Поворот самолета. Что на самом деле вызывает круговое движение в повороте с креном (крен)?

Вы правы, блок льда не повернется автоматически. Это потребует крутящего момента. В авиации это в основном то, что называется координацией разворота. В самолете, если пилот не обеспечивает необходимый координирующий крутящий момент с помощью входных сигналов руля направления / высоты, крутящий момент будет создаваться автоматически за счет эффекта флюгера, который стремится выровнять фюзеляж по скорости. Таким образом, вы можете эффективно поворачивать, просто виражируя, если вы не заботитесь о том, чтобы поддерживать постоянную высоту и скорость полета. С вертолетом дело обстоит иначе, так как у вертолета нет особого эффекта флюгера, по крайней мере, на малых скоростях. С вертолетом на низкой воздушной скорости, если вы просто кренитесь, не координируя руль направления, вы просто соскользнете вбок.

Как пилот-студент со 100 часами и 300 посадками, не говоря уже об интересе к технике и физике, я люблю такие вопросы.

Моя первая рекомендация — получить копию Stick and Rudder . Это восхитительная книга, которую пилоты используют уже более полувека, чтобы понять основы полета.

Моя вторая рекомендация - взять вводный урок полетов . Это стоит около 200 долларов, и это самое веселое удовольствие, которое вы можете получить, если честно.

Теперь постараюсь ответить. (Почти любой подобный вопрос можно решить с помощью простого планера из бальсового дерева или бумажного самолетика.)

Во-первых, нужно понять, что при прямолинейном полете с постоянной скоростью у обычного самолета с одним основным крылом и хвостовым оперением крыло толкает вверх, а хвостовое оперение — вниз. Крыло поддерживает не только вес самолета, направленный вниз, но и силу, действующую на хвост. У самолета тяжелый нос, и если бы вдруг отрубили хвост, то самолет сразу пошел бы ко дну. Поскольку хвост находится на некотором расстоянии позади крыла, его подъемная сила вниз создает момент, удерживающий нос вверх. Подъемы вверх и вниз и, следовательно, момент пропорциональны квадрату скорости. Если по какой-то причине самолет тормозит, момент уменьшается, нос опускается, и самолет набирает скорость. Если он ускоряется, момент увеличивается, нос поднимается, и самолет замедляется.

Это первое, что вам нужно понять о самолетах: как тяжесть носа и нисходящая подъемная сила хвоста делают его скорость стабильной. Точная скорость, которую он ищет, зависит от угла наклона хвостового оперения. Чем сильнее они наклонены вверх, тем медленнее летит самолет, а вниз значит быстрее. (Если вам интересно, как крыло получает достаточную подъемную силу, когда оно летит медленнее, то это потому, что весь самолет наклоняется вверх, увеличивая угол атаки.) Я знаю, что вы спрашиваете о повороте, но это первое, что вы делаете. нужно понять.

Во-вторых, как заставить его подниматься или опускаться? Вот для чего нужен дроссель. Как и в автомобиле, вам нужно больше мощности, чтобы подняться в гору, и меньше, чтобы спуститься. В самолете, если вы увеличиваете мощность, он ускоряется, поднимает нос, возвращается к своей естественной скорости и продолжает набор высоты. Если вы уменьшите мощность, он замедлится, опустит нос, а затем вернется к своей естественной скорости, но с нисходящим уклоном.

Хорошо, вы спрашивали о поворотах. Способ, которым вы поворачиваете самолет, заключается в том, чтобы положить его в банку. (С элеронами, путем однократного поворота штурвала влево, а затем его повторного центрирования.) Предположим, вы накреняете его на 30 градусов влево. Это наклоняет ваш вектор подъемной силы так, что половина его ускоряет вас влево, а 0,866 из него толкает вверх против силы тяжести. Чтобы гравитация не победила, вы оказываете обратное давление на коромысло, создавая большую подъемную силу. Поворот имеет много общего с набором высоты, если только вы не хотите одновременно спускаться. Вам также нужно придать ему больше мощности, чтобы поддерживать скорость в повороте.

Вот 60-градусный крен: вам нужно тянуть 2g подъемной силы, чтобы поддерживать постоянную высоту, и добавить немного мощности. Это довольно напряженный маневр, и вы не можете делать его на медленной скорости, потому что, если вы потянете так сильно, он заглохнет. Это показывает вам сходство между поворотом и набором высоты.

