Неужели истребители настолько нестабильны по своей природе, что человек не может летать на них без посторонней помощи?

Мой короткий ответ:

• Устойчивость снижается за счет смещения центра тяжести назад.
• Смещение его за нейтральную точку делает самолет неустойчивым, поэтому движения от балансируемого состояния ускоряются. Это повышает маневренность.
• Бортовые компьютеры многократно резервированы, если один умирает, другие вступают во владение.
• Пилот-человек может управлять медленными неустойчивыми самолетами, но не быстрыми неустойчивыми самолетами.

Для длинного ответа позвольте мне сначала уточнить термины:

Статическая устойчивость — это тенденция системы возвращаться в свое прежнее состояние после того, как она была нарушена. Возьмем маятник: если потянуть его в сторону, он вернется к середине. В итоге.

Динамическая устойчивость — это тенденция колебательной системы к затуханию колебаний с течением времени. Возьмем тот же маятник: он будет качаться из стороны в сторону, а трение будет обеспечивать это с все меньшей амплитудой.

Теперь нам нужно добавить размеры, все три из них: тангаж, крен и рыскание. Самолет может быть устойчивым в одном измерении и неустойчивым в другом. Ваш вопрос я понимаю так, что Вы спрашиваете о статической устойчивости по тангажу (или продольной устойчивости) истребительной авиации.

Wright Flyer был нестабилен в продольном направлении (подробнее см. Здесь ). Как только авиаконструкторы узнали, что самолет можно заставить летать стабильно, и поняли, что это имеет огромное значение для обучения пилотов, статическая устойчивость стала требованием для новых самолетов. Когда в Европе разразилась война, британские войска были оснащены превосходным учебным самолетом , но он был настолько устойчив, что потребовались усилия и время, чтобы убедить его изменить курс. Их расстреливали толпами.

Отныне низкая устойчивость стала первоочередным требованием к истребителям и пилотажным самолетам. Статическая устойчивость пропорциональна силам управления (точнее: шарнирному моменту соответствующей поверхности управления), поэтому снижение устойчивости давало пилотам больше реакции на то же усилие. Продольная статическая устойчивость измеряется как относительное расстояние между нейтральной точкой (NP) и центром тяжести (ЦТ). Подробнее см. здесь . Продольная статическая устойчивость достигается размещением ЦТ впереди НП. Смещение ЦТ назад дает вам более отзывчивый самолет, но также и тот, который легче беспокоить порывами ветра.

Это техника проектирования, о которой вы спрашивали. Довольно просто, правда?

При смещении ЦТ на корму НП устойчивость теряется, и самолет будет увеличивать отклонения от балансировочного состояния. Это может быть полезно, если вы хотите изменить большой угол и быстро. Неустойчивому самолету нужен только небольшой толчок, а остальную часть маневра он сделает сам.

Вот как это помогает в маневренности. Но еще полезнее уменьшить инерцию, особенно вокруг оси крена, для более быстрого отклика. Вот почему у всех боевых самолетов двигатели расположены ближе к центру.

Конечно, отрицательная стабильность неприемлема, когда вам нужно убрать руки с джойстика, чтобы достать карту или пописать во время длительного полета. Таким образом, без компьютерного управления пределом была позиция ЦТ рядом, но не позади НП.

Со сверхзвуковыми самолетами дело обстояло сложнее. Теперь самолет работает в двух режимах полета: в одном подъемная сила действует на четверти хорды крыла, а в другом — на средней хорде. Самолет с низкой статической устойчивостью становится очень устойчивым в сверхзвуковом полете, и поверхность хвостового оперения должна создавать большую прижимную силу, чтобы сумма всей подъемной силы оставалась там, где находится центр тяжести. Создание подъемной силы всегда влечет за собой штраф за сопротивление, и в сверхзвуковом полете его нужно платить дважды: один за избыточную подъемную силу на крыле (которая необходима для компенсации прижимной силы хвоста) и один за прижимную силу на хвосте. .

Использование компьютера управления полетом дает возможность позволить пилоту отпустить ручку управления без отклонения самолета от курса. Теперь стик управляет не отклонением руля высоты, а скоростью тангажа, а центр тяжести можно отодвинуть от примерно 12% MAC (средняя аэродинамическая хорда) до -2%. Если вы сравните площади крыльев устойчивых и неустойчивых реактивных самолетов (яркими примерами являются Jaguar и Mirage F-1), вы увидите, как многого можно добиться, просто вернувшись с ЦТ на несколько процентов хорды крыла.

