Согласно отчету NTSB об аварии рейса 427 USAir , все коммерческие самолеты имеют перекрестную скорость (скорость, при которой максимальная сила качения от элеронов и спойлеров самолета достаточна для противодействия силе качения, создаваемой полным рулем направления). ; выше этой скорости перекрытие руля направления может быть выветрено при достаточном входе в штурвал, в то время как ниже этой скорости перекрытие руля направления вызовет немедленную потерю управления), которая увеличивается пропорционально коэффициенту вертикальной перегрузки самолета (так что воздушная скорость пересечения при , скажем, 4 Гс будет больше, чем при 1 Г) 1 :
Несколько условий летных испытаний требовали, чтобы летчики-испытатели сохраняли контроль над самолетом и, если возможно, постоянный (или устойчивый) курс, используя штурвал для противодействия полному отклонению поверхности руля направления. Эти испытания показали, что при конфигурации закрылков 1 и на определенных скоростях полета сила крена (с использованием спойлеров и элеронов) была недостаточной, чтобы полностью компенсировать эффекты крена руля направления, отклоненного до предела продувки. Воздушная скорость, при которой максимальное управление по крену (полное управление по крену, обеспечиваемое входом штурвала) больше не могло противостоять эффектам рыскания/крена руля направления, отклоненного до предела продувки, участники испытательной группы называли «пересекающейся воздушной скоростью».
Летные испытания показали, что в конфигурации с закрылками 1 и расчетной массе самолета 110 000 фунтов воздушная скорость кроссовера 737-300 составляла 187 KCAS при 1G. исправляется вводом штурвала управления; однако в той же конфигурации на скоростях 187 KCAS и ниже крен, вызванный полным отклонением руля направления, не мог быть полностью устранен полным вводом штурвала в противоположную сторону, и самолет продолжал крениться в направлении отклонения руля направления. . Данные летных испытаний также подтвердили, что увеличение коэффициента вертикальной перегрузки или угла атаки привело к увеличению поперечной воздушной скорости.
... Моделирование полета M-CAB показало, что при отклонении руля направления до аэродинамического предела продувки и в конфигурации и условиях аварийного самолета рейса 427 USAir полностью устранить крен не удалось (и управление самолетом не удалось быть восстановленным) с использованием полного управления штурвалом, если воздушная скорость оставалась ниже 187 KCAS... Чтобы вернуть самолет в положение на уровне крыльев, пилоты должны были избегать чрезмерных маневров, которые могли бы увеличить коэффициент вертикальной перегрузки или угол наклона. атаки и, таким образом, увеличить воздушную скорость кроссовера.
... Один пилот описал, как самолет первоначально реагировал на действия элеронов и начинал выходить из положения крена, вызванного рулем направления, и как, оттягивая штурвал назад и добавляя некоторый коэффициент вертикальной перегрузки, восстановление можно было бы остановить и самолет мог зависнуть в боковом крене. Летчик-испытатель сказал, что в эти моменты он не применял дополнительных воздействий на заднюю колонку, но эти воздействия привели бы к тому, что самолет «завалился на руль направления». Пилот сделал вывод, что «управлять скоростью крена можно штурвалом». Другой летчик-испытатель Boeing сказал, что, говоря о управляющих воздействиях, необходимых для восстановления после полного поворота руля направления, «требуется некоторая техника между G [нормальным коэффициентом перегрузки] и креном».
Летчики-испытатели подтвердили, что модели Boeing M-CAB и компьютерного моделирования учитывали компромисс между нормальным коэффициентом перегрузки и управлением по крену, но этот компромисс происходил при большем коэффициенте перегрузки в симуляторе, чем в самолете...
