книги из ГПНТБ / Донов А.Е. Динамика полета летательных аппаратов

(фиг. 19). Для этого применим известный принцип Даламбера, позволяющий задачи динамики сводить к задачам статики. Используя названный принцип, мы видим, что на рассматривае­

груза Jzp, вызванная ускорением у'0, равная произведению массы

20

а

Следовательно,

Значит

G.гр. прив

или окончательно

—>

Следовательно, приведенный вес груза, принадлежащего ле­ тательному аппарату, по величине равен произведению обыч­ ного веса груза на величину перегрузки, а по направлению про­ тивоположен ей.

§ 8. МЕСТНЫЙ ПРИВЕДЕННЫЙ ВЕС ТЕЛА (ГРУЗА), РАСПОЛОЖЕННОГО В ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ

Местным приведенным весом тела (груза), расположенного в

следует взять вместо вектора перегрузки п вектор местной пе­

регрузки пмест. Таким образом, обозначая местный приведенный

*>

вес через Gzp. п. м, получим

= — G,nti (22)

гр'^мест •

Если груз расположен в центре тяжести летательного аппа­ рата, то приведенный вес и местный приведенный вес совпа­ дают. Точно так же, если вращательное движение вокруг центра тяжести и движение деформаций незначительны и ими можно пренебречь, то местный приведенный вес груза приближенно равен приведенному весу, то есть такому, какой он был бы при расположении груза в центре тяжести аппарата.

В общем случае движения, особенно для грузов, располо­ женных на значительном расстоянии от центра тяжести, разли­ чие между местным приведенным весом и просто приведенным весом может достигать довольно значительной величины.

21

§ 9. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИВЕДЕННОГО ВЕСА

Рассмотрим несколько примеров определения приведенного веса.

1. Вывод самолета аз пикирования. Пикированием назы­ вается сильно наклонное прямолинейное движение самолета вниз. Для того чтобы „вывести1 самолет из пикирования, сле­ дует достаточно сильно искривить траекторию его центра тя­ жести, а так как скорости при выводе из пикирования обычно бывают велики, то для успешного вывода нужно создать боль­ шую центростремительную силу. Это достигается за счет того, что угол атаки самолета увеличивается в несколько раз, благо­ даря чему в несколько раз возрастает его подъемная сила, ко­ торая в данном случае в 2,5 — 5 раз превышает вес самолета.

регрузки п в данном случае будет примерно заключена между 2,5 и 5, а направление действия приведенного веса, противопо­

ложное направлению R , будет близко к направлению внешней нормали к траектории центра тяжести.

Принимая в качестве тела, расположенного на самолете, са­ мого летчика, мы видим, что приведенный вес летчика, то есть тот вес, который он будет физически ощущать, в данном слу-

22

чае прижимает летчика к сидению, а по величине в 2,5 — 5 раз превосходит обычный вес.

2. Резкий ввод самолета в пикирование. При резком вводе самолета в пикирование у него создается отрицательный угол атаки, благодаря чему подъемная сила в данном случае будет по отношению к самолету действовать не вверх, а вниз (фиг.21).

Предположим для простоты, что ввод в пикирование совер­

Равнодействующая R и перегрузка п направлены вертикально вверх. Следовательно, приведенный вес тела, принадлежащего

23

ракете, например приведенный вес экспериментального живот­ ного, будет направлен, как и обычно, вниз. Однако его величина может в несколько раз превышать обычный вес.

§ 10. СОСТОЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ, СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ВЕСА

Рассмотрим ракету, движущуюся вне пределов атмосферы с неработающим двигателем. На нее действует лишь сила ее веса. Следовательно, в данном случае

то есть все грузы, находящиеся на ракете, находятся в данном случае в состоянии невесомости (если пренебречь различием между приведенным и местным приведенным весом, имеющим место при вращении ракеты). При этом вид траектории, по ко­ торой движется ракета, не имеет никакого значения: она может двигаться вертикально вверх или вертикально вниз (геофизи­ ческая ракета), или же описывать параболическую или эллип­ тическую дугу (баллистическая ракета)— все равно внутри ра­ кеты (точнее в районе расположения ее центра тяжести) насту­ пает состояние невесомости. Не имеют при этом также никакого значения величина скорости, с которой движется ракета, и ее расстояние от поверхности земли. Ошибочно также думать, что состояние невесомости наступает из-за того, что на ракету пе­ рестает действовать притяжение Земли: Земля продолжает при­ тягивать ракету, но в данном случае сила притяжения полностью уравновешивается силой инерции от поступательной составляющей движения ракеты вместе с центром тяжести.

