Можно ли использовать положение джойстика в качестве индикатора угла атаки?

Для заданного набора параметров конфигурации, центра тяжести, веса, мощности, перегрузки, вы теоретически можете использовать положение ручки управления в качестве индикации приближающегося сваливания. Проблема в том, что фактическое местоположение будет меняться в зависимости от всех этих параметров, поэтому, если бы у вас был индикатор сваливания, который измерял и отображал положение рукояти, вам постоянно приходилось бы менять калибровку с настройкой мощности, положением закрылков, перегрузкой, всем поднятым весом. , и центр тяжести.

Итак, возьмите прибор, который вы бы разработали, чтобы пройти под полом, чтобы измерить, где находится стержень, и переместите его к крылу с крыльчаткой, которая обдувается потоком чистого воздуха, пусть ЭТО управляет вашим индикатором, и вуаля. ! Нет необходимости подстраиваться под какие-либо переменные конфигурации, и вы точно знаете, где вы находитесь относительно сваливания в любое время и во всех режимах полета.

Я собираюсь немного возразить всем и сказать, что идея имеет некоторые достоинства.

Если мы рассмотрим задачу математически, в идеальных условиях (спокойный воздух, прямой и горизонтальный полет, все константы), то может быть полезно думать об управлении рулем высоты как об управлении по углу атаки. Многие люди, в том числе пилоты, не понимают сильной связи здесь. Так что, по крайней мере, в образовательных целях мы можем сказать да.

Однако , даже в таких условиях мы должны подчеркнуть, что речь идет только об установившихся условиях, когда все снова устанавливается на установившиеся/постоянные значения. Когда вы перемещаете стик (что вы можете сделать очень быстро), дрон не реагирует мгновенно (и строго пропорционально). Будут эффекты перехода различной сложности, и большая часть науки о динамике полета изучает именно это. Тем не менее, «хороший» устойчивый самолет остановится на чем-то (до тех пор, пока у него есть возможности для этого, например, мощность), и этот новый угол атаки будет отражать новое положение ручки управления.

По этой причине на практике полезнее думать о триммере руля высоты, контролирующем устойчивый угол атаки, чем о самом руле высоты: мы обычно используем триммер именно для таких устойчивых условий, а руль высоты используем для «динамики».

Конечно, как все говорили, на практике существует гораздо больше переменных (которые на самом деле варьируются ), и правильный датчик AoA не так уж и сложен. Даже положение джойстика/триммера для заданного угла атаки в устойчивом состоянии будет варьироваться в зависимости от положения ЦТ, поскольку для достижения того же эффекта потребуется разное количество перемещений. Тем не менее, есть несколько практических случаев, когда положение джойстика является разумным прокси для AoA, даже несмотря на наличие датчика AoA.

Во-первых, джойстик позволяет отделить преднамеренные изменения угла атаки от случайных (например, из-за порывов ветра). Иногда это имеет значение. Во-вторых, это может быть быстрее (для преднамеренных изменений): стик покажет желаемый угол атаки до того, как он действительно будет достигнут. Эти две вещи используются по крайней мере в одной известной мне системе управления: управление носовым обтекателем МиГ-21бис.

Конус необходимо выдвигать вперед при более высоких углах атаки, чтобы сверхзвуковая ударная волна не попала внутрь воздухозаборника. Тем не менее, вы не хотите постоянно двигать его при каждом маленьком порыве ветра; в то же время движение не такое быстрое, и вы хотите упредить его до того, как будет достигнут опасный угол атаки. Таким образом, положение ручки управления используется в качестве входных данных для этой системы на этом самолете, а не истинное AoA (которое доступно).

Динамика самолета, безусловно, связана с углом атаки и положением ручки управления, но они не связаны однозначно. Здесь присутствует сложная динамика. Некоторые примеры:

1. Вы можете взять джойстик и на малой скорости самолета быстро прокрутить его туда-сюда до упора, и угол атаки самолета не будет отслеживаться с ним. Реакция AOA на положение стика не мгновенная (на малых скоростях).
2. Вы можете зафиксировать палку и лететь в турбулентность, и угол атаки будет повсюду, пока палка закреплена. Опять же, это зависимость динамической модели между положением ручки управления и углом атаки.
3. Вы можете изменить положение центра тяжести, сжигая топливо, и отношение положения стиков к углу атаки изменится.

В «Руке и руле направления» Лангевише подчеркивается идея о том, что руль высоты, по сути, является средством управления углом атаки, и что ограничение движения ручки управления назад не позволит крылу достичь угла атаки сваливания.

Но здесь есть фундаментальная проблема с идеей использования ручки управления в качестве указателя угла атаки — она может хорошо работать в полете на уровне крыльев, без ускорения (без петли), но в полете с разворотом ручка управления часто должен быть расположен НАМНОГО ДАЛЕЕ НАЗАД, чтобы установить крыло под заданным углом атаки, чем при полете на уровне крыльев.

Например, когда планер находится в термике, ручка часто находится довольно далеко от кормы, в положении, которое может вызвать сваливание в полете на уровне крыльев. Это особенно верно, если ЦТ находится довольно далеко вперед.

