Разве уравновешенный полет не всегда неустойчивая система?

Но допустим, налетит порыв ветра, и угол атаки увеличится. Это приводит к тому, что центр давления перемещается вперед перед местом моей гравитации. Таким образом, самолет станет неустойчивым, потому что угол атаки еще больше увеличится (нос вверх). Единственное, что мог сделать пилот, — это использовать руль высоты для балансировки по тангажу.

Это не точно. Знакомы ли вы с моделями самолетов «свободного полета»? Некоторые из них достаточно стабильны, чтобы летать в полдень, когда атмосфера полна термических восходящих и нисходящих потоков, без какого-либо участия пилота и без системы автоматического управления (автопилота и т. д.).

Вы правы в том, что если какое-то возмущение увеличивает угол атаки крыла, с обычным аэродинамическим профилем без «рефлекса» центр подъемной силы и центр давления крыла сместятся вперед, что дестабилизирует .

Но у хвоста также наблюдается увеличение угла атаки, или если хвост настроен на отрицательный угол атаки в обычном полете, то угол атаки хвоста становится либо менее отрицательным, либо несколько положительный из-за беспокойства. Независимо от того, что из этого имеет место в каждом конкретном случае, изменение угла атаки хвоста, который находится далеко от центра тяжести и, следовательно, оказывает большое влияние, вызывает изменение центра подъемной силы и центра давления всего тела . самолет двигаться позади ЦТ. Таким образом, самолет опускается на меньший угол атаки, где центр подъемной силы и центр давления снова совмещены с центром тяжести. Вот как работает стабильность тона.

Для получения дополнительной информации см. этот раздел веб-сайта Джона Денкера «See How It Flies» .

Примечание. Для простоты я предполагаю, что единственные силы, которые нам нужно учитывать, — это «восходящие» или «нисходящие». То есть, что "центр подъемной силы" и "центр давления" - это одно и то же. Это не совсем так. Например, если бы линия тяги находилась намного выше центра тяжести, то все равно было бы верно, что центр давления ( включая влияние вектора тяги) совпадал с центром тяжести, когда самолет находился в равновесии, но центр подъемной силы должен быть немного впереди центра тяжести. Если вы находите это упрощение неприятным, то просто (мысленно) вычеркните «центр подъемной силы» из моего ответа и просто оставьте «центр давления».

В моем ответе здесь я предполагаю, что какое-то возмущение, такое как внезапный восходящий поток, увеличило угол атаки самолета. Однако на самом деле в ваш вопрос встроен дополнительный вопрос: «Вызовет ли чисто горизонтальный порыв ветра изменение угла атаки самолета, летящего горизонтально?» Это совсем другая «банка с червями», в которую нам, возможно, сейчас и не нужно вникать, но давайте хотя бы «поднимем крышку» и заглянем. Ответ на это, по-видимому, таков: последовательность событий такова: порыв ветра спереди -> увеличение подъемной силы -> восходящее искривление траектории полета (которое может временно уменьшитьнемного угол атаки) -> изменение положения по тангажу с поднятым носом для соответствия новому направлению траектории полета -> продолжающееся искривление траектории полета вверх и продолжающееся вращение по тангажу с поднятым носом. Все это предполагает, что самолет еще не пришел в равновесие с новой скоростью окружающей воздушной массы в любой данной точке цепочки событий. Не очевидно, что угол атаки когда-либо превышал первоначальный угол атаки.

Я думаю, вы неправильно понимаете, как это работает, и как бы вы реагировали на изменения ветра. Увеличение воздушной скорости влияет на все поверхности полета, включая руль высоты, поэтому изменение воздушной скорости из-за порыва ветра не приведет к большим изменениям тангажа. Будут некоторые изменения, однако обычно изменения высоты тона уравновешиваются колебаниями. Редко можно получить действительно внезапные значительные изменения скорости полета.

Может быть, вы спрашиваете, почему стоит триммеровать самолет, если вам все равно придется вводить управляющие сигналы. Тримминг снижает нагрузку на пилота и силу, необходимую для управления. Если вы не расчищаете, вы всегда будете бороться с тенденцией к повышению или понижению тона, что требует энергии и концентрации. Ваши приоритеты — полет, навигация и общение, а обрезка уменьшает количество усилий, которые вы вкладываете в управление самолетом, чтобы вы могли сосредоточиться на двух других. При длительном полете или более коротком полете в сложных условиях важно сохранять собственную энергию, поэтому стоит выработать привычку балансировать.

В безветренных условиях самолет с дифферентом может летать практически без участия пилота, так что вы можете смотреть на карты или таблички, пить или просто отдыхать, сохраняя хорошее визуальное наблюдение.

