Как регулируется вертикальная скорость в авиалайнерах? [дубликат]

Вертикальная скорость управляется, в первую очередь, органами управления .

Подъемная сила пропорциональна квадрату скорости и углу атаки¹, а угол атаки можно регулировать с помощью руля высоты. Пилот или автоматика используют их для управления траекторией полета самолета.

По мере того, как самолет разгоняется по взлетно-посадочной полосе, в какой-то момент пилот тянет за штурвал, который поднимает рули высоты вверх, и возникающая в результате прижимная сила на хвосте отрывает нос от земли². Это увеличивает угол атаки, потому что самолет все еще движется горизонтально, подъемная сила превышает вес, и самолет ускоряется вверх.

Когда он начинает ускоряться вверх, пилот ослабляет тягу на штурвале, чтобы предотвратить дальнейший подъем самолета. И по мере того, как самолет ускоряется вверх, угол между направлением полета и тангажем — то есть угол атаки³ — снова уменьшается, пока силы не уравновесятся. Затем самолет находится в устойчивом наборе высоты.

Когда самолет достигает вершины набора высоты, пилот⁴ нажимает на штурвал. Это заставляет самолет снижаться, что уменьшает угол атаки и, следовательно, подъемную силу, и самолет начинает разгоняться вниз, то есть замедлять набор высоты. В момент, когда самолет движется горизонтально, штурвал отодвигается назад, чтобы восстановить баланс сил.

Теперь о деталях управления органами управления. В игру вступает продольная устойчивость . Самолеты обычно⁷ спроектированы так, чтобы быть устойчивыми в продольном направлении. Это означает, что самолет будет подниматься по мере уменьшения угла атаки, что снова увеличивает его, и наклоняться вниз по мере увеличения угла атаки, что снова уменьшает его. Конечным результатом является то, что, когда лифты остаются в покое, самолет будет поддерживать определенный угол атаки.

По мере набора высоты самолет будет замедляться, если мощность двигателя не будет увеличена, потому что его потенциальная энергия увеличивается, и она будет браться из кинетической энергии, если двигатели не обеспечивают ее достаточно⁸. И по мере того, как он будет замедляться, его подъемная сила будет уменьшаться, поэтому его угол атаки будет увеличиваться, но это заставит его наклоняться из-за устойчивости. Конечным результатом является то, что он откажется подниматься, если не будет обеспечена достаточная мощность.

Точно так же, когда он снижается, он будет стремиться к ускорению, потому что потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую ⁹, и это увеличит подъемную силу, что уменьшит угол атаки, а устойчивость заставит самолет подняться. Таким образом, он откажется снижаться, если мощность не будет уменьшена.

Так что, в конце концов, вертикальная скорость фактически управляется рычагами управления двигателем . Что также гораздо легче доказать из закона сохранения энергии.

¹ До критического угла атаки, при котором происходит сваливание.

² Это называется вращением.

³ Угол атаки правильно определяется как угол между относительным ветром и линией хорды крыла, но на практике часто используется ось самолета. Это упрощает задачу, так как вам не нужно учитывать угол падения — угол между осью самолета и хордой крыла — тем более, что многие самолеты имеют скрученные крылья, где угол падения меняется по размаху.

⁴ Или чаще автопилот. В то время как взлет всегда выполняется вручную, выше FL290⁵ требуется использование автопилота, так как слишком утомительно и ненадежно поддерживать высоту вручную с достаточной точностью для обеспечения разделения⁶.

⁵ Эшелоны полета определяются давлением, соответствующим заданной высоте, в сотнях футов, в стандартный день. Таким образом, FL290 составляет 29 000 футов, но больше, когда тепло, и меньше, когда холодно. Причина в том, что давление можно легко и довольно точно измерить, а полеты при достаточно разных давлениях гарантируют, что высоты также будут разными.

⁶ Первоначально минимальное расстояние составляло 2000 футов на высоте 29 000 футов из-за более низкой точности высотомеров и более низкой точности полета, поскольку самолеты двигаются быстрее в более разреженном воздухе наверху. Но поскольку все самолеты не поместились бы там с такими расстояниями, была разрешена 1000 футов при условии, что самолет летит на автопилоте и имеет достаточно точный высотомер. Это называется сокращенным минимумом вертикального эшелонирования.

⁷ Некоторые истребители намеренно спроектированы как нестабильные, потому что это позволяет быстрее реагировать на управление. Все такие самолеты имеют компьютеризированное управление, которое это компенсирует, иначе летать было бы очень утомительно.

⁸ В качестве альтернативы считайте, что вектор подъемной силы наклонен назад и, следовательно, имеет большую заднюю составляющую, которая является сопротивлением. В физике всегда есть несколько способов анализа ситуации.

⁹ Вектор подъемной силы наклонен вперед при снижении, поэтому есть некоторая составляющая, направленная вперед, которая ускоряет самолет.

Вот хронология взлета и набора высоты самолета в крейсерский режим:

1. Самолет делает разбег. На этом этапе восходящая сила, действующая на самолет, равна его весу. Вертикальная скорость равна нулю. Первоначально вся восходящая сила создается шасси.
2. Самолет поднимается и начинает набор высоты. Во время этой фазы (которая длится всего несколько секунд) направленная вверх сила больше, чем вес. Вертикальная скорость увеличивается.
3. Самолет уверенно набирает высоту. Во время этой фазы восходящая сила снова приблизительно равна весу. Вертикальная скорость положительная, примерно постоянная.
4. Самолет выравнивается. На этом этапе восходящая сила меньше веса. Вертикальная скорость уменьшается.
5. Самолет летит на постоянной высоте. На этом этапе восходящая сила равна весу. Вертикальная скорость равна нулю.

