Что требует меньше энергии? Ролл или рыскание?

Когда вы поворачиваете на рыскании, вы скользите самолетом, чтобы направить нос в сторону, чтобы сместить вектор доверия и сместить самолет в сторону, когда он движется вперед. Скорость поворота, которую вы можете достичь таким образом, очень низкая, и существует огромное сопротивление, когда вы скользите, как автомобиль по льду, с фюзеляжем, обращенным к воздушному потоку. Поскольку у самолета есть пара крен/рыскание (крен, вызванный рысканием), у вас будет противоположный элерон, чтобы удержать самолет от крена в занос; больше бесполезной траты энергии.

Когда вы поворачиваете виражом, вы смещаете вектор подъемной силы, чтобы сместить самолет в сторону, когда он движется вперед. Бокового скольжения нет, поэтому сопротивление увеличивается только на небольшую величину, вызванную увеличением руля высоты и угла атаки, а также на незначительное сопротивление умеренно смещенных элеронов и рулей направления (в той степени, в которой они вообще смещаются после крена). действие завершено).

Поскольку вы движетесь в жидкости, поворот с заносом подобен повороту автомобиля, заносящего его на грунтовой дороге, поворот с наклоном подобен повороту на повороте с наклоном, где вам даже не нужно крутить руль, чтобы удержаться. выравнивается с дорогой, когда автомобиль меняет направление. Какой способ эффективнее?

Чтобы выяснить это, я попробовал это на своем собственном самолете, самодельном ПЛ-2 . Я летел на высоте 2000 футов, удерживая 70 узлов, что близко к максимальному L/D для этого самолета, и применил полный руль направления с небольшим количеством противоположных элеронов, чтобы поддерживать уровень крыльев (на этом самолете не требуется много элеронов), регулируя мощность для удержания высоты. на 70kt в заносе.

У моего самолета есть манометр во впускном коллекторе, несмотря на то, что винт имеет фиксированный шаг, что полезно для определения точных настроек мощности. Потребовалось 19 дюймов MP при 1900 об/мин, чтобы выдержать разворот с полным рулем направления на скорости 70 узлов, а скорость разворота составляла около 90 градусов за 30 секунд, или скорость 1. Это около 55 л.с. на Lycoming O-290 D2.

Затем я убрал руль направления и вошел в поворот (примерно 15-градусный крен требовался для поддержания Уровня 1), чтобы сохранить ту же скорость поворота, что и при повороте с заносом, но в скоординированном крене. Чтобы не лезть, пришлось снизить мощность. Я закончил на скорости около 16 дюймов при 1700 об / мин, на крене, скорость 1 оборот при скорости 70 узлов, что составляет где-то около 45 л.с.

Таким образом, требовалось примерно на 20% меньше энергии, чтобы поддерживать разворот с креном на скорости 1, чем разворот с заносом на скорости 1 при полете вблизи максимального L/D. Дополнительное сопротивление заноса также было совершенно очевидно при замедлении при применении заноса с рулем направления по сравнению с качением в скоординированном повороте.

С авиалайнерами разворот с заносом невозможен, потому что со стреловидными крыльями вы получаете мощную скорость крена, как только вы отклоняетесь от курса на пару градусов, и вы быстро исчерпаете противоположный элерон, пытаясь удержать крылья на одном уровне.

Постоянный поворот требует постоянной центростремительной силы, т.е. перпендикулярной направлению движения. Эта сила должна создаваться аэродинамически (если не используются ракетные двигатели).

Аэродинамически создаваемая сила всегда сопровождается индуктивным сопротивлением, даже если сила создается фюзеляжем (из-за бокового скольжения), а не традиционным аэродинамическим профилем. Для минимальных затрат энергии вы хотите минимизировать индуктивное сопротивление для данной аэродинамической силы. Другими словами, вы хотите иметь высокое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D).

Практически во всех самолетах тяжелее воздуха большая часть предназначена для борьбы с силой тяжести (либо с неподвижными крыльями, либо с ротором). Таким образом, поверхности, используемые для борьбы с гравитацией, неизменно являются поверхностями с самым высоким значением L/D.

При качении самолета подъемная сила, создаваемая этими поверхностями, наклоняется внутрь и приобретает составляющую силы, перпендикулярную направлению движения. Таким образом, при качении используются наиболее эффективные средства создания аэродинамической силы — крылья или ротор — для создания центростремительной силы.