Летчики-испытатели Boeing заявили, что, когда они позволили воздушной скорости увеличиться примерно до 220–225 KCAS (жертвуя высотой, необходимой для поддержания воздушной скорости), самолет легко восстановился. Пилоты сообщили, что, когда они инициировали событие на более высоких скоростях полета, самолетом было легче управлять, и восстановление происходило с меньшим креном... [страницы 63-65 отчета/страницы 87-89 файла отчета в формате PDF]
В статье Боинга воздушная скорость кроссовера определяется как скорость, ниже которой момент качки, создаваемый полным боковым управлением, не преодолевает эффект крена от полного смещения руля направления. В статье говорилось, что «хотя воздушная скорость, при которой это происходит, является переменной, перекрестные скорости существуют на всех коммерческих самолетах…» [страница 205/229].
... Исходя из существующей воздушной скорости и увеличения вертикальной перегрузки, примерно к 19:03:02 самолет был бы ниже воздушной скорости, при которой органы управления по крену (элероны и спойлеры) могли противостоять воздействию полностью отклоненного руля направления. (пересекающаяся воздушная скорость). Таким образом, с этого момента летный экипаж не мог восстановить управление по крену без увеличения воздушной скорости и/или уменьшения вертикальной перегрузки самолета. [страница 256/280]
Учитывая, что элероны и спойлеры самолета обычно движутся с той же воздушной скоростью, что и руль направления (и, следовательно, должны испытать соответствующее увеличение управляемости с увеличением воздушной скорости), как его боковая управляемость может превзойти власть руля направления после определенной скорости? Несмотря на то, что аэродинамические силы, создаваемые элеронами и интерцепторами, и, следовательно, управляемость ими, увеличиваются по мере увеличения воздушной скорости, не должен ли этот же эффект также вызывать увеличение управляемости руля направления и опережать элероны? спойлер контрольный орган? Почему контрольная способность боковых органов управления увеличивается с увеличением скорости полета быстрее, чем контрольная способность руля направления? В этом отношении, есть ли какая-то особая причина, по которой авторитет руля направления должен быть больше, чем у элеронов и спойлеров на малых скоростях? Руль направления должен иметь большую власть управления, чтобы иметь возможность компенсировать отказ двигателя чуть выше V-1, но почему боковые органы управления не могут иметь еще больше полномочий управления, чтобы иметь возможность компенсировать руль направления? хардовер на малых скоростях?
И почему увеличение коэффициента вертикальной перегрузки приводит к увеличению воздушной скорости кроссовера? Для того чтобы самолет испытал высокую вертикальную перегрузку, он должен лететь под аномально большим углом атаки — не должен ли при этом руль направления все дальше и дальше уходить в кильватерную полосу горизонтального хвостового оперения и хвостовой части фюзеляжа, «заглушая» руль направления (уменьшая его управляемость) и, таким образом, вызывая снижение скорости полета кроссовера?
..........
1 : Для Боинг-737 скорость кроссовера также зависит от положения закрылков, но это уже другой вопрос .
как могут [элероны и спойлеры самолета] возможность поперечного управления превзойти возможности руля направления после определенной скорости?
Это зависит от коэффициента подъемной силы крыла. При более высоком коэффициенте подъемной силы нижний элерон не может добавить такую же подъемную силу, как при более низком коэффициенте подъемной силы. В то время как поднятый элерон на противоположной стороне по-прежнему будет локально уменьшать подъемную силу, опущенный элерон становится менее эффективным в увеличении подъемной силы по мере увеличения коэффициента подъемной силы. Более высокий коэффициент подъемной силы вызывает более высокий пик всасывания вблизи передней кромки и создает большую нагрузку на пограничный слой, и добавление того же самого становится сложнее, когда крыло приближается к условиям сваливания.
Еще одним фактором является неблагоприятное рыскание , которое увеличивается с увеличением коэффициента подъемной силы. Это неблагоприятное рыскание добавит к моменту рыскания перевернутого руля направления и увеличит боковое скольжение, что, в свою очередь, создаст больший вращающий момент от поперечного угла против эффекта элеронов. По мере того, как неблагоприятное рыскание уменьшается с меньшим коэффициентом подъемной силы, угол бокового скольжения уменьшается, и элероны получают контрольную мощность.
