Силы в скользящем повороте [дубликат]

Мне трудно понять, почему мяч (на индикаторе поворота и проскальзывания) падает в поворот ... при нескоординированном повороте (проскальзывающем повороте). Какие силы идут на это?

Мяч смещен в одну сторону, потому что самолету разрешено лететь боком по воздуху. Нос не выровнен с мгновенным направлением траектории полета, а скорее отклоняется, чтобы указывать влево или вправо от мгновенного направления траектории полета.

В результате воздушный поток ударяется о борт самолета и создает аэродинамическую боковую силу, которая заставляет мяч смещаться в сторону.

Есть много причин, по которым самолет может слегка наклоняться влево или вправо при повороте. Большинство из этих причин, как правило, способствуют проскальзыванию, а не заносу. Помимо наиболее очевидной причины значительного преднамеренного отклонения пилотом руля направления, эти причины включают криволинейный характер относительного ветра во время полета с разворотом и его влияние на хвостовое оперение (также называемое «аэродинамическим демпфированием») и тот факт, что внешняя законцовка крыла должна двигаться быстрее и, следовательно, имеет тенденцию создавать большее сопротивление, чем внутренняя законцовка крыла. В самолете с воздушным винтом фактор P также может играть роль, способствуя либо скольжению, либо заносу в зависимости от направления поворота. Настройка триммера руля также может иметь значение. При изменении угла крена неблагоприятное рыскание от отклоненных элеронов и от самого крена играет важную роль, сильно способствуя проскальзыванию при увеличении угла крена и заносу при уменьшении угла крена. Во всех случаях решение состоит в том, чтобы пилот использовал руль направления по мере необходимости, чтобы компенсировать эти эффекты и выровнять нос самолета с мгновенным направлением траектории полета, чтобы нос был направлен прямо на «относительный ветер» и поток воздуха не попадает в борт фюзеляжа.

Обратите внимание, что «слишком маленькая или слишком большая подъемная сила по отношению к углу крена» или «слишком маленькая или слишком большая центробежная сила по отношению к углу крена» не являются причинами проскальзывания или заноса. Скорее, они являются результатом проскальзывания или заноса. Причинами являются перечисленные выше аэродинамические эффекты, создающие крутящий момент рыскания, который заставляет самолет лететь в воздухе немного боком, несмотря на общий стабилизирующий эффект вертикального киля . Подробнее об этом позже.

Так почему же шарик скольжения смещается от центра, когда самолет летит боком по воздуху? Когда воздушный поток попадает в боковую часть фюзеляжа, это создает аэродинамическую боковую силу, действующую ортогонально (перпендикулярно) траектории полета в направлении, примерно параллельном размаху крыла. низкая законцовка крыла в заносе. Эта реальная аэродинамическая сила полностью исключена из прилагаемой к вашему вопросу схемы скользящего поворота. Это главный недостаток схемы.

Эта аэродинамическая боковая сила вносит свой вклад в результирующую аэродинамическую силу, создаваемую самолетом, так что вектор результирующей аэродинамической силы больше не направлен прямо вверх в системе отсчета самолета, то есть параллельно вертикальному килю.

Шарик скольжения всегда стремится расположиться в изогнутой стеклянной трубке в точке, которая точно перпендикулярна вектору суммарной аэродинамической силы. Если мяч находится в любой другой точке трубы, он «почувствует» кажущуюся силу влево или вправо и изменит свое положение. Если результирующая аэродинамическая сила не направлена ​​«прямо вверх» в системе отсчета самолета, то мяч не будет располагаться «внизу», то есть в центре изогнутой стеклянной трубки.

Другой способ взглянуть на ситуацию - рассмотреть кажущуюся «нагрузку», действующую на мяч из-за комбинированного действия веса и «центробежной силы». Мяч всегда стремится расположиться в изогнутой стеклянной трубке в той точке трубки, которая точно перпендикулярна вектору «нагрузки». Если вектор «нагрузки» не направлен «прямо вниз» в системе отсчета летательного аппарата, то шарик не будет располагаться «внизу», то есть в центре изогнутой стеклянной трубки.

