О.М.Трюхан. Стійкість та керованість літака

1.

О.М.ТРЮХАН
ДИСЦИПЛІНА
«ОСНОВИ ВИКОНАННЯ ПОЛЬОТІВ ПС»

2. ЛЕКЦІЯ № 9. Тема: СТІЙКІСТЬ ТА КЕРОВАНІСТЬ ЛІТАКА.

План лекції
Питання 1. Поняття стійкості. Поняття аеродинамічного фокуса літака по
куту атаки. Центр ваги літака.
Питання 2. Поняття повздовжньої стійкості літака. Вплив положення
центру ваги літака на повздовжню стійкість.
Питання 3. Поперечна стійкість та керованість літака. Обмеження по
боковому вітру.
Питання 4. Путьова стійкість та керованість літака, фактори, які на них
впливають.
Література:
1. Повітряний кодекс України: Закон України від 19 травня
2011року № 3393-VI.URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/ show/3393-17.
10.
2. Загальні правила польотів у повітряному просторі України:
Наказ Державної авіаційної служби України від 06.02.2017 № 66/73.
Зареєстровано в Міністерстві юстиції України 23 травня 2017 р. за №
654/30522. Про затвердження Авіаційних правил України.
3. Прийнятні методи відповідності (АМС) та інструктивний
матеріал (GM), що роз’яснюють положення Авіаційних правил
України «Технічні вимоги та адміністративні процедури для льотних
екіпажів цивільної авіації»: Наказ Державіаслужби від 12 березня
2018 року № 220.
4. Керівництво з навчання членів кабінного екіпажу з
урахуванням аспектів забезпечення безпеки. ІСАО, DОС 10002.
Канада. Монреаль, 2014.-276 с.
5. Технічні вимоги та адміністративні процедури для льотних
екіпажів цивільної авіації: Наказ
Державної авіаційної служби
України від 20.07.2017 № 565.
6. Скорочення та коди ІСАО. Канада, Монреаль, ІСАО, Doc. 8400
7. Практична аеродинаміка неманеврених літаків / Під ред.
М. М. Лисенко. М.: Воєнвидав, 1977. 439 с.
8. Трюхан О.М. Принципи польоту. Навчальний посібник. –К.:
НАУ. 2018.135 с.
9. Трюхан О.М. Аеродинаміка та динаміка польоту транспортних
літаків. Навчальний посібник. –К.: НАУ. 2019. 140 с.
Тема 9. Сталість та керованість літака.
Поняття стійкості. Поняття аеродинамічного фокуса літака по куту атаки. Центр ваги літака. Поняття
повздовжньої стійкості літака. Вплив положення центру ваги літака на повздовжню стійкість. Поперечна стійкість та
керованість літака. Обмеження по боковому вітру. Путьова стійкість та керованість літака, фактори, які на них
впливають.

3.

Зміст лекції
Питання 1. Поняття стійкості. Поняття аеродинамічного фокуса
літака по куту атаки. Центр ваги літака.
ПОНЯТТЯ СТІЙКОСТІ ТА КЕРОВАНОСТІ
Літак знаходиться в збалансованому (рівноважному) положенні,
якщо сили і моменти, що діють на нього, не викликають його обертання і
не порушують його рівномірного, прямолінійного руху.
Балансування літака – забезпечення рівноваги за допомогою органів
управління. Важливим є пошук потрібних відхилень органів управління,
переміщення важелів управління та зусиль на них для забезпечення рівноваги
моментів або сил та моментів. Стан рівноваги може бути стійким, нейтральним
чи нестійким.
Обертання літака, як і будь-якого
твердого тіла, відбувається навколо його
центру тяжіння (центру мас), тому
y
балансування літака здійснюється щодо
трьох
осей
пов'язаної
системи
координат
Охуz,
початок
якої
поєднано
з
± My
центром тяжіння літака (т.О), ─
повздовжньої осі Ох. (суміщена з
поздовжньою
віссю
літака),
0
нормальною віссю Оу (лежить у
площині
симетрії
літака
і
перпендикулярна до повздовжньої осі
± Mz
Ох), поперечної осі Оz (спрямована
z
вздовж правої площини крила і
± Mx х
перпендикулярна до площини симетрії
літака)
Моменти сил щодо цих осей: момент крену Мх, момент нишпорення
(або рискання, путьовий) Му, момент тангажу Мz (кабрируючий і пікіруючий).
Напрями та знаки цих моментів викладені вище. Рівновага літака може бути
стійкою або нестійкою.
Літак вважається статично стійким, якщо без втручання льотчика
здатний самостійно відновлювати стан рівноваги після припинення дії
факторів, що збурюють рівновагу. Якщо літак не має такої здатності, то він
вважається статично нестійким. Літак має бути стійким на всіх режимах (штатних)
польоту.
Зі стійкістю літака тісно пов'язана його керованість - здатність літака
реагувати на дії пілота за допомогою органів управління (штурвала або ручки
управління, педалей).
Відхилення штурвала або педалей призводить до
відхилення відповідних керуючих аеродинамічних поверхонь - рулів висоти,
елеронів, руля напряму. Керованість літака не слід плутати з маневреністю.
Керованість характеризується поворотом літака навколо центру ваги (величиною
кутових швидкостей ωх, ωу, ωz щодо відповідних осей пов'язаної системи
координат).
Маневреність літака – здатність змінювати своє становище у просторі
(зміна становища ЦТ у просторі). Так само, як і балансування (рівновагу), стійкість
та керованість розглядають навколо трьох осей: повздовжньої осі Ох – поперечне
балансування, стійкість та керованість, відносно нормальної осі Оу – путьове
балансування, стійкість та керованість, відносно поперечної осі Оz – повздовжнє
балансування. .

