Механика полета самолетов - Aircraft flight mechanics

Механика полета актуальны для неподвижного крыла (планеры, самолеты ) и винтокрыл (вертолеты ) самолет. Самолет (самолет в использовании в США), определяется в ИКАО Документ 9110 as: «Самолет с механическим приводом тяжелее воздуха, подъемная сила которого достигается главным образом за счет аэродинамических реакций на поверхности, которые остаются неизменными в данных условиях полета».

Обратите внимание, что это определение исключает как дирижабли (поскольку они получают подъемную силу от плавучести, а не от потока воздуха над поверхностями) и баллистических ракет (поскольку их подъемная сила обычно напрямую и полностью определяется почти вертикальной тягой). Технически можно сказать, что оба они испытывают «механику полета» в более общем смысле физические силы воздействуя на тело, движущееся по воздуху; но они действуют по-другому и обычно выходят за рамки этого термина.

Взлететь

Летательный аппарат тяжелее воздуха (летательный аппарат) может летать только при наличии ряда аэродинамических сил. Что касается самолетов с неподвижным крылом, то фюзеляж самолета удерживает крылья перед взлетом. В момент взлета происходит обратное, и крылья поддерживают самолет в полете.

Прямолинейный и горизонтальный полет самолета

Дальнейшая информация: Устойчивый полет § Маневры устойчивого полета

Считается, что в полете на летательный аппарат действуют четыре силы: поднимать, масса, толкать, и тащить.[1] Толкать сила, создаваемая двигателем (будь то двигатель реактивный двигатель, а пропеллер, или - в экзотических случаях, таких как Х-15 - а ракета ) и действует в прямом направлении с целью преодоления сопротивления.[2] Поднимать действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы. Тащить действует параллельно вектору скорости самолета, но в противоположном направлении, потому что сопротивление сопротивляется движению в воздухе. Масса действует через центр тяжести самолета, по направлению к центру Земли.

Прямо и ровно полет, подъемная сила примерно равна весу и действует в обратном направлении. Кроме того, если самолет не ускоряется, тяга равна лобовому сопротивлению и противоположна ему.[3]

В полете с прямым набором высоты подъемная сила меньше веса.[4] Поначалу это кажется неправильным, потому что если самолет набирает высоту, кажется, что подъемная сила должна превышать вес. Когда самолет набирает высоту с постоянной скоростью, именно его тяга позволяет ему набирать высоту и получать дополнительную потенциальную энергию. Подъемная сила действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы, поэтому подъемная сила не может изменить потенциальную или кинетическую энергию летательного аппарата. Это можно увидеть, рассматривая пилотажный самолет, выполняющий прямой вертикальный полет (тот, который набирает высоту прямо вверх или спускается прямо вниз). Вертикальный полет не требует подъема. При полете прямо вверх дрон может достичь нулевой скорости перед падением на землю; крыло не создает подъемной силы и поэтому не останавливается. В прямом полете с набором высоты с постоянной скоростью тяга превышает сопротивление.

В прямом спуске подъемная сила меньше веса.[5] Кроме того, если самолет не ускоряется, тяга меньше сопротивления. В разворотном полете подъемная сила превышает вес и производит коэффициент нагрузки больше единицы, определяется самолетом угол крена.[6]

Управление самолетом и движение

Мнемоника для запоминания названий углов
Основная статья: Динамика полета (самолет)

Есть три основных способа изменения ориентации самолета относительно проходящего воздуха. Подача (движение носа вверх или вниз, вращение вокруг поперечной оси), рулон (вращение вокруг продольной оси, то есть оси, которая проходит по длине самолета) и рыскание (движение носа влево или вправо, вращение вокруг вертикальной оси). Поворот самолета (изменение курса) требует, чтобы самолет сначала покатился, чтобы достичь угла крена (чтобы создать центростремительную силу); когда желаемое изменение курса достигнуто, самолет должен снова повернуть в противоположном направлении, чтобы уменьшить угол крена до нуля. Подъемная сила действует вертикально вверх через центр давления, который зависит от положения крыльев. Положение центра давления будет изменяться при изменении угла атаки и установки закрылков самолета.

Поверхности управления самолетом

Основная статья: Поверхности управления полетом

Рыскание индуцируется подвижным рулем направления. Движение руля направления изменяет размер и ориентацию силы, создаваемой вертикальной поверхностью. Поскольку сила создается на расстоянии позади центра тяжести, эта боковая сила вызывает рыскание, а затем рыскание. На большом самолете может быть несколько независимых рулей направления на одном стабилизаторе как для безопасности, так и для управления взаимосвязанными действиями по рысканию и крену.

Использование одного только рыскания не очень эффективный способ выполнения горизонтального поворота самолета и может привести к некоторому боковому скольжению. Необходимо создать точное сочетание крена и подъемной силы, чтобы вызвать необходимые центростремительные силы без бокового скольжения.