Главное, что нужно понять, это то, что кажущаяся «нагрузка», ощущаемая конструкцией и содержимым самолета, включая пилота и шар скольжения, является не чем иным, как зеркальным отражением реального вектора аэродинамической силы, создаваемого самолетом. Это более подробно рассматривается в нескольких ответах на соответствующий вопрос ASE « Силы, ощущаемые пилотом, акселерометром, инклинометром — являются ли они аэродинамическими силами, создаваемыми самолетом, или суммой веса и центробежной силы? » .

Диаграмма вводит в заблуждение, поскольку предполагает, что какой-то загадочный эффект, предположительно каким-то образом связанный со скоростью поворота, но, по-видимому, не связанный с какой-либо реальной аэродинамической силой, влияет на величину «центробежной силы», создаваемой самолетом или действующей на него. Это неверно. Разница в величине вектора «центробежной силы» между «скоординированным» поворотом и «скользящим» поворотом связана с тем, как боковое скольжение создает реальный вектор аэродинамической боковой силы, как описано выше.

Хотя на самом деле можно сказать, что «нагрузка», действующая на мяч, равна векторной сумме веса и «центробежной силы», это понятие не обладает большой объяснительной силой, если только мы не поймем, что «центробежная сила» тесно связана с реальными аэродинамическими силами, создаваемыми самолетом. Вектор «нагрузки», который можно назвать векторной суммой веса и «центробежной силы», есть не что иное, как зеркальное отражение реальной аэродинамической силы, создаваемой самолетом. Вектор «нагрузки» всегда равен и противоположен вектору, представляющему реальную аэродинамическую силу, создаваемую самолетом. ¹

Крайним случаем поворота со скольжением является скольжение вперед или скольжение вбок (на самом деле это одно и то же, только направленное по-разному по отношению к цели), когда аэродинамическая боковая сила от скольжения достаточна, чтобы довести скорость поворота до минимума. ноль, создавая линейную траекторию полета. Всякий раз, когда траектория полета является линейной, шарик скольжения служит датчиком угла крена. Самый крайний случай неразворотного (линейного) бокового скольжения — это устойчивый полет с вертикальным креном на острие ножа, который мы часто видим на авиашоу. В этом случае вектор аэродинамической боковой силы от воздушного потока, ударяющего о борт фюзеляжа (плюс дополнительная составляющая из-за направления линии тяги двигателя выше горизонта), поддерживает весь вес самолета, а вектор подъемной силы крыла равен нулю. В этом случае «нагрузка» вектор просто равен и противоположен вектору аэродинамической боковой силы от скольжения (включая составляющую, обусловленную тягой двигателя), потому что вектор аэродинамической боковой силы и вектор результирующей аэродинамической силы - одно и то же. Вектор чистой аэродинамической силы равен весу самолета, но действует в направлении вверх, а вектор «нагрузки» равен весу самолета, действующему в направлении вниз.

В то время как установленный в устойчивом состоянии разворот с постоянной скоростью разворота и воздушной скоростью, отрегулированный для полета без помощи рук, если мы затем потянем ручку назад, чтобы «нагрузить» крыло «дополнительной» подъемной силой, чтобы увеличить перегрузку до более высокое, чем обычно, значение угла крена, или если мы переместим ручку управления вперед, чтобы «разгрузить» крыло, чтобы уменьшить вектор подъемной силы и снизить перегрузку до более низкого, чем обычно, значения угла крена, тут же изменится скорость поворота, а вместе с ней и горизонтальная составляющая вектора «центробежной силы». Приведенная выше диаграмма может привести нас к мысли, что мяч немедленно сместится от центра. Это не вариант.

В такой ситуации траектория полета будет изгибаться вверх или вниз, создавая вертикальную составляющую «центробежной силы». Векторная сумма веса и центробежной силы по-прежнему будет направлена ​​«прямо вниз» в системе отсчета самолета, и мяч останется в центре.

Или, если посмотреть на это с гораздо более простой точки зрения: когда мы тянем джойстик назад или толкаем джойстик вперед, чтобы изменить угол атаки крыла, мы увеличиваем или уменьшаем величину вектора подъемной силы, но не вводя какие-либо аэродинамические боковые силы - мы не отклоняем фюзеляж, чтобы лететь боком по воздуху. Поскольку вектор чистой аэродинамической силы по-прежнему действует «прямо вверх» в собственной системе отсчета самолета — параллельно направлению, в котором указывает вертикальный стабилизатор, — шар по-прежнему остается в центре.