Все равно становится лучше. Даже если бы у вас был фюзеляж, который каким-то образом имел такое же L/D по рысканию, как и ваши фиксированные крылья, крен все равно более эффективен. Это связано с тем, что одна наклонная сила всегда имеет меньшую величину, чем сумма горизонтальной и вертикальной составляющих в соответствии с неравенством треугольника.

Используйте рыскание, чтобы координировать свои повороты, и используйте крен, чтобы сделать фактический поворот. В скоординированном повороте наиболее эффективная скорость может быть несколько выше, поскольку смещается баланс между индуктивным сопротивлением (уменьшается с увеличением скорости) и паразитным сопротивлением (увеличивается с увеличением скорости). Сравните это с планером, который имеет более высокую скорость для оптимального L/D (оптимального диапазона) с увеличенным балластом.

Зависит от скорости: для рыскания зависшего вертолета требуется очень мало дополнительной энергии.

1. Рыскательный поворот . Поворот с рысканием увеличивает угол бокового скольжения$\beta$, создавая скорость бокового скольжения, которая приводит к аэродинамической силе$Y = C_Y \cdot ½ \rho V^2 S$. Изображение выше - из измерений модели F-27 без отклонения закрылков.$\delta_f$, и показывает почти линейную зависимость между$C_Y$и угол бокового скольжения. Вектор подъемной силы остается направленным прямо вверх при чисто рыскавом повороте, дополнительная подъемная сила не требуется.

2. Наклонный поворот . Вектор подъемной силы указывает на поворот, что означает потерю части вертикальной силы. Угол атаки необходимо увеличить для дополнительной подъемной силы, создающей большее индуктивное сопротивление.

То есть о векторах силы, речь идет об энергии = силе * расстоянии или силе * скорости * времени, и именно здесь точная отработка становится трудоемкой. Эти данные доступны из аэродинамических пакетов симулятора, но существуют ограничения на воспроизведение данных.

Качественно говоря, разница между ними заключается в следующем:

• Сопротивление из-за бокового скольжения при поворотах с рысканием является паразитным сопротивлением и увеличивается квадратично с увеличением скорости полета;
• Индуктивное сопротивление уменьшается с увеличением скорости полета.

Таким образом, на низких скоростях для разворота по рысканью требуется меньше дополнительной мощности. На более высоких скоростях для поворота с креном требуется меньшая дополнительная мощность. Скорость кроссовера может быть довольно низкой, интуитивно мы склонны полагать, что выше скорости сваливания выигрывает крен.

Конечно, вышесказанное не упоминает о зоне комфорта, наш мозг и тело чувствуют себя более комфортно, испытывая нормальные силы, чем побочные силы.

Лучший способ взглянуть на это — посмотреть на сопротивление, которое «стоит вам энергии».

У нас есть руки и ноги. Почему бы нам не ходить на руках? Это теоретически возможно! Я мог бы даже написать уравнение для Этого! Давайте сначала попробуем немного здравого смысла.

Поворот требует движения, как и полет тяжелее, чем в воздухе. Там для случая висения не может быть рассмотрена какая-либо переменная скорость полета. Давайте посмотрим на полет с заданной воздушной скоростью. Во ВСЕХ случаях наиболее желательно минимальное сопротивление.

Предполагая, что при выполнении маневра высота или скорость полета не изменятся, как мы можем сделать это с наименьшим сопротивлением? Уж точно не поворачивая фюзеляж боком к воздушному потоку и используя двигатель, чтобы тянуть нас в новом направлении. Вираж самолета использует гораздо более эффективную горизонтальную составляющую вектора подъемной силы крыла для создания бокового движения. Это «поворот».

Координация поворота с рулем направления удерживает вектор тяги и оперение, «следуя» новому направлению полета, с наилучшим использованием вектора тяги и наименьшим сопротивлением, насколько это возможно.

Разбивка поворота на множество мгновенных шагов может помочь прояснить мысль. Если вы беспокоитесь о том, что это огромное крыло создает сопротивление при боковом движении, посмейтесь вдоволь. В любой данный момент он ускоряется горизонтально от нуля V (очень небольшое сопротивление), сохраняя при этом вертикальную составляющую подъемной силы. Вот почему поворот считается ускорением, даже если воздушная скорость постоянна.

Сравнивая изящное медленное крыло с яростно вращающимся винтом, мало кто мог поспорить с последним.