Поперечная остойчивость

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Эти качества определяются формой и размерами находящейся под водой водоизмещающей части (лодки или поплавка) гидросамолета, распределением масс гидросамолета по длине и высоте.

В дальнейшем при рассмотрении мореходных характеристик гидросамолета, если их без особой оговорки в равной мере можно отнести к лодке и поплавку, будем использовать термин «лодка».

Глава 17. Плавучесть гидросамолета

Плавучесть — способность гидросамолета плавать в заданном положении относительно водной поверхности.

Гидросамолет, как и любое другое плавающее тело, например, судно, поддерживается на плаву архимедовой силой

Р = γ0B BV,

где V — объем воды, вытесняемой лодкой, — объемное водоизмещение лодки, м3P ;P

γ0B B – удельный вес воды.

Сила тяжести гидросамолета G приложена в центре масс самолета (ц. м.), сила поддержания (архимедова сила, сила воздействия вытесненной жидкости на лодку гидросамолета) Р приложена в центре масс вытесненного лодкой объема воды, или, по корабельной терминологии (которой широко пользуются проектировщики гидросамолетов), в центре величины (ц.в.) (рис. 17.1.1).

261

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Рис. 17.1.1. Гидросамолет на плаву

Сравнивая между собой по величине силу гидростатического поддержания Р и вес лодки G. Можно утверждать, что:

при G > P тело тонет;

при G < P тело всплывает;

при G = P тело плавает. Следовательно, на режиме плавания

γ0B VB 0B B = G,

где V0B B = – объемное водоизмещение (объем погруженной части лодки).

Величину Р, равную весу лодки G, называют весовым водоизмещением.

Мерой плавучести гидросамолета служит водоизмещение его лодки.

Запасом плавучести называется объем VHB B надводной водонепроницаемой части лодки.

Чем больше запас плавучести VHB ,B тем больше у гидросамолета способности держаться на воде при повреждениях корпуса лодки или поплавков.

262

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Отношение объема надводной части лодки VHB B к объему ее погруженной части V0B B называется относительным запасом плавучести.

n= 100%.

Втаблице 17.1.1 приведены значения относительного запаса плавучести для гидросамолетов.

Более низкий запас плавучести поплавковых гидросамолетов объясняется тем, что поплавки допускают постановку достаточного число водонепроницаемых переборок и не имеют бортовых люков, через которые может проникать вода. Кроме того, они в большинстве случаев являются исключительно взлетнопосадочным органом и функций фюзеляжа не несут.

263

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Глава 18. Остойчивость.

18.1. Общие понятия

Остойчивость (аналог термина «устойчивость» в морской терминологии) при плавании — способность гидросамолета, отклоненного внешними возмущающими силами от положения равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия возмущающих сил.

Очевидно, что для обеспечения равновесия самолета на плаву (рис.17.1.1) силы G и Р должны лежать на прямой, соединяющей ц.м. и ц.в., в вертикальной продольной плоскости симметрии гидросамолета — диаметральной плоскости лодки (ДП).

Очевидно также, что основная плоскость лодки (ОП) и, соответственно, нижняя строительная горизонталь лодки (НСГ), строительная горизонталь самолета (СГС) и палуба 1 в общем случае не параллельны плоскости водной поверхности и линии соприкосновения поверхности воды с корпусом лодки гидросамолета WoLo.

Линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом лодки гидросамолета WoLo при полной взлетной массе и выключенных двигателях — грузовая ватерлиния (от голл. water — вода и lijn — линия). Грузовая ватерлиния (ГВЛ) при плавании

впресной воде не совпадает с ГВЛ при плавании

вморской воде, поскольку плотность пресной речной

264

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

или озерной воды ρвB =1000B кг/м3P ,P плотность морской воды ρвB B = 1025 кг/м3P .P

Соответственно, осадка Т (расстояние от ГВЛ до самой нижней части лодки, характеризующее погружение лодки ниже уровня воды) при одинаковой взлетной массе гидросамолета в пресной воде будет больше, чем в морской.

Значения осадок носом и кормой определяют посадку лодки гидросамолета относительно поверхности воды — дифферент лодки (от лат. differetis — разница) — наклон ее в продольной V плоскости, который измеряется углом дифферента ϕ 0B или разностью меж-

B

ду осадками кормы и носа. Если разность равна нулю, говорят, что лодка «сидит на ровном киле»; если осадка кормы больше осадки носа — лодка «сидит с дифферентом на корму» (как показано на рис 17.1.1), если меньше — лодка «сидит с дифферентом на нос».

Очевидно, что при плавании частично или вполне (полностью) погруженного в воду тела нет никаких других сил для возвращения его в положение равновесия, кроме силы тяжести G и равной ей силы поддержания Р. Следовательно, только взаимное положение этих сил определит остойчивость или неостойчивость плавающего тела, что иллюстрирует рис. 18.1.1.

Если центр масс тела расположен ниже центра величины (рис.18.1.1, а), при отклонении от положения равновесия возникает стабилизирующий момент ∆M = Gl, возвращающий тело в исходное положение остойчивого равновесия.