(Для простоты мы игнорируем переднюю и заднюю составляющие вектора результирующей аэродинамической силы — компоненты, которые не видны при виде самолета в лоб. точно в балансе с сопротивлением или нет.)

Конечно, «загрузка» или «разгрузка» крыла таким образом во время разворота также приведет к изменению воздушной скорости, поскольку траектория полета изгибается вверх или вниз. Для самолета заданного веса при заданном угле крена существует только одно значение вектора подъемной силы (перегрузка), которое обеспечивает установившийся разворот при постоянной воздушной скорости. ²

Судя по чтению в Интернете, многие источники цитируют, что при скользящем повороте самолет слишком сильно кренится для скорости поворота.

Из приведенного выше контента вы увидите, что это не всегда так. Это может быть правдой при определенных ограничениях, но эта концепция не обладает большой объяснительной силой.

Как отмечалось выше, если мы закрепились в стабилизированном повороте, а затем отводим стик назад или толкаем стик вперед, чтобы увеличить или уменьшить вектор подъемной силы и перегрузку, скорость поворота сразу изменится, но мяч не изменится . сдвиг от центра. ³

Идея о том, что (для разворота с заданной воздушной скоростью) «при скользящем развороте самолет слишком сильно кренится для скорости разворота», верна только с учетом ограничения, что кривизна вверх или вниз (к небу или к земле) равна нулю. траектория полета. И единственный способ ⁴что (для заданной воздушной скорости) мы можем иметь несоответствие между углом крена и скоростью разворота, не позволяя траектории полета изгибаться вверх и вниз, заключается в том, что мы применяем руль направления, чтобы обнажить борт фюзеляжа для воздушного потока и создать аэродинамическую боковую силу, или мы не используем руль направления, чтобы нейтрализовать другие аэродинамические моменты, которые имеют тенденцию подвергать боковую часть фюзеляжа воздушному потоку. Если мы сделаем это, добавляя или убавляя мощность по мере необходимости, мы действительно можем создать следующие ситуации. Начиная со стабилизированного скоординированного разворота на постоянной скорости и высоте, мы можем...

а) варьировать скорость и радиус разворота, сохраняя постоянными высоту, воздушную скорость и угол крена

б) изменять угол крена и поддерживать постоянными высоту, воздушную скорость, скорость разворота и радиус

Мяч отклонится от центра в обоих этих положениях. В равной степени верно сказать, что мяч смещается от центра, потому что вектор центробежной силы больше не соответствует углу крена или потому что вектор нагрузки (векторная сумма центробежной силы и веса) больше не направлен прямо «вниз». в системе отсчета самолета (т. е. параллельно вертикальному килю), или потому, что вектор чистой аэродинамической силы больше не направлен прямо «вверх» в системе отсчета самолета (параллельно вертикальному килю), или потому что пилот использует руль направления в способ, открывающий сторону фюзеляжа воздушному потоку, который создает аэродинамическую боковую силу.

Использование пилотом руля направления является ключом к центрированию шара скольжения или преднамеренному смещению его от центра. Боковая сила, которую мы «чувствуем» при скольжении, представляет собой реальную аэродинамическую силу, создаваемую воздухом, ударяющим о борт фюзеляжа, который изменяет направление вектора чистой аэродинамической силы и его зеркального отражения, вектора «нагрузки». Объяснения, сосредоточенные вокруг некоего «баланса» или «дисбаланса» между углом крена и скоростью поворота, или углом крена и подъемной силой, или углом крена и перегрузкой, вводят в заблуждение, мало объясняют и, конечно же, не применимы к пилотажный полет. Эти объяснения, как правило, затемняют, а не освещают то, что происходит на самом деле.

