Как поддерживается боковое скольжение (аэродинамически)?

( Источник )

Вот репрезентативное изображение изменения коэффициента подъемной силы в зависимости от угла атаки. Тот же аэродинамический профиль рассматривается в «чистой» конфигурации, с отклоненным закрылком, а затем и с закрылком, и с предкрылком (последнее можно не учитывать, это самый верхний пример). Вы можете видеть, что при отклоненном закрылке (или, скажем, руле направления) наклон подъемной силы смещается вверх, изменяя подъемную силу, создаваемую при заданном угле атаки, поскольку отклонение руля направления фактически изменило кривизну аэродинамического профиля.

Следовательно, хотя угол атаки аэродинамического профиля изменился, подъемная сила, создаваемая при этом угле атаки, также изменилась. Изогнутые аэродинамические поверхности могут создавать подъемную силу при отрицательных углах атаки, и поэтому при заданном усилии руля направления самолет будет принимать устойчивый угол бокового скольжения, при котором индуцированный момент рыскания находится в равновесии с любыми восстанавливающими моментами, создаваемыми остальной частью планера. Когда я летал на планерах, это можно проиллюстрировать тем фактом, что независимо от того, насколько сильно я крутил руль направления, я мог только заставить самолет рыскать до определенного предела — просто не хватало аэродинамического контроля, чтобы преодолеть силу, которую вы упомянуть, а также неуравновешенные моменты рыскания, создаваемые фюзеляжем и крыльями. Но, в то же время, я мог интуитивно изменить угол бокового скольжения, пропорционально изменив количество руля, или, если быть последовательным,

"НАСА формулирует это так" Ну, это один из способов сказать это.

Боковое скольжение создается за счет вращения элеронов, и, как следует из названия, самолет «скользит» в этом направлении. Эффект от этого скольжения - боковая сила на самолет ОТ направления скольжения самолета, действующая на ВСЕ боковые поверхности (нос, шасси, хвост, крылья и т.д.). Самолет, устойчивый по направлению (по рысканию), будет иметь большую боковую площадь за центром тяжести, чтобы «флюгер» летательного аппарата.

Так что хвост самолета теперь имеет более "высокое" давление на борт в сторону скольжения и без руля направления "в сторону" будет пытаться рыскать в сторону скольжения.

Убранный руль фактически уравновешивает крутящие моменты боковых сил, поэтому самолет НЕ рыскает. При наличии бокового ветра самолет продолжит свой путь (чтобы остаться на пути с взлетно-посадочной полосой для посадки). В противном случае самолет будет дрейфовать в сторону в направлении скольжения, но не будет рыскать. Вы можете использовать это в безветренный день, если вы немного отклонились от центра на финале (при условии достаточного запаса безопасности над сваливанием).

Важно не путать боковое скольжение с передним скольжением. При скольжении вперед руль направления отклоняется, чтобы вытолкнуть взрыватель в воздушный поток, чтобы намеренно создать большее сопротивление и увеличить угол планирования.

Эти вещи не требуют инженерной степени, чтобы понять или объяснить: нажмите на педаль руля ногой, и хвост двигается в противоположном направлении. Если вы удержите это давление, скольжение сохранится. Требуется постоянное давление на руль направления. Как только вы ослабите давление, аэродинамические силы вернут руль обратно, и вы больше не будете скользить.

Как только вы действительно сделали это, это очень простая концепция. Если кто-то в районе Пьюджет-Саунд борется с пониманием этих фундаментальных концепций и хотел бы получить демонстрацию, я был бы рад взять вас с собой в полет.

На первый взгляд кажется, что иллюстрация в исходном вопросе показывает гораздо больший угол бокового скольжения, чем можно было бы поддерживать в реальном мире для проиллюстрированного отклонения руля направления. То есть проиллюстрированное отклонение руля кажется слишком малым для проиллюстрированного угла бокового скольжения, особенно учитывая достаточный размер вертикального киля по отношению к рулю направления. Как показано на рисунке, руль направления почти направлен к невозмущенному относительному ветру — казалось бы, он не может работать таким образом!