Чтобы ответить на ваши конкретные вопросы:

Когда есть результирующая сила, разве скорость набора высоты не должна постоянно увеличиваться?

Это верно; до тех пор, пока восходящая сила больше, чем вес. Однако, пока вертикальная скорость самолета увеличивается, его угол атаки будет автоматически уменьшаться, даже если он сохраняет постоянный шаг. Таким образом, на практике всякий раз, когда восходящая сила превышает вес, она быстро опускается, пока снова не станет примерно равной весу.

И когда Самолет достигает нужной высоты, я предполагаю - либо горизонтальная скорость уменьшается, либо Самолет переходит в нормальное состояние из положения тангажа,...

Эта часть правильная. Как правило, когда пилоты решают, что они закончили набор высоты, они снижают высоту, чтобы остановить набор высоты.

... в основном уравновешивая подъем собственным весом.

Эта часть неверна. Во время подъема восходящая сила и вес уже уравновешены. Способ, которым пилоты останавливают набор высоты, заключается в временном уменьшении восходящей силы по сравнению с весом.

Я не думаю, что пилоты обычно думают о восходящей силе и весе; мыслительный процесс больше похож на «Я хочу подняться, поэтому я буду подниматься» и «Я хочу прекратить восхождение, поэтому я упаду». Но «за кулисами» они на самом деле регулируют восходящую силу.

(Вы заметите, что я говорю «восходящая сила» вместо «подъемная сила». Для целей этой темы разница не важна, но разница есть.)

В этот момент у Самолета есть некоторая вертикальная скорость, поэтому разве Самолет не должен подниматься с постоянной скоростью, даже после достижения желаемой скорости, поскольку Объекты продолжают двигаться с той же скоростью, когда на них не действует сила?

Ваше рассуждение верно. Если пилоты хотят сохранить постоянную вертикальную скорость, они будут поддерживать направленную вверх силу, равную весу. Когда они хотят начать карабкаться, они делают восходящую силу больше веса, а когда хотят прекратить подъем, они делают восходящую силу меньше веса.

Я считаю, что это помогает взглянуть на векторы силы:

(источник: собственная работа)

Слева силы показаны условно, с плоскостью в центре. Однако, если мы переставим их, как справа, мы увидим, что силы уравновешены. Это означает, что самолет находится в неускоренном полете .

Если мы поднимемся, чтобы подняться, произойдет вот что:

]

(источник: собственная работа)

Векторы тяги, подъемной силы и сопротивления вращаются вместе с плоскостью, но гравитация по-прежнему направлена ​​вниз. Справа мы видим, что силы больше не уравновешены, поэтому самолет ускоряется вверх.

Если мы ничего не делаем для компенсации:

(источник: собственная работа)

Слева самолет замедляется, что уменьшает подъемную силу и сопротивление. Теперь силы уравновешиваются, и самолет возвращается к полету без ускорения.

В центре мы завершаем подъем и спускаемся вниз. Однако силы снова неуравновешены, поэтому самолет ускоряется вниз.

Справа самолет ускоряется, что увеличивает подъемную силу и сопротивление. Теперь силы уравновешиваются, и самолет возвращается к полету без ускорения.

Если мы также отрегулируем тягу, результаты будут немного другими:

(источник: собственная работа)

Слева мы увеличиваем тягу, чтобы поддерживать скорость, которая сохраняет сопротивление прежним, но подъемная сила все еще уменьшается. Теперь силы уравновешиваются, и самолет возвращается к полету без ускорения.

В центре мы завершаем подъем и спускаемся вниз. Однако силы снова неуравновешены, поэтому самолет ускоряется вниз.

Справа мы уменьшаем тягу, чтобы сохранить скорость, которая сохраняет сопротивление прежним, а подъемная сила увеличивается. Теперь силы уравновешиваются, и самолет возвращается к полету без ускорения.

Резюме: хотя ускорение есть в верхней и нижней части подъема, его нет во время самого набора высоты, поэтому вертикальная скорость остается постоянной.

"Разгоняться до бешеной скорости, как 18-колесный автомобиль, набирающий обороты"? А теперь подожди, секундочку.

Суть этого вопроса в балансе сил. В атмосфере сопротивление — это то, что препятствует постоянному ускорению любого объекта. Сопротивление будет увеличиваться со скоростью, пока его сила не станет такой же, как ускоряющая сила. Теперь у вас есть уравновешенные силы с постоянной скоростью.

Самый простой пример — парашют. Без него ваша конечная скорость будет около 120 миль в час при падении ничком с вытянутыми руками и ногами. Еще быстрее, если вы указываете прямо вниз (меньшее сопротивление). Парашют обеспечивает гораздо большее сопротивление, и ему требуется всего 15 миль в час, чтобы уравновесить гравитационное ускорение.

В 18-колесных транспортных средствах мы пытаемся контролировать нашу скорость с помощью динамического торможения (от двигателя), чтобы избежать перегрева тормозов. Мы также знаем, что удвоение скорости нагревает тормоза в 4 раза быстрее, поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Также следует отметить, что тормозной путь также увеличился в 4 раза. Контроль скорости также полезен при приземлении, так как одна и та же кинетическая энергия пропорциональна скорости. При скорости 70 миль в час у вас на 36% больше энергии, чем при скорости 60 миль в час.