Вы спрашивали, почему самолет просто не разгоняется вбок, а не поворачивает? Если бы это было так, то довольно скоро он почувствовал бы на себе этот боковой ветер. Каждый самолет — это флюгер. Он превращается в ветер, который он чувствует. Итак, кольцевая развязка, вот и ответ на ваш вопрос.

При крене элероны (подвижные поверхности на задних кромках крыльев, возле законцовок) движутся в противоположных направлениях, увеличивая эффективный развал одной законцовки крыла и уменьшая другой. Это создает разницу в распределении подъемной силы по размаху.

Если пилот не отдает никаких других команд, нос опускается; предполагая, что вы начали полет в горизонтальном и прямолинейном полете без ускорения (SLUF), когда самолет катит компонент вектора подъемной силы, противодействующий весу самолета, падает (до нуля, когда в 90$^{\circ}$банки).

Чтобы сохранить горизонтальный полет, необходимо увеличить угол тангажа; это также изменяет вектор тяги. Чтобы поддерживать полет без ускорения (в частности, чтобы не терять скорость), необходимо увеличить тягу (поскольку сопротивление увеличивается с увеличением угла тангажа).

Дифференциальное распределение подъемной силы на законцовках крыла также создает дифференциальное распределение сопротивления; для большинства обычных конфигураций самолетов это происходит в форме неблагоприятного рыскания (т. е. носовая часть имеет тенденцию отклоняться от направления крена). Этому противодействует приложение сбалансированной силы руля направления.

Резюме: при горизонтальном развороте без ускорения боковая сила, действующая на вертикальное оперение из-за отклонения руля направления, удерживает нос по касательной к окружности, а горизонтальная составляющая подъемной силы из-за угла крена создает центростремительную силу.

Эмилио прав, что крутящий момент двигателя (гироскопическая муфта) может быть проблемой; обычно им можно пренебречь при низких скоростях вращения.

РЕДАКТИРОВАТЬ (еще недостаточно представителей, чтобы комментировать ответы других): да, вектор подъемной силы «естественно» остается нормальным к вектору скорости по определению ; это составляющая аэродинамической силы, нормальная скорости, а составляющая, параллельная скорости, называется «сопротивлением».

Я считаю, что поворот с креном можно было бы сделать так:

1. Наклоните поверхности одного крыла вверх, а другого вниз, чтобы самолет накренился. Подъемная сила теперь немного смещена в сторону. Теперь вы скользите в сторону, как указано в ссылке, которую вы разместили.
2. Заставьте самолет наклоняться «вверх» с его собственной точки зрения. Сила в этой точке направлена ​​в сторону и немного назад. Я не знаю, если бы это было сделано с крыльями или хвостом.
3. Отмените шаг 2. Вы находитесь на другом курсе, но все еще виляете и все еще скользите.
4. Отменить шаг 1. Вы находитесь на этом новом заголовке и больше не в банке.

Для части блока на льду: вы описываете: любой двигатель, который прикладывает усилие вдоль линии, проходящей через центр масс, не заставит объект вращаться. Вы можете добавить горизонтальную составляющую ускорения, как вы предложили, но блок не будет вращаться, и вы не сможете заставить его двигаться по кругу только с помощью этого двигателя.

Мне нравится этот вопрос, и я нахожу ссылку очень полезной, но я все же рассмотрю несколько проблем, которые у меня есть, с ее объяснением.

Во-первых, нам нужно установить вполне правдоподобную ситуацию, когда сбалансированный самолет работает нормально, затем он наклонен влево или вправо, и тот факт, что он будет колебаться в соответствующем направлении и вниз. Для этого требуется только силовая диаграмма первого уровня. Вектор гравитации имеет ту же величину, но повернут относительно плоскости, а аэродинамические силы неизменны относительно плоскости. В ссылке есть несколько упоминаний силовых моментов, но я...