Конечно, описанная ниже модель киля и руля направления немного упрощена, и если мы посмотрим на комбинацию киля и руля направления как на сильно изогнутый аэродинамический профиль, летящий под небольшим отрицательным углом атаки, возможно, мы сможем увидеть, как он все еще может генерировать результирующая боковая сила, противоположная направлению отклонения руля, даже если руль почти выровнен (обтекаем) с направлением невозмущенного относительного ветра. (Похоже, это один из ключевых моментов, сделанных другим ответом.)

В этом случае подходящая модель будет состоять не в том, что киль «борется» с крутящим моментом рыскания, создаваемым рулем направления, а скорее в том, что комбинация киля/руля направления действует как единое целое, «борясь» с противодействующей боковой силой и крутящим моментом рыскания, создаваемым рулем направления. остальная часть самолета, даже несмотря на то, что (сильно изогнутая) комбинация киля и руля направления фактически летит под слегка отрицательным углом атаки по отношению к его хорде. Эта идея на самом деле представляет собой лишь доработку, а не фундаментальный пересмотр других идей, изложенных ниже.

В оставшейся части этого ответа мы будем следовать более упрощенной модели «бортового руля»:

Но разве при вынужденном скольжении аэродинамический профиль киля теперь не находится под отрицательным углом атаки (с точки зрения прежней силы). Как поддерживается сила?

Да, самолет примет угол бокового скольжения таким образом, что крутящий момент рыскания нос-влево, возникающий из-за направленной вправо боковой силы от отклоненного руля направления, будет точно равен и противоположен крутящему моменту рыскания нос-вправо, возникающему из-за боковой силы, создаваемой левым килем и другими элементами. задние части самолета (за вычетом противодействующего крутящего момента, создаваемого передними частями самолета).

Для простоты можно представить, что киль и руль «борются» друг с другом. Если плавник очень большой, а руль очень маленький, возможен только небольшой угол бокового скольжения. Если киль очень маленький, а фюзеляж очень тонкий, но есть большой руль направления, который может отклоняться на большие расстояния, тогда будет возможен очень большой угол бокового скольжения.

Только в силу того факта, что руль направления находится ЗА килем, или, точнее, за центром боковой поверхности всей остальной плоскости, мы можем быть уверены, что отклонение руля направления влево действительно создаст НЕТ. боковая сила влево почти на всех самолетах. Руль направления действует с большей силой момента, чем остальная часть самолета, поэтому, если чистый крутящий момент рыскания равен нулю, руль направления должен создавать меньшую боковую силу, чем остальная часть самолета, поэтому боковая сила от остальной части самолета преобладает над боковой силой от руля. Вот почему шарик скольжения движется ОТ отклоненного руля всякий раз, когда чистый крутящий момент рыскания равен нулю, т.е. ускорение вращения рыскания равно нулю, что должно быть приблизительно верно в большинстве случаев. (Поэтому мы «наступаем на мяч», чтобы отцентрировать его.)

Если мы боремся с асимметричным эффектом, таким как P-фактор, и применяем ТОЛЬКО достаточно руля направления, чтобы точно отцентрировать струну рыскания, то мы можем видеть, что, поскольку он реагирует только на руль направления, а не на плавник, мяч на самом деле слегка отклоняется в сторону. В том же направлении, что и руль направления. Вот почему мы оставляем шар слегка отклоненным в том же направлении, что и руль, когда мы теряем один двигатель в близнеце — потому что он центрирует струну рыскания. Таким образом, мы должны применять немного меньше руля направления, чем необходимо для полного центрирования шара. (Отказ от ответственности — все, что я говорю о двух- или многодвигательных самолетах, основано на личном опыте.)