Ветреные или турбулентные условия более требовательны, и вы не можете летать «без рук», триммер по-прежнему важен, потому что он упрощает управление дроном и требует меньше усилий.

Не переусердствуйте. Упрощайте в уме. Триммер используется для предварительной установки угла атаки. Силы статической устойчивости будут сосредоточены на восстановлении уравновешенного угла атаки, если самолет сместится из состояния балансировки.

Поскольку пилоты используют воздушную скорость в качестве показателя угла атаки, триммер устанавливает воздушную скорость без участия пилота. Лучший способ концептуализировать триммер в полете — это думать о нем как о регуляторе скорости без помощи рук.

Если самолет нарушается из-за дифферента, он будет нарушен из-за корректированного угла атаки и, в конечном итоге, из-за скорости, а его статическая устойчивость создает восстанавливающие моменты, которые заставляют самолет наклонять самолет в поисках исходного состояния дифферента. Таким образом, если скорость ниже триммера/выше триммера AOA, самолет кренится вниз, а если выше триммерной скорости/ниже триммера AOA, он кренится вверх.

Поэтому следует помнить, что если самолет потревожен порывом ветра, и вы не вносите никаких изменений в мощность или конфигурацию, он, естественно, будет стремиться восстановить угол атаки/скорость, на которых он был до того, как его потревожили. Вы можете отпустить его и освободить руки, он будет искать это состояние триммера самостоятельно, но не торопится и колеблется вокруг угла наклона триммера все меньшими и меньшими отклонениями, пока не вернется к триммерному углу угла атаки/скорости.

Как правило, вы не хотите ждать так долго, поэтому более эффективно помочь силам естественной устойчивости вместе с входными сигналами лифта, чтобы закоротить колебания. Чтобы сделать это эффективно, вам нужен удобный прокси для AOA, который можно использовать в данный момент в качестве цели для стрельбы с помощью ваших входов лифта. Для этого используем тангаж относительно горизонта.

Итак, вы летите красиво подстриженным, самолет летит без помощи рук, занимаясь своими делами, настроен тангаж, и что-то меняет угол атаки и скорость. Питч-отношение также изменится. Ваша цель - вернуть самолету его уменьшенный угол атаки/скорость. Вместо того, чтобы позволить ему рыскать вверх и вниз и, в конце концов, вернуться в свое уравновешенное состояние, вы делаете тонкие входы руля высоты, чтобы восстановить исходное положение по тангажу, тем самым возвращаясь к уравновешиванию AOA как можно скорее. Как только вы восстановите первоначальную воздушную скорость, самолет должен вернуться и удерживать исходное положение по тангажу, и вы вернетесь к тому, с чего начали.

Вы должны иметь привычку использовать триммер, чтобы установить скорость без помощи рук, чтобы самолет мог летать на любой стабилизированной скорости, на которой вы хотите летать (более, скажем, 30 секунд). Если вы хотите лететь со скоростью 70 узлов при заходе на посадку, не оставляйте дифферент на 90 узлов и держите давление в руле высоты; уменьшите давление, пока он не будет летать со скоростью 70 узлов без помощи рук. То же самое для любого другого состояния скорости, которое является более чем кратковременным переходным состоянием; стреляйте на целевую скорость, поворачиваясь до целевого положения тангажа, а на скорости уменьшите усилия на ручке, чтобы скорость удерживалась без помощи рук. Вот как можно летать с минимальной рабочей нагрузкой, позволяя присущей самолету устойчивости выполнять большую часть работы.

Основная цель поверхности хвостового оперения - предотвратить влияние нестабильности тангажа крыла на весь самолет. Вот почему его часто называют горизонтальным стабилизатором.

В простейшем случае стабилизатор не создает подъемной силы, когда самолет балансирует. Если нос поднимается, угол атаки хвоста увеличивается, и он начинает создавать подъемную силу. Конструкция устроена так, что момент тангажа этой подъемной силы больше момента тангажа, вызванного смещением ЦД крыла. Хвост поднимается и возвращает самолет в исходное положение.

Есть много осложнений, которые можно ввести, но это основная физика того, как работает стабильность.

Я думаю, что в большинстве ответов пропущено фугоидное колебание, которое является здесь ключевым словом.

Большинство самолетов авиации общего назначения сконструированы таким образом, чтобы быть более или менее стабильными в полете после настройки в соответствии с реальной ситуацией. Это означает, что если полет каким-либо образом нарушается, самолет чаще всего возвращается в новое устойчивое положение. Это касается всех трех входных параметров: крена, рыскания и тангажа. В самолете вы можете попробовать это, дав короткий взвешенный сигнал на органы управления, отпустив их и дождавшись ответа.