Некоторые из этих видов объяснений хорошо подходят для автомобиля, движущегося по наклонной дорожке, или для бобслея, движущегося по наклонной дорожке, но не для полета, где траектория не ограничена определенным радиусом поворота, а также не ограничена не имеют восходящей или нисходящей (обращенной к небу или земле) кривизны. ⁵

Обратите внимание, что в полете, вообще говоря, изменение воздушной скорости при сохранении постоянного угла крена не создает тенденции к скольжению или заносу, хотя скорость и радиус поворота будут меняться. Пока вектор чистой аэродинамической силы продолжает указывать «прямо вверх» в системе отсчета самолета, проскальзывания или заноса не будет. Хотя, опять же, мы можем придумать определенные надуманные ситуации, когда изменение воздушной скорости при сохранении постоянного угла крена действительно вызывает проскальзывание или занос, например, если скорость и радиус поворота должны оставаться постоянными при изменении воздушной скорости. Опять же, это может произойти только в том случае, если пилот применяет руль направления, чтобы открыть сторону фюзеляжа для воздушного потока, создавая аэродинамическую боковую силу.

Мне трудно понять, почему

Это неудивительно, потому что вам были предоставлены ошибочные объяснения, а также ошибочные диаграммы. На диаграммах, приложенных к вашему вопросу, не указан вектор аэродинамической боковой силы, вызванный воздушным потоком, ударяющим о борт фюзеляжа. Диаграммы, прилагаемые к вашему вопросу, создают впечатление, что чистый вектор аэродинамической силы, создаваемый самолетом, одинаков во всех трех случаях (согласованный полет, полет с проскальзыванием и полет с заносом), хотя на самом деле это не так. Диаграммы, прилагаемые к вашему вопросу, создают впечатление, что вектор «нагрузки» может каким-то образом быть чем-то иным, чем зеркальное отражение чистого вектора аэродинамической силы, когда на самом деле он не может быть ничем иным, как зеркальным отражением чистого вектора аэродинамической силы.

Чтобы узнать больше о конкретных ошибках в векторных диаграммах, прилагаемых к вашему вопросу, см. соответствующий вопрос. Что отсутствует на этих диаграммах сил при проскальзывании и заносе? и ответьте. Чего не хватает на этих диаграммах сил при проскальзывании и скольжении? .

Другие связанные вопросы или ответы по ASE:

(В) Силы, "ощущаемые" пилотом, акселерометром, инклинометром - это аэродинамические силы, создаваемые самолетом, или сумма веса и центробежной силы?

(A) Силы, "ощущаемые" пилотом, акселерометром, инклинометром - являются ли они аэродинамическими силами, создаваемыми самолетом, или суммой веса и центробежной силы?

(В) На что на самом деле указывает балансир?

(A) На что на самом деле указывает балансир?

Тема точности диаграмм, показанных в вашем вопросе, также обсуждалась на Physics Stack Exchange. Видеть--

(В) Верна ли эта векторная диаграмма сил, действующих в поворотном полете?

(A) Верна ли эта векторная диаграмма сил, действующих при полете с поворотом?

Сноски

1 -- Для простоты мы предполагаем, что шар скольжения расположен вблизи центра тяжести самолета, или скорость вращения самолета по рысканию постоянна, или и то, и другое. Изменение скорости вращения по рысканью создаст кажущуюся центробежную или инерционную силу, которая сместит шарик скольжения в одну сторону, если он расположен далеко вперед или назад от ЦТ, и это смещение неотражать любую реальную составляющую аэродинамической силы. Например, если скорость вращения по рысканию увеличивается влево, шарик скольжения, расположенный далеко перед ЦТ, будет иметь тенденцию к смещению вправо, а шарик скольжения, расположенный далеко позади ЦТ, будет стремиться к смещению. сместиться влево. Эти эффекты второго порядка выходят за рамки предполагаемой области этого ответа, а также выходят за рамки того, что пилоты обычно могут заметить в реальном полете.

2 -- Для простоты мы упускаем из виду тот факт, что величина вектора подъемной силы, связанного с установившимся скоординированным разворотом под некоторым конкретным углом крена и определенной воздушной скоростью и углом атаки, очень немного отличается, когда мы снижаемся или набор высоты, чем когда мы выдерживаем высоту (относительно воздушной массы во всех случаях). Для скромных погружений и подъемов это очень незначительный эффект и определенно не то, чем должен заниматься тот, кто все еще изучает основы проскальзывания и скольжения, но в интересах точности этот пункт не следует полностью опускать. Чтобы узнать больше о «разгрузке» вектора подъемной силы при снижении или наборе высоты, см. Что создает тягу по линии полета в планере? иПоднимает ли одинаковый вес в подъеме?