Обратите внимание, что аэроупругость снижает эффективность всех поверхностей управления по мере увеличения скорости. Детали зависят от жесткости на кручение фюзеляжа (которое будет скручиваться при отклонении руля направления) и крыла (которое будет искривляться при отклонении элеронов). В зависимости от того, где жесткость выше, скорость кроссовера и возможная сила крена на более высоких скоростях могут различаться.
почему увеличение коэффициента вертикальной перегрузки приводит к увеличению воздушной скорости кроссовера?
Потому что более высокий коэффициент нагрузки требует более высокого коэффициента подъемной силы при полете с той же скоростью.
Это дополнение к принятому ответу @Peter, который является правильным ответом в отношении B737.
Скорость кроссовера не является стандартной номенклатурой в отрасли. Я подозреваю, что этот термин, как он определен здесь, ограничен программой B737. Не у каждого самолета есть «пересекающаяся скорость» в ее нынешнем определении.
Как отмечается в отчете об авариях NTSB , почти все самолеты с механическим приводом, соответствующие Части 25, имеют избыточные пути управления с двумя или более независимыми PCU. В случае B737 он имеет один PCU (хотя и питается от двойной резервной гидравлической системы), а также резервный PCU, который обычно не находится под давлением вместе с резервной гидравлической системой. Если самолет не обнаружит отказ двойной гидравлики, переход на резервную систему выполняется вручную.
В случае с USAir 427 и Eastwind 517 представляется, что первопричина аварий кроется в заклинивании внутри PCU, что может вызвать реверсирование руля направления, противоположное командному. Как только срабатывает реверс руля, это больше похоже на разгон до предела нагрузки привода (т. е. предела продувки).
Если бы руль направления был спроектирован с резервными путями управления, этого разгона руля направления не произошло бы из-за того, что другие исполнительные механизмы борются с заклинившим .
Однако заклинивание руля направления (не разгон) все еще могло произойти с избыточными активно-активными путями управления. Это то, что производители самолетов должны учитывать при сертификации по 14 CFR 25.671(c). Изготовители должны показать, что самолет способен продолжать безопасный полет и приземляться с заклинившим рулем направления.
Но положение, при котором руль заклинило, должно лежать где-то, где пилот (или автоматика) ранее скомандовал. Как вы понимаете, доведение руля направления до полного хода (т. е. до предела продувки) происходит крайне редко, и заклинивание там было бы крайне маловероятным в течение всего срока службы самолета. Другие факторы также предотвращают заклинивание руля направления на пределе его продувки; например, многие самолеты имеют ограничитель хода руля направления или ограничитель управления рулем направления.
Таким образом, нам обычно не нужно считать руль полностью заклинившим для сертификации. Точная позиция для рассмотрения затора была активной темой и была предметом задачи ARAC . Как правило, положение застревания зависит от маневра и фазы полета.
Подводя итог, можно сказать, что из-за различного характера заедания рулей может не быть единой скорости кроссовера (в определении B737), и не у каждого самолета есть такая скорость.
Кажется, это вопрос гашения элеронов и руля направления. Более высокий угол атаки гасит поднятые вверх элероны. Это то, что происходит при более низких скоростях и больших перегрузках «вертикальная нагрузка» с рулем высоты. Возможно, этому способствовало бы то, что руль высоты также отклоняет поток воздуха по диагонали через руль направления, увеличивая его эффективную длину.
Хотя руль направления гаснет при более высоком угле атаки, эффект может быть сильнее на элеронах.
Это может быть проверено в аэродинамической трубе для возможного рассмотрения возможности изменения конструкции. Элероны большего размера или двойные скорости для более низких скоростей могут обеспечить решение, а также оценку руля направления.
Постскриптум: по сути, самолет вошел в кормовой стойло поперечного управления рулем высоты. Возможно, помогут новые технологии (такие как преобразование набора спойлеров крыльев в раскладушки) для поддержки функции руля направления.
Роберт ДиДжованни
Питер Кемпф
Роберт ДиДжованни
Викки
Викки
Роберт ДиДжованни
Таннер Светт
Питер Кемпф