Эта стабильность обычно достигается за счет более низкой производительности. Таким образом, в самолетах с высокими характеристиками «естественная» устойчивость может быть намеренно ниже: посмотрите, например, на крайний случай реактивных истребителей, где современные часто не могут летать без постоянного противодействия компьютеру нестабильности.

Но вернемся к «естественно» стабильным плоскостям, которые чаще всего демонстрируют специфический паттерн, называемый «фугоидными колебаниями» в продольном или тангажном направлении. Это один из нескольких режимов колебаний, которые может иметь самолет, но который легче всего наблюдать в самолете GA. Если самолет испытывает возмущение скорости или тангажа, происходит следующее (я предполагаю, что традиционная конструкция оперения + стартовый тангаж вниз):

1. Самолет падает ниже «устойчивой горизонтали».

• теперь скорость увеличится
• по мере увеличения скорости прижимная сила хвоста будет увеличиваться и начнет задирать самолет вверх (хвост - это крыло, которое давит вниз в установившемся полете, при тангаже самолета угол атаки ветра будет меняться и скорость воздух над ним будет увеличиваться, давая больше «подъемной силы вниз»).

2. Теперь самолет будет подниматься вверх, часто немного выше «горизонтального».

• теперь скорость уменьшится
• по мере уменьшения скорости прижимная сила хвоста будет уменьшаться и самолет начнет наклоняться вниз.

3. Начните с 1. снова.

Это приведет к колебаниям. В самолетах общего назначения типичный период может составлять около 30 секунд. (на самом деле может быть несколько периодов одновременно). И это теперь продолжается с тремя возможными исходами:

1. Фугоидное колебание уменьшится и постепенно прекратится.
2. Колебания могут уменьшаться и продолжаться с постоянной амплитудой. Часто это желаемое состояние при проектировании самолетов, так как полная стабильность может стоить больших характеристик.
3. Колебание слишком велико, чтобы быть комфортным, или со временем увеличивается и приводит к резким изменениям высоты тона, и вам, как пилоту, необходимо принять меры.

Со временем трим приходится менять по мере расхода топлива и изменения баланса или изменения мощности двигателя из-за температуры воздуха и так далее. Но на интервал, иногда 30 минут по моему опыту самолет просто летит сам.

Я думаю, что у вас есть серьезное заблуждение о стабильности. Триммер и стабильность связаны, но это не одно и то же. Стабильный самолет всегда будет стремиться к своему равновесию или сбалансированному состоянию, если его потревожить. В хорошо спроектированном самолете равновесие достигается автоматически без участия пилота. В этом его аккуратность.

В своем вопросе вы не учли, откуда берется стабильность. Важно отметить, что в большинстве самолетов центр давления (ЦД) никогда не должен опережать центр тяжести (ЦТ). Это связано с тем, что большинство самолетов имеют горизонтальный стабилизатор, который создает направленную вниз силу. Если ЦТ будет идти впереди ЦТ, а хвост будет создавать чистую прижимную силу, самолет останется неустойчивым. Однако такой самолет можно стабилизировать с помощью стабилизатора, создающего чистый момент увеличения тангажа. В такой системе большее плечо момента стабилизатора может генерировать восходящую силу, достаточную для стабилизации самолета.

Итак, как самолет с ЦД за ЦТ стабилизируется после возмущения по тангажу. Это действительно просто. CP, как вы сказали, будет двигаться вперед (но не впереди CG). Поскольку горизонтальный стабилизатор рассчитан на отрицательную подъемную силу, увеличение угла атаки крыла уменьшит отрицательный угол атаки стабилизатора. Таким образом, прижимная сила стабилизатора уменьшится, и имейте в виду, что ЦТ отстает от ЦТ. Это уменьшит любые восходящие моменты, и дрон попытается вернуться в исходное состояние.

Я хотел бы, чтобы вы попробовали это в следующий раз, когда отправитесь в полет. Для этого простого упражнения наведите самолет на определенную скорость и угол атаки. Затем вы поднимаете нос и оставляете органы управления и смотрите, как ведет себя самолет. Устойчивый самолет немедленно опустит нос, чтобы достичь балансировочного состояния. Время, необходимое для возврата в усеченное состояние, конечно, может варьироваться. Это покажет, насколько динамично стабилен самолет. На него сильно влияет степень демпфирования в системе. Например, на больших высотах самолет будет иметь более низкую динамическую устойчивость из-за уменьшенного аэродинамического демпфирования. Таким образом, самолету потребуется больше времени или колебаний, чтобы достичь равновесия. В устойчивом самолете колебания должны со временем затухать, что мы называем опусканием.

Видео ниже демонстрирует продольную устойчивость.