Есть несколько планеров (например, Slingsby Swallow), которые были спроектированы так, чтобы иметь довольно ограниченный ход руля высоты в интересах предотвращения сваливания, в котором тяжелые пилоты, летящие вблизи переднего края допустимого диапазона центровки, обнаруживают, что в термическом развороте даже размещение полностью отодвинутый джойстик назад к заднему упору дает угол атаки, который явно ниже, чем угол атаки, обеспечивающий минимальную скорость снижения. Другими словами, они вынуждены летать слишком быстро. Даже несмотря на то, что те же пилоты могли снизить скорость значительно ниже минимальной скорости снижения и, возможно, даже до скорости сваливания в полете на уровне крыльев.

Было предложено несколько ошибочных объяснений, почему это так. Правда в том, что если траектория полета изгибается, то и относительный ветер изгибается. Или, другими словами, поскольку самолет вращается как по тангажу, так и по рысканью, а также линейно перемещается, вращательное движение вызывает разницу в направлении местного относительного ветра между носом самолета и хвостом самолета. .

Грубо говоря, при повороте от умеренного до крутого в системе отсчета самолета нос постоянно «поднимается», а хвост постоянно «опускается», поэтому изгибающийся относительный ветер имеет тенденцию «толкать» хвост вверх и создавать крутящий момент тангажа носом вниз, помещая крыло на меньший угол атаки, чем мы могли бы видеть с тем же положением ручки в полете на уровне крыльев.

Это также можно описать как эффект «демпфирования тангажа» — самолет имеет присущее аэродинамическое сопротивление вращению по тангажу, и это аэродинамическое сопротивление выражается в крутящем моменте по тангажу, который заставляет крыло лететь под меньшим углом. -атака, чем мы могли бы увидеть для того же положения руля высоты в линейном полете на уровне крыльев.

Эти эффекты гораздо сильнее выражены у тихоходных самолетов, чем у быстролетящих при тех же линейных размерах, поскольку радиус кривизны виража обратно пропорционален квадрату воздушной скорости.

Если все это кажется вам немного неправдоподобным, вы можете прочитать статью «Круг по пути Холигхауса», в которой рассматриваются эффекты искривления относительного ветра в измерении рыскания (не тангажа).

http://www.wisoar.org/Documents/Holighaus%20-%20Thermalling%20Efficiency.pdf

Также обратите внимание, что в "фугоидном" тангаже, либо когда руль высоты свободно парит, либо когда руль высоты твердо удерживается в полностью фиксированном положении, может случиться так, что звуковой сигнал сваливания звучит, когда траектория полета изгибается вниз около вершины каждого из них. колебание, но бесшумно, поскольку полет движется вверх по дуге в нижней части каждого колебания. Опять же, это проявление того, как кривизна траектории полета и относительный ветер вызывают увеличение или уменьшение угла атаки крыла.

Относительное положение рукояти является хорошим индикатором положения штанов, позволяющим узнать, когда вы находитесь близко к стойлу, но ощущение рукояти меняется с триммером и, следовательно, не является надежным индикатором положения рукояти. Так что да, между ними существует корреляция, которая может быть полезной, но само по себе положение не должно использоваться в качестве основного средства определения критического угла атаки. Кроме того, угол атаки имеет точное определение, связанное с ним. Хотя положение джойстика влияет на угол атаки, оно не соответствует этому определению, поэтому их не следует путать.

ЛОЖЬ.

Проблема в том, что даже со всеми вашими оговорками есть еще вещи, которые могут повлиять на AoA, помимо ввода стика. Например, вы указали «нормальную компьютерную графику», не уточнив, что именно это означает. Большинство пилотов, услышав эту фразу, предположили бы, что вы имели в виду «где-то между передним и задним пределами» — т. е. там, где «обычно» находится ЦТ. Но ЦТ может изменяться в пределах этого диапазона, изменяя момент тангажа самолета и тем самым изменяя соотношение между положением ручки управления и углом атаки.

Но что, если мы оговорим, что компьютерная графика находится в фиксированном известном месте? Есть еще проблема со скоростью полета. Чем больше воздуха проходит через лифт, тем больше у вас полномочий по контролю, поэтому одни и те же входные данные вызывают большее изменение AoA.

Но что, если мы оговорим фиксированную скорость полета? Затем, вероятно, есть несколько других факторов, которые я не могу сразу придумать, которые также влияют на AoA.

Но что, если мы оговорим, что все эти другие факторы также фиксированы? Тогда у вас все еще есть проблема, что угол атаки будет отставать от положения ручки из-за инерции самолета. Это превращает ваш теоретический индикатор AoA в скорее индикатор того, каким-был бы AoA, если бы вы недавно не двигали палкой.

Но если вы добавите все эти другие условия и найдете способ компенсировать отставание, то ответ на ваш вопрос станет верным: вы можете использовать положение стика для расчета AoA.