1. Не находите их полезными или необходимыми для объяснения поворотов и поворотов самолета.
2. Не вижу смысла прогнозировать моментный дисбаланс в вертикальной плоскости самолета

Учтите, что обычно крылья создают подъемную силу вверх (относительно самолета), а горизонтальное оперение создает подъемную силу вниз. Если предположить, что мы не меняем скорость воздуха относительно самолета, то изменение вектора силы тяжести (в ЦМ) не может создать результирующий силовой момент в каком-либо направлении. И подъемная сила, и гравитация действуют на ЦМ, и для получения момента нам нужно двигаться (как в задачах о плавучести).

В упрощенном представлении о точечном балансе сил управление самолетом вообще невозможно. По ссылке представлена ​​попытка разрешить этот конфликт.

чтобы избежать потери высоты, пилот должен компенсировать небольшое противодавление на штурвале.

Я не согласен с этим. Пилот должен оказывать обратное давление на штурвал, чтобы крениться, но мысль о том, что он/она делает это, чтобы компенсировать потерю высоты, не выдерживает критики. Рассмотрим фундаментальное восприятие движения - скорость без ускорения или системы отсчета не воспринимается. Пилоту пришлось бы буквально смотреть на высотомер и тянуть штурвал, чтобы компенсировать это. При условии, что он/она сделает это, поворот действительно произойдет, да.

Гораздо более заметно, что вы начинаете указывать на землю, а не двигаться к ней . Опять же, если вы теряете высоту, вы можете заметить это в конце концов, но наблюдение за движением горизонта создает... очень инстинктивную коррекцию со стороны пилота.

Здесь я попаду в превосходное разрешение.

Например, когда самолет накренился и движется по воздуху боком (как при параллельном движении, рассмотренном выше), относительный ветер ударит в самолет с той стороны, в которую он накренился.

Если самолет движется вправо/влево и вниз (в результате ускорения на диаграмме точечной силы), то хвост представляет собой большую площадь прямо по ветру. Это предсказывает силовой момент исключительно в горизонтальной плоскости самолета , который направит самолет вниз и вправо/влево. Затем пилот потянет штурвал назад (возможно, незаметно), чтобы компенсировать движение горизонта. Судя по анализу системы управления, основная ответственность пилота, вероятно, заключается в поддержании ориентации вверх/вниз. Поскольку любой другой управляющий ввод изменяет это, управление ориентацией вверх/вниз будет автоматически реагировать очень бдительно.

Это мое предпочтительное объяснение, и я должен заявить, что у меня очень мало непосредственного опыта управления самолетами, а мои работы строго ориентированы на академическую физику. С моей текущей гипотезой у нас есть одно важное предсказание, на которое следует обратить внимание:

• Поворот влево/вправо — это эффект 2-го порядка от крена самолета.

Альтернативой этому было бы то, что ориентация самолета влево/вправо напрямую сообщает момент (с чем вы должны помнить, что я не согласен). Интересно рассмотреть применение этого опыта. Как быстро начинается поворот, когда самолет ориентируется в крене? Приводит ли поворот к потере высоты? Мое объяснение предсказывает «медленно» и «да».

Был поднят еще один момент о моменте двигателей/винтов. Если у вас не было двойных (или более четных) двигателей, вращающихся в противоположных направлениях, это добавляет асимметричный компонент. Становится легче поворачивать влево или вправо, в зависимости от направления вращения. Я знаю, что бойцы времен Второй мировой войны остро осознавали этот факт во многих ситуациях. Я думаю, очевидно, что можно использовать этот факт в своих интересах/недостатках.

Когда самолет кренится, сила движения крыла вверх-вниз (подъемная сила) становится частично боковой. При уровне средней силы двух крыльев проходит через центр тяжести. Когда он кренится, сила находится перед центром тяжести и создает момент силы, который поворачивает самолет. Чем больше крен, тем больше сила движется вперед и больше крутящий момент. Это трехмерная задача, которую сложно представить. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, внешнее крыло должно двигаться быстрее и испытывает большее сопротивление, которое может помешать развороту, и самолет развернется и нырнет в другую сторону! Я думаю, что есть еще одна заслонка, чтобы исправить это, если это необходимо.

Если самолет имеет ненулевой момент инерции относительно осей рыскания и тангажа, то для начала поворота потребуются крутящий момент рыскания и крутящий момент тангажа.

