7. Продольное равновесие, устойчивость и управляемость самолета da 40ng. Расчет центровки
7.1. Продольное равновесие самолета
Продольным равновесием называется такое состояние самолета, при котором его центр масс движется прямолинейно и равномерно, и самолет не вращается вокруг поперечной оси (то есть суммарный момент тангажа равнется нулю).
Для обеспечения продольного равновесия (рис. 7.1) необходимо, чтобы пикирующий момент тангажа (как правило от крыла) был равен кабрирующему моменту тангажа (как правило от горизонтального оперения).
Рис. 7.1. Продольное равновесие самолета
В полете изменяются величины действующих сил, точки их приложения, а также расположение центра масс самолета. Это может вызвать изменение не только величины, но и направления моментов относительно поперечной оси, в результате чего нарушится продольное равновесие. Например, продольное равновесие может быть нарушено при изменении режима работы двигателя, центровки, конфигурации самолета, положения руля высоты, а также при воздействии порыва ветра.
7.2. Продольная устойчивость самолета по перегрузке (углу атаки)
Продольной устойчивостью самолета называется способность самолета (без вмешательства пилота) восстанавливать нарушенное продольное равновесие.
Сущность продольной устойчивости самолета удобно рассматривать, используя понятия о фокусе крыла и фокусе самолета.
Фокусом крыла называется точка, относительно которой момент крыла при изменении угла атаки не изменяется. На рис. 7.2 а и б показано, что можно подобрать такую точку F, относительно которой величина аэродинамической силы изменяется обратно пропорционально плечу, тогда момент относительно этой точки не будет изменяться при изменении угла атаки: Mz1 = Mz2 =…= const.
Можно фокус крыла определить иначе – как точку, где прикладывается прирост подъемной силы, вызванный изменением угла атаки (рис. 7.2, в): Y2 = Y1 + Y.
а б в
Рис. 7.2. Фокус крыла
Фокусом самолета называется точка приложения равнодействующей приращения подъемной силы крыла и горизонтального оперения при изменении угла атаки.
Горизонтальное оперение, как и крыло, имеет свой фокус. Поэтому при изменении угла атаки в полете возникает прирост подъемной силы (±Y) горизонтального оперения. Но так как площадь горизонтального оперения меньше, то и приращение подъемной силы невелико. Как правило, точка приложения равнодействующей приращения подъемной силы горизонтального оперения должна находиться на 30–35% от начала САХ, иначе самолет не будет устойчив. Все части самолета (крыло, фюзеляж, оперение, гондолы двигателя) имеют свой фокус, и при попадании в восходящий порыв Wу на них возникают приросты подъемных сил. Равнодействующая этих дополнительных сил (Yкр, YГО, Yф) приложена на расстояниях, обратно пропорциональных величинам этих сил. Точка приложения равнодействующей дополнительных сил (Y) и есть фокус самолета (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Фокус самолета
Ввиду того, что самолет по-разному во времени реагирует на изменение по углу атаки и изменение по скорости (период изменения скорости практически на порядок больше), используются понятия:
– статическая устойчивость по перегрузке (углу атаки);
– статическая устойчивость по скорости.
Продольная статическая устойчивость по перегрузке – это способность самолета самостоятельно, без вмешательства пилота, сохранять или восстанавливать перегрузку (угол атаки) исходного режима полета. Критерием статической устойчивости по перегрузке является:
Продольная устойчивость самолета тем лучше, чем больше величина восстанавливающего момента, который стремится вернуть самолет в исходное положение по перегрузке (по углу атаки).
Основными факторами, влияющими на продольную устойчивость самолета, являются:
– центровка: чем более переднее расположение центра масс, тем большие восстанавливающие моменты будут создаваться на самолете при изменении угла атаки. Ограничение (предел) передней центровки устанавливается из условия получения приемлемых усилий в полете при пилотировании самолета и достаточности руля высоты на посадке. Ограничение (предел) задней центровки устанавливается из условия обеспечения запаса устойчивости по перегрузке (углу атаки). Этот запас устойчивости должен составлять для транспортных самолетов не менее 10 % между фокусом самолета и предельно задней центровкой и 5–7 % для маневренных;
– высота полета: чем больше высота полета, тем меньше величина приращения подъемной силы самолета, поэтому восстанавливающие моменты слабее и устойчивость хуже;
– режим работы силовой установки: чем больше частота вращения винта, тем больше влияние обдувки винта на крыло, поэтому приращение ±Yкр становится больше, значит фокус самолета смещается вперед, плечо уменьшается, а это уменьшает восстанавливающий момент, следовательно, устойчивость в горизонтальном полете, и особенно в наборе высоты, хуже, чем при снижении;
– освобождение руля высоты: при «брошенном» руле высоты устойчивость по перегрузке уменьшается.