4.

Аеродинамічний фокус та центр ваги літака (центр тяжіння ЦТ)
Y
Діапазон центрівок.
Mzy
Lг.о.
∆Mz г.о.
∆Yг.о.
САХ
α
F
G гр. задн. G гр.пер.
ц.в
.
ц.в
.
G
G
V
Аеродинамічний фокус літака ( F) – точка перетину аеродинамічної
підйомної сили літака із середньою аеродинамічною хордою крила
Центр тяжіння літака ЦТ (центр ваги) – точка, відносно якої моменти ваги
всіх часин літака дорівнюють нулю або точка докладання рівнодіючої ваг всіх
частин літака.
Положення центра тяжіння (ц. т.) літака визначається методом зважування.
Відстань від центра ваги до початку середньої аеродинамічної хорди (САХ),
виражене у відсотках її довжини, називається центруванням літака.
Центр тяжіння знаходиться між передньою та основними стійками шасі
(ближче до основних) і попереду аеродинамічного фокусу літака.
Граничні центрівки. Гранично передньою центрівкою називається
центрування, при якому літак може вийти на посадковий кут атаки з даним
відхиленням руля висоти. У сучасних літаків гранично передня центрівка
лежить в межах 10-20% САХ.
Засобом, що дозволяє застосовувати більш переднє центрування, служить
керований в польоті стабілізатор.
Гранично заднє центрування призначається, виходячи з вимог достатньої
повздовжньої стійкості літака. Це залежить від граничного положення
аеродинамічного фокуса літака.
Центр тяжіння повинен розташовуватися попереду фокуса. Якщо центр ваги
і фокус збігаються, центрування називається нейтральним.
Різниця між гранично заднім і гранично переднім центруванням
називається діапазоном центрівок.
Переміщення вантажів всередині літака в польоті також позначається на
становищі центру тяжіння. При розміщенні вантажів в носовій частині літака
центрування стає більш переднім, розміщення вантажів в хвостовій частині
зміщує центрування назад. Центрування є важливою характеристикою літака,
пов'язаної з його балансуванням, стійкістю і керованістю. В експлуатації центр
тяжіння не повинен виходити за межі діапазону центрівок.
Тому для кожного літака призначається дозволений діапазон центрівок.

5.

КЕРУВАННЯ ЛІТАКОМ
Керування літаком здійснюється шляхом відхиленням органів управління –
штурвала (джойстика) та педалей, які в свою чергу відхиляють відповідні
аеродинамічні керуючі поверхні (рулі висоти, елерони, руль напряму). При
відхиленні керуючих поверхонь змінюються відповідні аеродинамічні сили,
які в свою чергу створюють керуючі моменти Мz , Мx , Мy.
х
y
+Му
y
+Мz
z
z
Yг.о.
Yел.пр.
+Мх
Zв.о.
х
Штурвал на себе
Штурвал вправо
Ліва педаль вперед
Питання 2. Поняття повздовжньої стійкості літака.
Вплив положення центру ваги літака на повздовжню стійкість.
Повздовжнє балансування та стійкість. Літак буде збалансований у
повздовжньому каналі, якщо сума моментів сил відносно поперечної осі Оz
дорівнюватиме нулю (момент від підйомної сили крила Y дорівнюватиме
моменту від підйомної сили горизонтального оперення Yго): Y•Ly = Yго•Lго.
Повздовжнє балансування здійснюється відхиленням руля висоти (при цьому
змінюється величина підйомної сили на горизонтальному оперенні Yго і,
відповідно, величина моменту, що врівноважує момент від підйомної сили
крила).
∆Mz
Y
LY
x
ц.т.
∆α
F
∆Yг.о.
V
Lг.о.
∆Mz г.о.
G
Повздовжнє балансування
Повздовжня статична стійкість по куту атаки (перевантаження) – прагнення
літака без втручання льотчика до збереження кута атаки α (або перевантаження
nу) вихідного режиму польоту.
Повздовжнє перевантаження ny − відношення підйомної сили Y до ваги
літака G.

6.

