Что это значит, когда самолет статически устойчив, но динамически нестабилен?

Я читаю эту книгу: "Стабильность полета и автоматическое управление", второе издание, д-р Роберт С. Нельсон. В главе 2 на странице 42 автор писал:

Обратите внимание, что транспортное средство может быть статически устойчивым, но динамически неустойчивым. Таким образом, статическая устойчивость не гарантирует динамической устойчивости. Однако, чтобы автомобиль был динамически устойчивым, он должен быть статически устойчивым.

Я понимаю статическую устойчивость, но не уверен, что понимаю динамическую устойчивость. Может ли кто-нибудь помочь мне понять приведенные выше тексты и привести пример этого случая?

Ответы (4)

Статическая устойчивость означает, что отклонение от уравновешенного состояния создает силы, которые возвращают систему в это уравновешенное состояние.

Если эти силы вызывают перерегулирование, которое увеличивается со временем, так что система колеблется вокруг этой точки балансировки с увеличивающейся амплитудой, система динамически неустойчива. Долгопериодные колебания (фигоид) планеров часто нестабильны, потому что их L/D достаточно высоки, чтобы толкнуть их на нестабильную территорию.

Динамическая стабильность означает, что колебания со временем затухают. Без статической устойчивости система просто вышла бы из уравновешенного состояния без какой-либо тенденции к возврату. Эта тенденция к возврату является предпосылкой колебаний, устойчивых или неустойчивых.

+1 за ссылку на L / D, я часто задавался вопросом, было бы полезно при полете в облаках на планере, особенно без искусственного горизонта, опустить передачу и, возможно, также немного открыть спойлеры? Может, сделать какой-нибудь блок или другое механическое приспособление, чтобы спойлеры были приоткрыты, не занимая постоянно левую руку пилота? (Просто теоретический вопрос для меня в настоящее время, но я знаю, что в некоторых других частях мира полеты в облаках на планерах все еще являются обычным делом...)
Это просто создаст больше шума, когда вы потеряете ориентацию и войдете в спиральное пикирование мимо Vne, что гарантировано, если у вас нет гироскопических инструментов, и, вероятно, в конечном итоге, даже если у вас есть электрический координатор поворота. Если планер имеет ограничение скорости пикирующие тормоза/спойлеры, что означает, что самолет не способен превысить Vne даже прямо вниз, и большинство современных планеров это делают, лучше всего просто сбросить полные спойлеры, отпустить его и подождать, пока он не выйдет из-под земли. Если вы попытаетесь поддерживать контролируемый полет в облаке какое-то время с выдвинутыми или частично выдвинутыми интерцепторами, вы окажетесь на дне.
Ну, я не знаю обо всем этом, полеты с индикатором скорости поворота в качестве единственного гироскопического прибора уже давно стали обычной практикой на протяжении многих десятилетий (например, с 1940-х годов) на планерах в некоторых странах Европы и Великобритании.
@JohnK: Я встретил старого пилота, который утверждал, что может поддерживать управляемый полет в облаках без гироскопа, но требует предельной концентрации. Я бы не хотел проверять это, но я вижу, как это возможно. Математически это интегрирование по индикатору крена (также известному как индикатор координации поворота) и компасу.
@ Джошуа У вас должна быть какая-то ссылка, чтобы сказать своим глазам, что вы поворачиваетесь, потому что внутреннее ухо бесполезно для этой цели. Если вы выдерживаете правый поворот, скажем, полный круг, и улитковая жидкость стабилизируется при вращении, когда вы разворачиваетесь, вы получаете сильное ощущение поворота в другую сторону, и почти все пилоты бессознательно начинают откатываться назад в поворот. Предположительно можно использовать компас, чтобы сказать вам, что вы поворачиваете, но вы должны очень хорошо предвидеть и учитывать ошибки поворота, и если бы была какая-то турбулентность, вы бы облажались.
@quietflyer Мне трудно поверить, что преднамеренный продолжительный полет в IMC является принятой практикой в ​​Европе или где-либо еще, где пилоты должны быть благоразумными и здравомыслящими (Россия, ну кто знает, лол). Гироскоп поворота в планере есть по той же причине, по которой он может быть у вас в самолете, предназначенном только для ПВП; чтобы вытащить вас из облака целым и невредимым, если вы каким-то образом наткнетесь на него, как только сможете. Продолжительный полет на «частичной панели» в облаке, специально, особенно на самолете, нейтрально устойчивом по крену, как планер, был бы сумасшествием.
@Joshua Да, полет в облаках без гироскопа возможен, но только в «мертвых» облаках без особого движения воздуха в них. Если вы попробуете это в активных кучево-дождевых облаках, JohnK будет прав со своим советом.
пример статической устойчивости: «мяч, сидящий в яме», давал мне неправильное представление о статической устойчивости на протяжении всей моей жизни. Я думал, что статическая устойчивость означает, что система будет оставаться в равновесном состоянии через достаточно долгое время. Этот пример с «мячом, сидящим в яме» также дает представление о динамической устойчивости, но люди всегда показывают его, когда хотят говорить о статической устойчивости.
@JohnK - нет, частичные полеты в облаках на планерах уже давно стали общепринятой практикой в ​​некоторых частях мира, особенно в Европе и Англии. Вот учебный документ из английского клуба планеристов - dartmoorgliding.co.uk/Instrument_Flying_course_notes.pdf - он был обновлен, чтобы упомянуть GPS, но первые 15 страниц посвящены тому, как управлять планером, используя только индикатор скорости поворота, ASI. и обычный магнитный компас. Я собрал библиотеку из более чем дюжины книг по планеризму 60-х и 70-х годов, и большинство из них ссылаются на полеты в облаках с частичными панелями.
@JohnK - единственное, что у меня сейчас есть под рукой, - это «Новый парящий пилот» Энн и Лорна Уэлч и Фрэнка Ирвинга, 3-е издание, 1977 год. Глава 10, стр. 120-139, называется «Полеты по приборам» и полностью про полеты в облаках. На стр. 136 есть предложение, начинающееся «Хотя полет вслепую совершенно удобен при поворотно-скользящем указателе, он упрощается, если планер оснащен искусственным горизонтом ...» На всех предыдущих страницах предполагается отсутствие искусственного горизонта. горизонте, и есть много упоминаний о полетах в кучевых облаках, а не только в гладких облаках горных волн.
@ JohnK -- мой друг летал на планерах в Голландии и других странах Европы в (60-х? 70-х?) и много часов парил в облаках без искусственного горизонта. Я также знаю кое-кого, кто еще в 70-х годах, когда пол контролируемого воздушного пространства мог быть выше, установил государственный рекорд высоты на равнине Среднего Запада в США, поднявшись в возвышающемся тепловом облаке примерно до 17 000 футов или более. АГЛ. Опять же, у него был индикатор скорости поворота, но не было искусственного горизонта.
@JohnK - Также стоит отметить, что полеты в облаках раньше разрешались на соревнованиях по планерам, но когда-то (возможно, в 50-х или 60-х?) Это было запрещено на соревнованиях в большинстве стран, и на данный момент это повсеместно. как я знаю. Одной из очевидных причин является опасность столкновения. Индикаторы скорости разворота (и все другие гироскопические приборы) были запрещены на планерах во время соревнований в большинстве стран на протяжении десятилетий, потому что очевидно, что такой прибор облегчил бы нарушение правил соревнований (и с современными конструкциями воздушного пространства, нарушение FAR и т. д.) и получение несправедливого преимущества
Некоторый материал в приведенных выше комментариях, вероятно, станет полезным дополнением к некоторым связанным ответам; Я сохранил в буфер обмена для будущего использования--
@quietflyer Вы явно злоупотребляете функцией комментариев для того, для чего она не предназначена. Почему бы вам не задать новый вопрос и не добавить весь этот материал к ответу? Но имейте в виду, что расстояние до облаков по ПВП должно соблюдаться и планерами.
@PeterKampf - поднимает насущный вопрос о том, что вам разрешено делать в неконтролируемом воздушном пространстве без подачи плана полета по приборам, если у вас есть рейтинг по приборам или другой соответствующий рейтинг (я полагаю, что рейтинг полета в облаке планера существует в Великобритании). Я считаю, что в Великобритании неконтролируемое воздушное пространство часто превышает потолок в 700 или 1200 футов, который мы обычно имеем в США.
@PeterKämpf - В одном случае, который я упомянул в США, я не знаю, каков был пол контролируемого воздушного пространства в то время, или действительно ли пилот летел по ППП, а не по ПВП - подробнее обсуждается здесь авиация . stackexchange.com/q/78746/34686