265

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Рис18.1.1. Понятие остойчивости плавающего тела

Если положение центра масс тела совпадает с положением центра величины (рис. 18.1.1, б), тело находится в безразличном равновесии.

Если центр масс тела расположен выше центра величины (рис. 18.1.1, в), при отклонении от положения равновесия возникает дестабилизирующий момент M ∆M = Gl, и тело не может самостоятельно возвратиться в исходное положение неостойчивого равновесия.

Следует отметить, что положение центра величины существенным образом зависит от формы погруженной части тела и угла отклонения его от исходного положения равновесия.

Остойчивость гидросамолета (как и остойчивость судна) принято определять взаимным положением центра масс и метацентра — центра кривизны линии, по которой смещается центр величины водоизмещающего тела при выведении его из равновесия.

Метацентр — от греч. meta — между, после, через

— составная часть сложных слов, означающих промежуточность, следование за чем-либо, переход к че-

266

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

му-либо другому, перемену состояния, превращение и лат. — centrum средоточие, центр.

Различают поперечную и продольную остойчивость гидросамолета (при наклонении самолета соответственно в поперечной и продольной плоскостях).

18.2.Поперечная остойчивость.

Рассмотрим случай поперечного наклонения — отклонение диаметральной плоскости лодки (ДП) от вертикали, например под воздействием порыва ветра.

Гидросамолет (рис.18.2.1,а) находится на плаву в состоянии равновесия, сила тяжести G и сила поддержания Р равны, лежат в диаметральной плоскости, размер а определяет возвышение центра масс над центром величины.

Рис.18.2.1. Неостойчивая лодка

От боковой составляющей порыва ветра VBB (рис.18.2.1,6) возникнет кренящий момент МКрВB ,B зависящий от скоростного напора, площади и размаха

267

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

наветренной (обращенной в ту сторону, откуда дует ветер) консоли крыла, площади боковой проекции гидросамолета. Под действием этого момента самолет накренится на некоторый малый (будем считать — бесконечно малый) угол у и новое положение лодки определит новую грузовую ватерлинию W1B LB 1B ,B плоскость которой наклонена на угол у от исходной ватерлинии WoLo.

Форма подводной (водоизмещающей) части лодки изменится: объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигурой 1, выйдет из-под воды, а равный ему объем, ограниченный в каждом поперечном сечении лодки фигурой 2, уйдет под воду. Таким образом, величина поддерживающей силы не изменится (Р = Vγ0B B = G), однако центр величины сместится из исходного положения С0B B в точку С1B .B Точка Мо пересечения двух смежных линий действия архимедовых сил при бесконечно малом угле γ между ними и является начальным метацентром.

Метацентрический радиус r0B B определяет начальную кривизну линии смещения центра величины лодки при крене.

Мерой поперечной остойчивости гидросамолета является значение метацентрической высоты

h0B B = r0B B -a,

•если h 0B >B 0 — лодка остойчива;

•если h 0B =B 0 — равновесие безразличное;

•если h0B B < 0 — лодка неостойчива.

•

В рассмотренном примере h0B B< 0.

268

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Нетрудно видеть, что перпендикулярные к поверхности воды и равные силы Р и G будут составлять пару с плечом l, причем момент этой пары МКрB G=B Gl совпадает по направлению с возмущающим моментом МКрB B в и увеличивает угол крена.

Таким образом, гидросамолет, показанный на рис. 18.2.1,6, при действии внешних возмущений не возвращается к исходному положению, т. е. не обладает поперечной остойчивостью.

Очевидно, что для обеспечения поперечной остойчивости центр масс должен находиться ниже самого низкого положения метацентра.

Большинство современных гидросамолетов выполнено по классической аэродинамической схеме с фюзеляжем — лодкой, которой придаются соответ-

с установленными на нем или на лодке двигателями для максимального удаления их от водной поверхности с целью исключить при движении по воде заливание крыла водой и попадание ее в двигатели и на винты самолетов с винтомоторной силовой установкой, поэтому в большинстве случаев центр масс самолета выше метацентра (как на рис. 18.2.1,6) и однолодочный гидросамолет в поперечном отношении неостойчив.

Проблемы поперечной остойчивости гидросамолета однопоплавковой или однолодочной схемы могут быть решены применением подкрыльных поплавков

(рис. 18.2.2).

269

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основы аэродинамики и гидромеханики

Подкрыльный поплавок 1 устанавливают на пилоне 2 по возможности ближе к концу крыла 3. Опорные (поддерживающие) подкрыльные поплавки не касаются воды при движении гидросамолета на ровной воде 4 и обеспечивают остойчивое положение гидросамолета с углами крена 2-3° при стоянке, несущие подкрыльныепоплавки частично погружены в воду и обеспечивают стоянку без крена.

Рис. 18.2.2. Подкрыльный поплавок

Водоизмещение поплавка выбирается таким образом, чтобы под воздействием ветра с определенной скоростью VвB B гидросамолет, находящийся на скате волны 5, соответствующей предельному волнению акватории, заданному в ТЗ на проектирование, накренился на определенный уголγ .

В этом случае восстанавливающий момент поплавка, определяемый поддерживающей силой поплавка

270