3 -- Удивительно, но классическая книга Вольфганга Лангевише по механике полета для пилотов "Ручка и руль направления" (1944 г.), которая содержит много хорошего материала по физике полета с поворотом, делает это заявление (см. стр. 205, 219- 220 и 223-226), что в то время как избыточное противодавление на клюшку не вызывает проскальзывания или заноса, слишком слабое противодавление на клюшку может вызвать проскальзывание с отклонением мяча в нижнюю сторону поворота, что должно быть корректируется увеличением противодавления, а не применением внутреннего руля направления. Пожалуй, это единственная ошибочная идея во всей книге. 3-е издание книги «Современное летное мастерство» (1966 г., под редакцией Нила Ван Сикла, генерал-майора ВВС США) имеет аналогичное содержание на страницах 308–309. К 8-му (1999 г.) изданию «Современное летное мастерство Ван Сикла» под редакцией Джона Ф. Уэлча, Льюиса Бьорка, и Линды Бьорк этот контент был удален, а оставшийся контент о физике поворотного полета был сохранен (стр. 441). Для получения дополнительной информации, включая конкретные цитаты из этих книг, см.https://web.archive.org/web/20180905112047/http://aeroexperiments.org/critiques.shtml .

4 -- Строго говоря, не совсем верно, что единственныйСпособ, которым (для данной воздушной скорости) мы можем иметь несоответствие между углом крена и скоростью разворота, не позволяя траектории полета изгибаться вверх и вниз, состоит в том, чтобы отклонить руль направления в сторону таким образом, чтобы обнажить сторону самолета. фюзеляж к воздушному потоку. Но это хорошее первое приближение. Для более тонкого представления мы должны рассмотреть влияние боковой силы, создаваемой самим рулем направления. Например, мы могли бы выключить один двигатель на обычном двухпоршневом двигателе и использовать руль направления ровно настолько, чтобы фюзеляж точно выровнялся с воздушным потоком. Поскольку боковая сила от самого руля направления не равна нулю, шар будет слегка отклоняться (в сторону работающего двигателя), когда нос самолета направлен прямо против относительного ветра. Если мы включим исправный двигатель по мере необходимости, чтобы отменить склонность к поворотам, мыздесь , здесь и здесь (ссылка будет добавлена).

5 -- Если говорить о бобслее на изогнутых трассах, то "Руководство по обучению дельтапланеризму" и "Полеты на дельтаплане" Денниса Пейгена содержат обширный контент, в том числе иллюстрацию бобслея на трассе, с целью показать, как пилот входит в поворот во время полета на дельтаплане, если он или она немедленно не «загрузит» крыло адекватным вводом тангажа, планер будет скользить по воздуху боком, к низкой законцовке крыла. Также идея о том, что преднамеренное уменьшение угла атаки, подъемной силы и перегрузки при повороте заставит планер скользить боком по воздуху к низкому законцовке крыла. См., например, стр. 128-129 в «Руководстве по обучению дельтапланеризму» и стр. 45 в «Полеты на дельтаплане». Похожая идея появляется на странице 70 книги Питера Чейни «Дельтаплан для начинающих пилотов». (3-е издание, 1997 г.). Я проверял эти идеи в полете с гироскопом, на дельтаплане, а также на обычном самолете, и не нашел для них оснований. Подробнее о содержании этих книг см.https://web.archive.org/web/20180905112047/http://aeroexperiments.org/critiques.shtml .

Из-за недостаточной скорости и тяги для угла крена самолета. Для горизонтального разворота нужно подтягиваться не к крену, а сначала нужно сделать крен на несколько градусов и иметь достаточную скорость, чтобы выдержать G, требуемый для угла крена. ниже необходимой перегрузки для угла крена нос вашего самолета будет пикировать, если вы потянете больше перегрузок, нос поднимется над горизонтальной линией. Теперь есть два типа поворотов с заносом (внутри поворота или дрейф вне поворота).