Состояние невесомости можно получить не только при полете ракеты вне пределов атмосферы с неработающим двигателем, но и на обычном самолете. Так, например, если в процессе рассмотренного выше резкого ввода самолета в пикирование

То же самое явление будет наблюдаться при баллистическом броске самолета. Для того чтобы такой бросок осуществить, нужно у самолета, движущегося вверх под углом к горизонту, уменьшить его угол атаки до а = а 0 и уравновесить тягой лобовое сопротивление (фиг. 23). Тогда центр тяжести самолета станет двигаться так же, как двигалась бы в пустоте материальная точка под действием силы тяжести, то есть по параболиче­ ской дуге. В процессе этого движения внутри кабины летчика

24

будет иметь место состояние невесомости, так как в данном случае условия (25) также выполняются.

Рассматривая различные варианты создания состояния неве­ сомости, мы уже упоми­ нали о том, что при на­ личии вращения летатель­ ного аппарата вокруг центра тяжести состоя­ ние невесомости насту­ пает только в районе расположения центра тя­ жести, так как местная перегрузка будет точно равна нулю только в самом центре тяжести аппарата. При достаточ­ но больших значениях угловой скорости враще­ ния и удаления от цен­ тра тяжести местная пе­ регрузка может сделать­ ся также достаточно большой и, в частности, равной, единице. В этом

случае местный приведенный вес по величине станет равен обыч­ ному весу, то есть „исчезнувший" вес будет восстановлен, но только искусственно. Этот искусственный вес будет создан инерционными силами вращения аппарата вокруг его центра тя­ жести.§

§ 11. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПЕРЕГРУЗКИ

На самолет в полете непрерывно действуют различные по величине, направлению и продолжительности перегрузки. Вместе с самолетом воздействию этих перегрузок подвергается и лет­ чик. Под действием перегрузок при определенных условиях может наступить нарушение нормальной деятельности отдель ных органов летчика.

Нарушение нормальной деятельности организма летчика за­ висит от величины и времени действия перегрузки. Чем больше будут величина или продолжительность действия перегрузки, тем более сильные изменения произойдут в организме. Влияние перегрузки в очень большой степени также зависит и от ее направления относительно положения тела летчика. Одна и та же перегрузка при одном направлении может оказать значи­ тельное влияние на организм летчика, а при другом будет мало­ ощутима.

25

Рассмотрим, что происходит при воздействии на организм летчика положительной, то есть направленной вверх (точнее от „ног к голове"), нормальной составляющей перегрузки.

Предположим, что летчик увеличил угол атаки таким обра­ зом, что подъемная сила стала в несколько раз больше веса самолета. Тогда появится положительная нормальная соста­ вляющая перегрузки, по величине равная нескольким единицам. Приведенный вес летчика, то есть тот вес, который он ощущает в полете, в данном случае будет в несколько раз превосходить его обычный вес. Направление же его будет такое, как и у обычного веса, — „от головы к ногам" (см. фиг. 21).

При двух-трехкратной перегрузке летчик уже довольно сильно прижимается к сиденью, но он еще может производить движения с необходимой точностью. При увеличении перегрузки до четырех-пятикратного и большего значения становятся за­ труднительными движения руками, обвисают щеки, губы, веки, отходит вниз нижняя челюсть, становится трудно удержать го­ лову в нужном положении, появляются ощущения натяжения и боли в икроножных мышцах, наблюдается нарушение дыхания. Последнее вызывается смещением вниз внутренних органов, оттягиванием грудобрюшной диафрагмы, нарушением нормаль­ ного кровообращения, а также увеличением веса ребер и дыха­ тельных мышц. Смещение внутренних органов вызывает у лет­ чика болезненные ощущения.