Если самолет статически стабилен, он всегда будет возвращаться в равновесие после возмущения. Но то, что происходит после, может свидетельствовать либо о нестабильности, либо о стабильности. Вот где динамическая стабильность.

Вы можете представить себе самолет, находящийся в равновесии на определенной скорости, высоте и угле атаки, и он внезапно сталкивается с возмущением, которое меняет его скорость, высоту и угол атаки. Если самолет имеет статическую устойчивость, он немедленно будет искать свое состояние равновесия. Если указанный летательный аппарат еще и динамически устойчив, то амплитуда его движения со временем будет уменьшаться. Это называется просадкой.Одним из основных факторов, влияющих на динамическую устойчивость, является величина демпфирования в системе. С этого момента будем считать самолет уже статически устойчивым. При достаточном демпфировании самолет будет медленно во времени уменьшать свою амплитуду, пока амплитуда не упадет до нуля. Здесь говорят, что самолет динамически стабилен. При меньшем затухании колебания со временем усиливаются, а амплитуда движения также увеличивается. Это называется расходящимся колебанием. В этом случае самолет считается статически устойчивым, но динамически неустойчивым.

Самолет имеет меньшую динамическую устойчивость на больших высотах, где аэродинамическое демпфирование ниже. Пилот также может снизить динамическую устойчивость самолета. Если его/ее входные сигналы близки к собственной частоте самолета, это может добавить энергии в систему, и расхождение увеличится. Это называется индуцированными пилотом колебаниями (PIO).

введите описание изображения здесь

Статически и динамически устойчивы.