Представьте себе исключительный случай — скажем, у нас есть бескилевой летательный аппарат со стреловидным крылом, к которому мы добавляем довольно короткую, очень тонкую хвостовую балку и большой цельноповоротный руль направления без вертикального киля. Теперь отклоняем большой руль, расположенный не так далеко за ЦТ самолета, на 45 градусов влево. Можем ли мы быть настолько уверены, что чистая боковая сила в этом необычном случае будет слева? Струна рысканья, безусловно, отклонится влево, но действительно ли шарик скольжения отклонится вправо? Поскольку устойчивость по рысканью обеспечивается не боковой силой от хвостовой части фюзеляжа и вертикального хвостового оперения, а скорее дифференциальным сопротивлением и крутящим моментом, создаваемым стреловидными крыльями в боковом потоке, представляется весьма вероятным, что правая боковая сила от руля направления может преобладать. над всеми противоборствующими сторонами, и шар с проскальзыванием может фактически сместиться влево. Это означает, что если крылья будут оставаться на одном уровне, траектория полета будет на самом деле изгибаться вправо, а не влево - ДАЛЕКО от направления, в котором пилот управляет рулем направления.

Теперь подумайте, какое направление крена потребуется, чтобы сохранить линейную траекторию полета при посадке такого самолета, удерживая сильное отклонение руля влево, чтобы удерживать шасси на одной линии с взлетно-посадочной полосой при посадке при сильном правом боковом ветре! Наветренное крыло должно быть поднято, а не опущено!

А также представьте, что произойдет, если пилот посадит такой самолет при правом боковом ветре, используя заход на посадку на уровне крыльев, краба, без проскальзывания, за которым следует левый руль направления «выбить краба» непосредственно перед приземлением. Если бы приземление было отложено, а пилот продолжал бы удерживать/добавлять левый руль направления по мере необходимости, чтобы попытаться удержать нос на курсе взлетно-посадочной полосы, в то же время применяя входы по крену по мере необходимости, чтобы удерживать крылья на одном уровне, пилот в конечном итоге остался бы с левой педалью руля направления. весь путь до остановки, когда самолет отклонился вправо от курса взлетно-посадочной полосы, пролетая по кругу заноса на уровне крыльев по часовой стрелке, сначала выводя самолет за край взлетно-посадочной полосы ПРОТИВ ВЕТРА, а затем продолжая движение до конца. круга -- довольно странно!

Немного изменив курс, есть самолеты, на которых можно сохранять ярко выраженное боковое скольжение, полностью спустив ноги пилота с педалей руля направления. Я видел это на сверхлегких самолетах Challenger и на некоторых планерах с маленькими вертикальными стабилизаторами. Вот как это работает: планер или самолет находится в правом крене, при этом струна рыскания течет далеко влево, т.е. шар скольжения отклоняется далеко вправо. Боковой воздушный поток, ударяющийся о фюзеляж, создает боковую силу, которая предотвращает искривление траектории полета в сторону нижней законцовки крыла. Боковой воздушный поток также взаимодействует с двугранным и другими связанными эффектами, создавая крутящий момент левого крена, стремящийся к крену самолета к уровню крыльев, которому пилот противодействует с достаточным правым элероном для сохранения угла крена. Отклоняемые элероны создают сильный крутящий момент «неблагоприятного рыскания». влево, что поддерживает скольжение и отклоняет струну рыскания. По сути, элероны создают сильный эффект «руля направления назад» в дополнение к своей функции крена. Обычно руль направления плавал до упора и оставался там — в данном случае слева. Любая попытка повернуть вправо за счет увеличения отклонения правого элерона может просто привести к увеличению угла скольжения (угла отклонения струны рыскания) без существенного изменения угла крена, возможно, даже заставив траекторию полета изгибаться влево. Таким образом, не всегда верно, что скольжение поддерживается исключительно за счет руля направления пилота! Самолетом с летными характеристиками, подобными описанным выше, практически невозможно управлять с помощью одних только элеронов и руля высоты — необходима постоянная «координация» руля направления,