При достаточно большой перегрузке поступление крови от сердца к нижней части тела увеличивается, а к верхней части — затрудняется. Нарушение кровообращения, особенно из-за недо­ статочного поступления крови к головному мозгу, вызывает кислородное голодание, которое крайне отрицательно влияет на общее состояние летчика.

Если четырех-пятикратная и более перегрузка действует больше четырех-пяти секунд, то могут возникнуть зрительные расстройства, выраженные обычно в потемнении поля зрения. Очертания предметов при этом становятся расплывчатыми. Иногда летчик полностью теряет зрение, но еще продолжает сохранять сознание. Указанные расстройства зрения не всегда совпадают по времени с наибольшей величиной перегрузки. Такое явление объясняется инерцией, благодаря которой масса крови не сразу воспринимает действие перегрузки.

При продолжительной перегрузке наблюдается и нарушение высшей нервной деятельности, как, например, замедление сооб­ разительности, резкое уменьшение внимания и т. п. При даль­ нейшем росте величины или продолжительности действия пере­ грузки наступает помрачнение сознания или даже потеря его.

В последнее время в авиации получили распространение спе­ циальные противоперегрузочные костюмы, которые имеют рези­ новые камеры, прилегающие к животу и ногам. При воздейст­ вии перегрузки в камеры автоматически поступает воздух, и

26

костюм, таким образом, препятствует смещению внутренних органов, а также перемещению крови в нижнюю половину тела.

Хуже всего переносит организм летчика отрицательные пере­

При восстановлении нормального значения перегрузки (я = 1) изменения в организме обычно быстро ликвидируются и летчик приходит в нормальное состояние.

§ 12. КОМПОНЕНТЫ ПЕРЕГРУЗКИ

Вектор перегрузки я можно разложить (фиг. 24), как и вся­ кий вектор, по трем взаимно перпендикулярным направлениям (осям).

Для задач динамики полета особенно важное значение имеют оси, выбранные следующим образом: ось х направлена по проек­ ции скорости движения центра тяжести на плоскость симметрии

связанные с летательным аппа­ ратом.

Проекции вектора перегруз­ ки на оси х, у, z мы будем обо­ значать соответственно через пх, яу, пг, а составляющие вектора перегрузки, соответствующие этим проекциям, будем называть

понент пг).

Если проекции пх, пу, пг известны, то величина перегрузки я

Для решения различных задач динамики полета представляют интерес все три компонента перегрузки, но особенно важное значение, в первую очередь для пилотируемых летательных ап­

27

2 S

Пользуясь известной формулой

S

Выражение для пу показывает, что этот компонент пере­ грузки зависит от коэффициента подъемной силы су, скорости полета, высоты полета, числа М и от удельной нагрузки на крыло.

§ 13. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ

Компонент перегрузки пу практически не может быть сколь угодно большим, так как его величина имеет ограничения, ко­ торые зависят от ряда факторов.

Рассмотрим эти ограничения.

1. Ограничение по коэффициенту подъемной силы су. Анали­ зируя выражение для пу, мы видим, что, при прочих равных условиях, чем больше будет значение величины су , тем большее

максимальное значение перегрузки путах.

Но в то же самое время величина сутах весьма существенно зависит от числа М; до М = Жкр сутах почти не изменяет своей величины с изменением М, а при М > Жкр величина сутах пре­ терпевает значительные изменения, особенно в области волно­ вого кризиса (фиг. 25).

Отметим, что для современных аэродинамических форм ле­ тательных аппаратов изменения величины сутах в области вол­ нового кризиса выражены менее ярко, чем для старых аэроди­ намических форм,

28

I

Но прежде чем су достигнет своего максимального значения, полет на самолете обычно становится практически неосуществи­ мым, так как самолет при превышении некоторого значения су попадает в область тряски (фиг. 25). Следовательно, практически при летной эксплуатации величина су тах никогда не достигается и предельно допустимое значение су , обозначенное нами через Супм, определяется тряской

2. Ограничения по физиологическим возможностям летчика.

Для пилотируемых летательных аппаратов величина перегрузки ограничивается также физиологической выносливостью, летчика. Предельная перегрузка, которую может перенести человеческий организм, в значительной степени зависит от времени действия перегрузки и положения летчика по отношению к направлению перегрузки.

29