Почему накрененный самолет создает боковое скольжение?

Боковое скольжение происходит из-за того, что вектор подъемной силы наклонен. Подумайте о наклоняющемся роторе зависшего вертолета; машина смещается к нижней стороне диска ротора, потому что вектор тяги ротора наклонен. Крылья самолета только делают тягу, но при этом движутся вперед. Наклоните линию тяги виражом, и появится боковая составляющая тяги, и корпус в ответ сдвинется вбок (вертолет в поступательном полете делает то же самое - вы перемещаете циклический винт, чтобы наклонить несущий винт, а машина движется вбок, двигаясь вперед, потому что линия тяги несущего винта была наклонена).

Введение боковой составляющей тяги означает уменьшение вертикальной составляющей тяги, и если общая подъемная сила не увеличена, корпус опускается при боковом движении, так что приходится поднимать нос в повороте (или тянуть больше общего шага, или наклонять ротор немного назад, как в вертолете). А поскольку боковое движение, создаваемое наклоном вектора подъемной силы, происходит одновременно с движением тела вперед, движение описывает дугу. Поворот.

Нос следует за поворотом, потому что большой флюгер в задней части, вертикальный киль, видит поперечный угол атаки, возникающий в результате бокового скольжения, вызванного наклоном вектора подъемной силы, и стремится удерживать боковой угол атаки киля близким к нулю, и поэтому хвост следует более или менее по дугообразному пути поворота. И здесь мы подходим к двугранному эффекту и боковому скольжению.

Вы не хотите, чтобы плавник делал это без небольшой задержки. Это загвоздка; чтобы двугранный эффект работал, должно присутствовать некоторое боковое скольжение, чтобы создать дифференциальную подъемную силу, которая создает восстанавливающую или восстанавливающую силу. Таким образом, размер киля должен быть таким, чтобы эффективно удерживать хвост на одном уровне с воздушным потоком, когда самолет движется вбок в результате крена, но не настолько большим, чтобы делать это мгновенно; он должен допустить небольшое боковое скольжение, прежде чем он начнет работать, чтобы двугранный эффект мог действовать при возникновении небольших возмущений.

Если вы сделаете вертикальный плавник слишком большим, за креном, вызванным возмущением, немедленно последует рыскание, вызванное зарождающимся боковым скольжением, чтобы удержать хвост на одном уровне с воздушным потоком, и почти не произойдет бокового скольжения. Кроме того, рысканье означает, что внешнее крыло движется быстрее, что приводит к большему увеличению крена. Этот самолет будет иметь тенденцию оставаться под углом крена или увеличивать угол крена и стремиться к спирали.

Размер плавника должен найти золотую середину, где боковое скольжение допустимо ровно настолько, чтобы заработал двугранный эффект, но не слишком сильно. Слишком большой, и самолет уходит в поворот при малейшем возмущении, потому что любой вызванный креном из-за неровности следует за немедленным флюгером в сторону низкорасположенного крыла. Маловат, и боковая устойчивость хорошая, но нос рыскает и рыскает по кочкам.

Мой собственный самолет — самодельный Pazmany PL-2 , и у него немного недостаточное оперение, что в сочетании с инерционной массой топлива в законцовках крыла заставляет нос раскачиваться на неровностях больше, чем у многих самолетов. Однако у него очень небольшая склонность к спирали, и вы можете накренить его на 15 градусов в спокойном воздухе и оставить его (слишком большой крен, чтобы сработал двугранный эффект), и он просто останется таким, а для развития спирального пикирования требуется много времени.

Существует множество неверных объяснений того, почему самолет имеет тенденцию к боковому скольжению при крене, в отсутствие какого-либо «координирующего» воздействия руля направления. Часто используется тот факт, что компонент веса или вектора силы тяжести указывает на одну законцовку крыла. См., например, диаграмму в книге Мартина Саймонса «Конструкция модели самолета».

Правда в том, что такая ситуация существует как при скоординированном повороте, так и при боковом скольжении, и поэтому это не может быть причиной бокового скольжения. Согласно принципам Ньютона, постоянная боковая сила имеет тенденцию вызывать кривизну траектории, а не линейное боковое движение. Неправильно говорить, что вектор веса или силы тяжести имеет тенденцию заставлять самолет скользить к нижней законцовке крыла всякий раз, когда самолет накренился, просто потому, что вектор веса или силы тяжести содержит компонент, указывающий на нижнюю законцовку крыла.

Вот одна из причин, по которой самолет имеет тенденцию к боковому скольжению при крене - крен вызывает поворот (искривление траектории полета), и результирующая кривизна траектории полета «искажает» воздушный поток или относительный ветер. Другими словами, когда самолет начинает рыскать в ответ на изменение направления движения, разные части самолета движутся сквозь воздушную массу в разных направлениях с разными скоростями в любой момент времени, и поэтому разные части самолета испытывают разные скорости (скорость и направление) местного относительного ветра, которые можно описать как «кривую» или «изгиб» в направлении относительного ветра. В отсутствие какого-либо воздействия на руль направления вертикальное оперение испытывает относительную составляющую ветра, которая имеет тенденцию препятствовать повороту и замедлять скорость вращения по рысканью.

Если это неясно, рассмотрите вертушку или самолет в плоском штопоре. Очевидно, что при вращении тела разные части тела движутся сквозь воздушную массу в разных направлениях в любой момент времени.

Это явление также можно описать как «демпфирование рыскания».

Это также явление, которое описано как эффект «скольжения длинного хвоста» в разделе 8.10 веб-сайта Джона С. Денкера «See How It Flies» .

Если бы фюзеляж самолета мог изгибаться, как банан, чтобы соответствовать изгибающейся траектории поворота, то каждая часть самолета от носа до хвоста могла бы быть обтекаемой в соответствии с местным направлением изгибающегося относительного ветра, и этого явления не произошло бы. .

Вращательная инерция по оси рыскания также играет небольшую роль в боковом скольжении по мере увеличения угла крена и скорости поворота.

Объяснения, которые пытаются объяснить взаимосвязь между креном и боковым скольжением, не обсуждая кривизну траектории полета, которая обычно возникает из-за крена, неизменно неверны.

Процесс качения самолета создает неблагоприятное рыскание, которое вызывает боковое скольжение. Это временный эффект, который объясняется в этом ответе .

Однако при устойчивом скоординированном повороте (с центрированием мяча) также будет присутствовать боковое скольжение. Это стационарный эффект. Есть несколько способствующих факторов:

• Имеется установившийся ненулевой руль направления, необходимый для обнуления демпфирующего момента рыскания ($C_{n_r}$), демпфирующий момент рысканья ($C_{n_p}$) и неблагоприятный момент элеронов ($C_{n_{\delta_a}}$). Это отклонение руля направления создает аэродинамическую боковую силу ($C_{y_{\delta_r}}$).
• Наличие стационарного ненулевого рыскания и скорости крена индуцирует боковую силу ($C_{y_p}$и$C_{y_r}$).

При повороте с центром на мяче сумма аэродинамической боковой силы равна нулю, что физически требует ненулевого бокового скольжения для создания необходимой аэродинамической боковой силы для компенсации.

Вместе:

Это при всех работающих двигателях, поэтому асимметрии тяги нет. И это стационарное боковое скольжение мало для поворота по центру мяча.