Шаг регулируется задней частью хвостовой оперение горизонтальный стабилизатор откидывается, чтобы создать лифт. Перемещая рычаг руля высоты назад, пилот перемещает руль высоты вверх (положение отрицательного развала), и усилие, направленное вниз на горизонтальное оперение, увеличивается. В угол атаки на крылья увеличена, поэтому нос приподнят и подъем обычно увеличивается. В микро-свете и дельтапланы действие по тангажу меняется на противоположное - система управления тангажем намного проще, поэтому, когда пилот перемещает руль высоты назад, он создает тангаж с опущенным носом и угол атаки крыла уменьшается.

Система неподвижного оперения и подвижных рулей высоты является стандартной для дозвуковых самолетов. Корабли, способные к сверхзвуковому полету, часто имеют стабилизатор цельнодвижущаяся хвостовая поверхность. Шаг меняется в этом случае перемещением всей горизонтальной поверхности хвоста. Это, казалось бы, простое нововведение было одной из ключевых технологий, сделавших возможным сверхзвуковой полет. В первых попытках, когда пилоты превышали критическое число Маха, странное явление сделало их рули бесполезными, а их самолет - неуправляемым. Было установлено, что по мере приближения летательного аппарата к скорости звука приближающийся к нему воздух сжимается, и на всех передних кромках и вокруг шарнирных линий руля высоты начинают формироваться ударные волны. Эти ударные волны вызывали движения лифта, не вызывающие изменения давления на стабилизаторе перед лифтом. Проблема была решена заменой стабилизатора и откидного руля высоты на цельноповоротный стабилизатор - вся горизонтальная поверхность оперения стала цельным рулем. Кроме того, в сверхзвуковом полете изменение развала меньше влияет на подъемную силу, а стабилизатор создает меньшее сопротивление.[нужна цитата ].

Самолеты, которым требуется управление при экстремальных углах атаки, иногда оснащаются утка конфигурация, в которой движение по тангажу создается с помощью передней носовой части (примерно на уровне кабины). Такая система обеспечивает немедленное увеличение авторитета высоты тона и, следовательно, лучшую реакцию на управление высотой тона. Эта система распространена на самолетах с треугольным крылом (дельтаплан), в которых используется носовой носовой упор со стабилизатором. Недостатком конфигурации «утка» по сравнению с задним оперением является то, что крыло не может использовать такое большое количество закрылков для увеличения подъемной силы крыла на малых скоростях из-за характеристик сваливания. Комбинированный трехплоскостной самолет использует как утку, так и хвостовое оперение (в дополнение к основному крылу) для достижения преимуществ обеих конфигураций.

Дальнейшая конструкция хвостового оперения - это V-образный хвост, названный так потому, что вместо стандартного перевернутого T или T-образного хвоста есть два киля, расположенные под углом друг к другу в форме V. Поверхности управления затем действуют как рули направления и рули высоты, перемещаясь в соответствующем направлении по мере необходимости.

Крен управляется подвижными секциями на задней кромке крыльев, которые называются элероны. Элероны движутся друг против друга - один поднимается, а другой опускается. Разница в изгибе крыла приводит к разнице подъемной силы и, следовательно, качению. Помимо элеронов, иногда встречаются спойлеры - небольшие шарнирные пластины на верхней поверхности крыла, первоначально использовавшиеся для создания лобового сопротивления, чтобы замедлить самолет и уменьшить подъемную силу при спуске. На современных самолетах, обладающих преимуществом автоматизации, они могут использоваться в сочетании с элеронами для обеспечения контроля по крену.

Самый ранний самолет с двигателем, построенный Братья Райт не было элеронов. Все крыло было перекручено проволокой. Деформация крыла эффективна, поскольку в геометрии крыла нет разрыва, но по мере увеличения скорости непреднамеренная деформация стала проблемой, и поэтому были разработаны элероны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Клэнси, Л.Дж., Аэродинамика, Раздел 14.2
  2. ^ Столлери, Дж. Л., Летная механика высокопроизводительных самолетов, Известия института инженеров-механиков, доп. Часть G211.2 (1997): 129
  3. ^ Клэнси, Л.Дж., Аэродинамика, Рисунок 14.1
  4. ^ Клэнси, Л.Дж., Аэродинамика, Раздел 14.5
  5. ^ Клэнси, Л.Дж., Аэродинамика, Раздел 14.4
  6. ^ Клэнси, Л.Дж., Аэродинамика, Раздел 14.6
  • Л. Дж. Клэнси (1975). Аэродинамика. Глава 14 Элементарная механика полета. Питман Паблишинг Лимитед, Лондон. ISBN  0-273-01120-0