Обычный вариант SEPECAT Jaguar и CCV (рисунок из книги Рэя Уитфорда «Основы проектирования истребителей»). Обе конфигурации имеют одинаковые аэродромные и боевые характеристики!

Может ли человек летать на таком самолете? В соревнованиях по планерному спорту более смелые пилоты летают с расслабленной статической устойчивостью и без проблем удерживают самолет под контролем. Даже братья Райт могли управлять своим нестабильным самолетом, и управляемость улучшилась, когда они сдвинули центр тяжести дальше назад (если вы хотите знать, почему, задайте новый вопрос. Этот ответ уже становится слишком длинным!). Однако скорость отклика самолета на тангаж пропорциональна скорости полета (и обратно пропорциональна моменту инерции тангажа), поэтому более быстрыми самолетами труднее управлять. Вы можете сравнить динамическое давление с жесткостью пружины: более жесткая пружина увеличивает собственную частоту системы пружина-масса, и то же самое верно для собственных значений уравнений движения.самолета. Учитывая, что время реакции хорошего пилота составляет не менее 0,1 с (и больше, если он устал), невозможно противодействовать движениям с частотой более нескольких герц. Запаздывание означает, что реакция приходит слишком поздно и будет поддерживать движение. Посмотрите этот клип на YouTube , как это работает на практике. Эта авария произошла из-за неправильного усиления сигнала, а не из-за классической нестабильности (в конце концов, бортовой компьютер все еще работал, но выдавал слишком сильные отклонения руля высоты).

Рискну сказать, что человек еще с трудом может управлять нестабильным реактивным самолетом на малой скорости (ведь Том Моргенфельд чуть было не справился с управлением YF-22), но как только он перекроет газ, он всегда будет позади самолета, и скоро рухнет.

Размер помогает: большие самолеты имеют более низкие собственные частоты, а легкие, большие машины легко контролировать, независимо от устойчивости. Все цеппелины были совершенно неустойчивы по рысканию и выше критической скорости дирижабля (опять же просьба дать более развернутый ответ по этому аспекту) еще и по тангажу, но по одному человеку на вертикальный и горизонтальный рули, и достаточно людей на борту, чтобы вращать их через 2 - 4 часа, никто не чувствовал необходимости делать Цеппелины естественно устойчивыми.

Если один компьютер умирает, другие вступают во владение. Большинство нестабильных конфигураций имеют четыре параллельных компьютера, которые перепроверяют свои результаты, чтобы выявить любую неисправность. Dassault Rafale использует только три, но добавляет безопасности за счет умных алгоритмов проверки результатов.

Да, первым таким самолетом был F-16. Он был спроектирован как аэродинамически нестабильный по своей природе, что позволяет ему превосходно реагировать в бою. Это стало возможным благодаря тому, что это самолет с дистанционным управлением. Повышается маневренность, потому что по определению это способность менять состояния. Стабильность – это сопротивление изменениям. Чем более вы стабильны, тем труднее вам быстро поворачивать/подавать в динамичной ситуации.

И да, пилот не смог бы посадить эти самолеты, если бы системы дистанционного управления вышли из строя. Были случаи, когда пилоты F-16 теряли свои компьютеры и умирали из-за вызванных пилотом колебаний - условия, когда пилот не корректирует нестабильность своего самолета со скоростью, достаточной для сохранения управления.

Другими такими нестабильными самолетами являются B-2, F-22, F-35, Eurofighter и т. д. Все современные истребители должны быть нестабильными по своей природе, чтобы быть конкурентоспособными.

Нестабильность по тангажу снижает дифферентное сопротивление самолета с хвостовым оперением. Устойчивость относится к относительному положению центра подъемной силы (cl) и центра тяжести (cg). Когда cg опережает cl (стабильный), самолет, который сваливается, может упасть вперед, увеличивая скорость и восстанавливаясь. Когда cl опережает cg, этого не произойдет. Однако, когда cl опережает cg, хвостовое оперение создает подъемную силу. Когда cg опережает cl (неустойчиво), хвостовое оперение создает направленную вниз силу, снижая эффективность. Для утки устойчивость позволяет обеим поверхностям создавать подъемную силу. Однако истребители типа «утка» имеют тенденцию быть неустойчивыми, чтобы увеличить скорость тангажа и снизить сверхзвуковое сопротивление. На сверхзвуковых скоростях cl движется назад, что означает, что утке придется взять на себя большую часть нагрузки по подъему самолета. Поскольку утка является менее эффективной несущей поверхностью, чем крыло,

Редактировать:

Я добавлю, что когда истребитель переходит на сверхзвук, он переходит от нестабильного к стабильному как для уток, так и для хвостов.