолета?

10. Проанализируйте формулы для определения тангенциальной и нор­мальной перегрузок, выраженных через поверхностные силы.

11. Проанализируйте формулы для определения тангенциальной и нор­мальной перегрузок, выраженных через массовые силы.

12. Как определяются знаки при расчете перегрузки при выполнении манера в вертикальной плоскости?

13. Чему равна перегрузка в установившемся горизонтальном полете?

14. Чему равна перегрузка в криволинейном полете в горизонтальной плоскости?

15. Как определяют перегрузки масс, не лежащих в центре тяжести самолета

16. Как определяются предельные перегрузки?