1.1.3. Равновесие самолета

Самолет в полете может совершать вращательные движения вокруг продольной Х, поперечной Z, вертикальной Y осей проходящих через центр масс (ЦМ) под действием моментов от аэродинамических сил, создаваемых его частями при обтекании потоком воздуха со скоростью (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Оси вращения самолета

Моменты, вызывающие вращение самолета (см. рис. 1.7) получили названия: М_х – крена или поперечный момент; М_y – рыскания или путевой момент; М_z – тангажа или продольный момент.

Равновесным называется такое состояние самолета, при котором все силы и моменты, действующие на него, взаимно уравновешены, и самолет совершает равномерное прямолинейное движение. Режимы горизонтального полета, набора высоты, планирования самолет выполняет в состоянии равновесия.

При изучении движения самолета мы условно считаем, что все силы, действующие на самолет, приложены в его центре масс. В действительности же в центре масс приложена только сила веса самолета. Все остальные силы создают относительно центра масс моменты. Равновесие самолета обеспечивается, если моменты взаимно уравновешены.

Равновесие может быть нарушено вследствие воздействия пилота на органы управления или каких-то других причин. Опасность представляют собой моменты, возникающие по причинам, не зависящим от воли пилота, которые принято называть «случайными». К ним относятся нарушения режимов работы двигателей или их отказ в полете, обледенение самолета, полет в неспокойном воздухе и т.п.

Причиной нарушения равновесия самолета может стать спутный поток впереди летящего самолета. Спутный поток создается концевыми вихрями крыла, стекающим с крыла и фюзеляжа пограничным слоем и реактивной струей двигателя.

Воздействие спутного потока может быть настолько сильным, что органы управления не в состоянии будут его парировать.

1.1.4. Устойчивость самолета

Под устойчивостью самолета понимают его способность самостоятельно (без вмешательства пилота) восстанавливать случайно нарушенное равновесие. Если самолет устойчив, то при случайном нарушении равновесия появится момент, возвращающий самолет в прежнее состояние. Такой момент называется стабилизирующим.

Если самолет неустойчив, то случайное нарушение равновесия вызовет появление момента, еще более его нарушающего. Такой момент называется дестабилизирующим.

При нарушении продольного равновесия самолета (например, вертикальный порыв ветра) угол атаки изменяется на величину Δα и вызывает изменение подъемной силы самолета на величину ΔY_α, которая складывается из приращений подъемной силы крыла ΔY_{α кр} и горизонтального оперения ΔY_{α г.о}. Точка приложения ΔY_α называется фокусом F самолета (рис. 1.8).

Рис.1.8. Обеспечение продольной устойчивости самолета

Если фокус находится позади центра масс, то при случайном изменении угла атаки появляется стабилизирующий момент ΔМ_z = ΔY_α·f, возвращающий самолет на заданный угол атаки (см. рис. 1.8), т.е. самолет проявляет продольную устойчивость. Если же фокус находится впереди центра масс, то при случайном изменении угла атаки появляется дестабилизирующий момент ΔМ_z и самолет еще больше увеличивает угол атаки, т.е. проявляет продольную неустойчивость. Следовательно, для обеспечения продольной устойчивости центр масс должен находиться впереди фокуса самолета. Для смещения фокуса назад, за центр масс, у самолетов нормальной схемы применяется горизонтальное оперение, которое является органом продольной устойчивости самолета.

Чрезмерная статическая устойчивость, определяемая величиной стабилизирующего момента ΔМ_z, ухудшает управляемость самолета, делает его более инерционным, так как ΔМ_z противодействует управляющим воздействиям пилота с помощью органов управления. Поэтому у современных маневренных самолетов военного назначения для лучшей управляемости фокус может совпадать с центром масс или даже находиться впереди него. Продольная устойчивость, в этом случае обеспечивается системой автоматического управления, осуществляющей компенсирующее воздействие на органы управления самолетом при случайном нарушении равновесия.