Даже после того, как установлен установившийся разворот, поверхности хвостового оперения, как правило, должны быть расположены по-другому и должны создавать другие силы, чем при полете на уровне крыльев при том же угле атаки. Существует эффект, называемый «аэродинамическим демпфированием», который заставляет скорость вращения вокруг всех осей стремиться к нулю. Этот эффект связан с тем, что при развороте разные молекулы самолета в любой момент времени движутся в разных направлениях сквозь воздушную массу, так как скорости вращения по рысканию и тангажу не равны нулю. В результате при стабилизированном повороте (т. е. с постоянной воздушной скоростью и постоянными скоростями вращения вокруг всех осей) набегающий воздушный поток можно рассматривать как «изогнутый», чтобы следовать траектории поворота. Это создает крутящие моменты, которые имеют тенденцию замедлять скорость вращения по рысканию и тангажу. если бы хвостовое оперение оставалось в том же положении, в котором оно находилось при горизонтальном полете с тем же углом атаки. Этот эффект наиболее заметен в тихоходных самолетах, таких как планеры и сверхлегкие самолеты, где радиус разворота не слишком велик по сравнению со скоростью прямого полета или, точнее, по сравнению с длинами фюзеляжа, проходимыми в единицу времени.

Если бы не эти эффекты, все, что вам нужно было бы сделать, чтобы установить идеально «скоординированный» устойчивый разворот с тем же углом атаки, на котором вы летели с уровнем крыльев, — это повернуться на желаемый угол крена. (и добавьте немного мощности, если хотите сохранить высоту). На самом деле все не так просто. Эффекты, описанные выше, заставляют самолет иметь тенденцию принимать меньший угол атаки в повороте, чем в полете на уровне крыльев, а также склонны заставлять самолет лететь в положении "скольжения", т. е. со слегка направленным носом. к внешней стороне разворота по отношению к направлению траектории полета в любой данный момент. Научиться преодолевать эти эффекты — большая часть того, что нужно научиться правильно «координировать» поворот.

Хорошо, я думаю, что здесь более интуитивно понятно простое объяснение, не вдаваясь в полемику об аэродинамической механике. Аэродинамическое крыло - это конструкция, которая создает подъемную силу с использованием принципов Бернулли о поведении жидкостей. Тот, кто хорошо знает, как работает крыло, может понять, почему самолет может развернуться в крене.

В прямолинейном горизонтальном полете подъемная сила равна сопротивлению. если угол атаки увеличивается или скорость увеличивается, то подъемная сила становится больше, чем сопротивление, и высота увеличивается, и наоборот. Важно понимать, что подъемная сила существует по отношению к «относительному воздушному потоку», то есть воздушному потоку, нарушающемуся вследствие скорости самолета. В прямолинейном и горизонтальном полете подъемная сила действует вертикально к «хордовой линии» аэродинамического профиля в «центре давления». Таким образом, он может действовать только в единственном измерении (вверху или внизу).

В банке вы создали еще одну составляющую вектора подъемной силы. горизонтальный. Этот крен увеличивает коэффициент загрузки самолета и нарушает баланс подъемной силы и сопротивления. поэтому потребуется увеличение тяги, чтобы компенсировать возросшую перегрузку. Если увеличение тяги делает подъемную силу и сопротивление равными друг другу, самолет может накрениться и лететь с тем же курсом, что и при прямолинейном горизонтальном полете (как это могут делать высокоскоростные самолеты со стреловидным крылом). Как бы вы ни хотели изменить курс, вам нужно увеличить подъемную силу на крене (подумайте о направлении относительного воздушного потока на аэродинамическом профиле и результирующем эффекте горизонтальной составляющей подъемной силы). Этот результирующий момент тангажа заставит самолет развернуться. вместо слайда.

Вы должны помнить, что самолет всегда скользит, потому что на самом деле мы никогда не летим против ветра. Мы всегда соскальзываем в сторону, и в небольших самолетах, таких как учебный Cessna, на котором я летаю, мы должны удерживать руль направления, чтобы гарантировать, что нас не снесет с курса, поскольку траектория (направление движения относительно земли) редко совпадает с траекторией движения. курс (направление носа).

Есть много других эффектов, которые заставляют самолет неблагоприятно снижать положение или рыскать в зависимости от конструкции и характеристик крыла, фюзеляжа и силовой установки самолета, но это совершенно отдельная дискуссия, а не часть вопроса.

надеюсь, это поможет.