Для статичної стійкості по куту атаки (перевантаження) необхідно,
щоб центр тяжіння літака був розташований попереду центру тиску
(аеродинамічного фокусу).
Вплив положення центру тяжіння літака на повздовжню стійкість.
∆Mz ≠ 0
∆Yг.о.
Y
x
∆α
ц.т.
∆Mz ≠ 0
Y
x
∆α
F
V
ц.т.
F
V
G
G
Статично стійкий
Статично нестійкий
∆Mz=0
x
∆α
∆Yг.о.
Y
F
ц.т.
V
G
Статично нейтральний
ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ВЕЛИЧИНУ МОМЕНТА ТАНГАЖУ:
Кут атаки літака; висота (через густину повітря ρ), швидкість польоту,
геометричні параметри крила;
відстань між аеродинамічним фокусом та центром тяжіння літака;
взаємне положення аеродинамічного фокусу F по кутку атаки та центру
тяжіння літака Ц.Т. (положення вантажу у вантажному відсіку літака);
Кут відхилення руля висоти (або суцільно поворотного стабілізатора);
Положення двигунів щодо поперечної осі літака, тяга двигунів Р (режим
роботи);
Число М польоту (при М>Мкр аеродинамічний фокус зміщується назад);
Пружні деформації крила;
Випуск механізації крила;
Зрив потоку з крила;
Обертання літака відносно поперечної осі OZ (демпфіруючий момент)
та ін.

7.

Питання 3. Поперечна стійкість та керованість літака. Обмеження
по боковому вітру.
x
β
V
у
∆Yлів.
0
z
V
у
∆Z в.о
у
∆Yпр. > ∆Yлів.
∆Yпр.
∆Z в.о.
0
∆Mx кр
z
∆Mx в.о.
β – кут ковзання літака – кут між площею
симетрії літака Оху та вектором швидкості
літака V.
Утворення моменту крену ∆Mx кр при ковзанні літака
При одному куті атаки α, однаковій площі крила S, підйомна сила прямого
крила Yпр більша за підйомну силу стріловидного крила Yстр. При куті
ковзання β права половина крила має меншу ефективну стріловидність, чим
ліва (права половина «ближча» до прямого крила). Підйомна сила правої
половини більша за підйомну силу лівої половини (∆Yпр. > ∆Yлів.). Внаслідок
цього створюється момент крену ∆Mx кр.< 0 , який піднімає праву половину
вверх, а ліву опускає вниз – крен на ліву плоскість (половину) крила.
Літак вважається статично стійким по крену, якщо при ковзанні на
праву плоскість утворюється крен на ліву і навпаки.
. Стріловидні крила мають велику статичну стійкість по крену. Чим більший
кут ковзання β і більша швидкість V повітряного потоку (бокового вітру) тим
більший утворюється момент крену Мх.
При ковзанні літака момент крену також утворюється вертикальним
оперенням. Повітряний потік при обтіканні ВО створює бокову силу ∆Z в.о. ,
яка на плечі до повздовжньої осі літака (Ох – проходить через центр тяжіння
літака) також створює момент крену ∆Mx в.о., який спрямований у той же бік,
що і від крила.
З метою запобігання аварійної ситуації всі літаки мають обмеження
по швидкості бокового вітру (виникає на стільки великий крен, що його не
можливо збалансувати відхиленням елеронів – "не вистачає елеронів").
Для великих літаків ця швидкість не повинна перевищувати на зльоті 15 м/сек.
З великою поперечною стійкістю пов'язане і те, що літаки мають по дві секції
елеронів – на малих швидкостях (зліт, посадка) працюють обидві секції
(підвищується ефективність управління по крену), е на великих (крейсерських)
швидкостях працює по одній секції на кожній плоскості.
На величину моменту крену впливає також поперечне "V" крила – ψ.

8.

Питання 4. Путьова стійкість та керованість літака, фактори,
які на них впливають.
x
β
V
При набіганні повітряного потоку на
вертикальне оперення під кутом ковзання
β створюється бокова сила ВО – Zв.о.,
яка на плечі Lв.о. створює путьовий
момент (або момент рискання) ∆Му =
V
V
∆Z в.о
V
∆Z в.о
L в.о.
z
∆Му = ∆Z в.о ∙ L в.о
∙ L в.о , який спрямований на
зменшення кута ковзання β.
Величина путьового моменту Му,
що усуває ковзання, визначається
площею вертикального оперення, плечем
вертикального оперення (відстань від
центру мас літака, або нормальної осі Оу,
до
центру
тиску
вертикального
оперення), швидкістю та висотою
польоту.
Путьова статична стійкість (флюгерна) – тенденція літака
самостійно, без втручання льотчика, протидіяти зміні кута ковзання β
(зберігати його рівним нулю).
Літак, що володіє путьовою стійкістю, прагне усунути кут ковзання, що
виникає, але не зберігати напрямок польоту.
З метою збільшення путьової стійкості на великих кутах атаки на деяких
літаках на нижній хвостовій частині фюзеляжу встановлюють фальшкілі.
флаперони
фальшкілі
На літаках Су-24 органами поперечного управління є флаперони –
поверхні, які виконують функції елеронів і закрилків