введите описание изображения здесь

Статически устойчивы, но динамически неустойчивы.

Важно иметь в виду, что летательный аппарат, будучи статически устойчивым и динамически неустойчивым, не может быть наоборот. То есть самолет никогда не может быть статически неустойчивым и динамически устойчивым.

Возможное улучшение — первое предложение — изменить «он всегда будет возвращаться к равновесию» на «он всегда будет стремиться вернуться к равновесию»… если он действительно вернулся к равновесию, то он останется в нем до следующего возмущения—
Может ли самолет войти в колебание, которое достигает определенной амплитуды и затем остается на этом уровне? Будет ли это классифицироваться как динамически стабильное или нестабильное?
@supercat не для теории управления, однако все компоненты материала имеют максимальные отклонения и т. д., и как только они достигнуты, система управления не может реагировать дальше. Это может означать, что крыло изгибается так, что динамическая устойчивость теряется. Другая причина может заключаться в том, что у вас есть вторичная система управления, действующая «поверх» основной системы: что повышает стабильность, но работает с гораздо меньшей частотой. Но эти эффекты игнорируются при обсуждении устойчивости самолета: вы просто не хотите, чтобы они происходили или зависели от них.
@ paul23: В системе линейных дифференциальных уравнений система будет либо с чрезмерным демпфированием, либо с недостаточным демпфированием, либо с критическим демпфированием; однако даже при полете в пределах нормальных параметров поведение самолета не будет идеально моделироваться системой линейного дифференциального уравнения. Многие реальные нелинейные системы (включая большинство специально разработанных генераторов) могут колебаться с усилением замкнутого контура, которое больше 1 для части каждого цикла и меньше единицы для других частей.
@supercat Если самолет достигает возмущения и остается в точке, куда его выбросило возмущение, говорят, что самолет статически и динамически нейтрален. Законы управления воздушными судами Airbus на самом деле разработаны таким образом. Он ведет себя так, как будто имеет нейтральную устойчивость. В защитной оболочке, если вы делаете ввод, самолет остается там до тех пор, пока пилот не внесет изменения.
Я думал, что все время неправильно понимал статическую устойчивость: статическая стабильность только гарантирует, что система сможет вернуться к равновесию, это не гарантирует, что система останется там. Я всегда думал, что статическая устойчивость означает, что система останется в равновесном состоянии после того, как ее потревожат достаточно долгое время.
+1 за сюжеты, концепция сразу же стала очевидной для меня за пару секунд, учитывая мои базовые знания о стабильности, которые у меня уже были.
Я думаю, что это опечатка: я предполагаю, что нейтральная частота должна читаться как собственная частота ?

Много полезной информации в ответах, опубликованных до сих пор, но я думаю, что также полезно указать, что без статической устойчивости (по оси тангажа) самолет не поддается обрезке. При положительной статической устойчивости (по оси тангажа) вы можете балансировать на заданной воздушной скорости, и если вы затем потянете ручку управления назад, вы почувствуете возрастающее давление на ручку вперед, и если вы затем отпустите ручку, нос упадет, а скорость увеличится. Точно так же, если вы триммируете для заданной воздушной скорости, а затем толкаете ручку вперед, вы почувствуете возрастающее давление на ручку сзади, и если вы затем отпустите ручку, нос поднимется, а скорость полета уменьшится. Статическая стабильность делает это возможным.

Но этого недостаточно, чтобы гарантировать, что самолет действительно остановится на балансировочной воздушной скорости после возмущения, если вы продолжите не оказывать давления вперед или назад на ручку или штурвал. Как отмечалось в других ответах, если самолет статически стабилен, но динамически нестабилен (по оси тангажа), после начального возмущения он может войти в "фугоидное" колебание тангажа, которое продолжает увеличиваться, а не затухать, если только пилот не вмешается . Вот видео, показывающее такую ​​вещь.

Стоит отметить, что этот эффект может быть достаточно тонким, чтобы пилот мог накопить много часов практического полета на каком-то конкретном самолете, фактически не имея никакого представления о том, является ли он динамически стабильным или нестабильным в случае невмешательства, в любом данном случае. конфигурация.

почему у настоящего самолета нет динамической устойчивости? Я думал, инженеры будут проектировать самолет с демпфированием колебаний?
@Dat - это планер, и см. ссылку на планеры в другом ответе здесь Aviation.stackexchange.com/a/83369/34686

Статическая устойчивость — это первоначальная реакция самолета на мгновенный импульс (например, турбулентность), а динамическая устойчивость — это то, как самолет с течением времени реагирует на возмущение.

Динамическую устойчивость можно проверить, потянув/толкнув одну поверхность управления полетом и сразу же отпустив ее: колебания на соответствующей оси могут увеличиваться по амплитуде, уменьшаться по амплитуде или сохранять ту же амплитуду.

Если со временем самолет стабилен, то начальный отклик стабилен, но нельзя сказать обратное.

Я не знаю, как объяснить это математически (если это то, что вы ищете).

Ссылки: https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/3-types-of-static-and-dynamic-stability-in-aircraft/

Что это значит, когда самолет статически устойчив, но динамически нестабилен?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v