Попробуем на конкретном примере. Предположим, я лечу прямо и горизонтально под углом атаки 3°. Я хочу подняться, поэтому я тяну палку назад. Что происходит с АОА? Все, что я сделал, это повернул самолет, я фактически не изменил направление полета (пока), поэтому угол атаки начинает увеличиваться. Увеличение угла атаки увеличивает подъемную силу (до тех пор, пока вы не свалитесь), так что теперь подъемная сила больше, чем вес, поэтому самолет начинает набор высоты. Это, в свою очередь, изменяет угол относительного ветра до тех пор, пока он не достигнет равновесия, основанного на скорости вращения самолета.

Угол атаки поддерживается в этой точке равновесия аэродинамическими силами. Если угол атаки уменьшается ниже этой точки, самолет теряет подъемную силу, поэтому относительный ветер не успевает за вращением самолета, что увеличивает угол атаки. Если угол атаки превышает эту точку, то самолет получает дополнительную подъемную силу, поэтому относительный ветер начинает догонять вращение самолета, что уменьшает угол атаки.

Но все , что вращает плоскость, будет иметь точно такой же эффект. Скажем, большой парень встает с переднего сиденья и идет к заднему. Это создает вращающий момент, который пытается поднять самолет. Если ничего не сделать, чтобы сбалансировать это, то самолет начнет вращаться, производя точно такой же эффект изменения угла атаки, вызывая набор высоты, который меняет относительный ветер, пока он не найдет новую точку равновесия.

Проблема с использованием положения стика в качестве индикатора сваливания заключается в том, что даже когда стик находится в нейтральном положении, я имею в виду, не касаясь его, вы можете заглохнуть, просто воздействуя на триммер. Существует несколько решений для предотвращения остановки; В дополнение к предупреждению о сваливании, философия Boeing на B777 заключается в изменении нагрузки на рукоятку. У Airbus также есть решение, с помощью которого ручка вместо того, чтобы давать пропорциональное отклонение рулю высоты, дает порядок коэффициента нагрузки, который становится ограниченным, когда вы приближаетесь к критическому углу атаки, причем критический угол атаки является функцией конфигурации, которая представляет собой закрылки, предкрылки. и т. д., благодаря этой технике полное вытягивание рукояти не приводит к остановке; Airbus использует 3 датчика AOA, чтобы изолировать неисправный датчик.

ЛОЖЬ

На самом деле это очень опасное предположение. Во-первых, существует взаимосвязь между ЦТ и шагом руля высоты, которую можно изучить на примере бумажных самолетиков и простых планеров из бальзы. Изучение основ полета без двигателя необходимо для понимания угла атаки и сваливания, а также для понимания важности нахождения в пределах центровки.

Угол атаки зависит от соотношения между подъемной силой, центром тяжести и тангажем (положением ручки И триммером) и воздушной скоростью. Самолет, спроектированный с передним ЦТ и поднятым рулем высоты, будет поднимать угол атаки на слишком высокой скорости и снижать его по мере того, как скорость снижается из-за набора высоты и увеличения сопротивления.

Обратите внимание, что по мере того, как самолет набирает высоту, относительный ветер также меняется на хвосте, поднимая нос еще выше, но центр тяжести вперед и снижение воздушной скорости уменьшают эффект увеличения тангажа. В конце концов, самолет перестает набирать высоту, и относительный ветер снова меняется на хвост, толкая нос вниз, когда он тонет.

Теперь переместите вес назад для той же установки руля высоты за задний предел ЦТ. По мере того, как самолет набирает высоту и замедляется, нос продолжает подниматься. УА увеличится до точки сваливания. В моделях это обеспечивает плавный горизонтальный полет, поскольку самолет подчиняется законам физики: увеличение подъемной силы с более высоким углом атаки компенсирует уменьшение подъемной силы с более низкой скоростью вплоть до точки сваливания, где он резко снижается.

Так что на самом деле скорость полета - это то, за чем вам нужно следить. При ПОСТОЯННОЙ воздушной скорости заданная настройка тангажа даст заданный угол атаки при условии отсутствия изменений относительного ветра (см. работу Quiet Flyers, описывающую термики).

Слишком много факторов в реальном полете, чтобы сделать положение джойстика полезным за рамками общего приближения.

Моя стоимость 5 центов

1. Мощность - это то, что вызывает подъем или пристойность.
2. Рычаг изменит положение при применении триммера или при управлении пилотом.
3. В качестве приблизительного ориентира я думаю, что положение стика является общим прокси для AOA.
4. Дискуссии о поворотах не противоречат этому, так как в любом повороте, если вы хотите сохранить высоту, вам нужно оттянуть ручку назад, т.е. увеличить угол атаки и применить мощность.

Таким образом, триммер перемещает рукоятку таким образом, что просто разгружается входное давление пилота, необходимое для управления. Следующим шагом будет установка датчика и проведение испытаний в различных условиях полета. Я купил индикатор LRI на Oshkosh 2007, и это был в основном датчик давления с подвесным датчиком на крыле, измеряющий давление воздуха в разных точках углового алюминиевого профиля, очень похожий на трубку Пито Dynon AOA. Всегда существуют различные взгляды на эти устройства, но всегда следует поощрять эксперименты и тщательные летные испытания (если они безопасны), поскольку это помогает нам двигаться вперед.