Смещается ли центр тяжести самолета, летящего на «высоких скоростях»?

Следующая цитата взята из книги Г. Бристоля « Интервью с техническим пилотом»:

[Перемещение] центра тяжести происходит из-за изменения веса. Распределение веса самолета может измениться по трем причинам, что приведет к смещению центра тяжести. Три причины изменения веса самолета:

  1. Расход топлива
  2. Пассажирское движение
  3. Высокие скорости*

*Примечание. Это так, потому что чем больше скорость, тем больше создаваемая подъемная сила. Чтобы сохранять прямолинейность и уровень, самолет принимает более низкое положение носом, что достигается за счет создания подъемной силы в хвостовом оперении. Этот подъем эффективно снижает вес хвостового оперения самолета.

Я был удивлен, прочитав, что центр тяжести (ЦТ) меняется при «Высоких скоростях». Насколько я понимаю, горизонтальный стабилизатор создает направленную вниз силу, чтобы противодействовать моменту относительно центра тяжести, создаваемому подъемной силой, действующей через центр давления.

Хотя принятие положения носом вниз на более высоких скоростях для поддержания прямолинейности и уровня имеет смысл из-за повышенной скорости (при условии постоянной р ).

Но я все еще борюсь с предложением: «Этот подъемник эффективно снижает вес секции хвостового оперения». Я просто не понимаю, как скорость может изменить реальную компьютерную графику.

Изменяется ли фактическая CG на «Высоких скоростях»?

(Хотя я понимаю, что аэродинамика универсальна для всех самолетов, если есть различия в обсуждении легких самолетов по сравнению с турбовинтовыми и пассажирскими самолетами, я бы предпочел, чтобы обсуждение было больше в сторону последних, спасибо)

Возможно, более разумная, чем физика, «причина для изменения » подразумевает перемещение компьютерной графики, чтобы сбалансировать ее с помощью аэродинамических сил. Перемещение экипажа обычно производилось на дирижаблях для отделки.
@RobertDiGiovanni Во всяком случае, предложение «этот подъемник эффективно снижает вес хвостового оперения самолета» не является последовательным, хотя обрезка иногда выполняется путем массового перераспределения. Это нелогично, потому что центр тяжести определяется фактическим весом, который не изменяется в результате действия аэродинамических сил на хвостовое оперение.
С технической точки зрения, все, что прикладывает силу к летательному аппарату, может вызвать изгиб, что приведет к смещению ЦТ. Меня бы удивило, если бы сила сопротивления от высокой скорости значительно сдвинула его, но технически это имеет эффект.
@CortAmmon Это был бы еще один способ ответить на вопрос, поставленный в заголовке, без решения проблем, о которых утомительная черепаха спрашивает в основной части вопроса. Несомненно, кто-то вскоре укажет, что если самолет движется с высокой скоростью, то и его ЦТ тоже.
@sdenham, и именно поэтому это был комментарий, а не ответ.
@CortAmmon В самом деле, именно поэтому я написал «было бы» ... Возможно, я стал сверхчувствительным ко всему, что может быть истолковано как предполагающее, что аргумент, приведенный в вопросе, в любом случае разумен.

Ответы (6)

Изменение аэродинамических сил, действующих на какую-либо часть самолета, НЕ МОЖЕТ изменить распределение массы внутри конструкции самолета. Центр масс (он же центр тяжести) можно изменить ТОЛЬКО перемещением массы внутри конструкции (или добавлением/удалением массы) и остается постоянным, пока вы этого не сделаете. Аэродинамика не (НЕ МОЖЕТ) иметь к этому никакого отношения. Это даже не изменится, если вы переместите самолет на другую планету или в космос, в свободном падении, где «нет» гравитации.

Теперь, хотя это может только сбить с толку основной момент здесь, это правда, что если вы делаете что-то, что требует перераспределения массы (будь то топливо, груз, пассажиры, что угодно), то это массовое перераспределение ( если / когда оно произойдет ) изменится. тем не менее, именно массовое перераспределение, и только массовое распределение, может непосредственно вызвать изменение ЦТ.

Любое ваше действие, которое требует или делает необходимым массовое перераспределение, само по себе не может изменить CG.

Это получает мой голос за лучший ответ, но могу ли я предложить перефразировать последний абзац, который мне пришлось перечитать? Я думаю, что вы говорите что-то вроде «Верно, если вы делаете что-то, что на самом деле перераспределяет массу, то вы можете изменить ЦТ, но даже если предпринимаемое вами действие создает потребность в перераспределении массы, это не означает, что действие имеет сама изменила CG." Приношу свои извинения, если я не совсем ясно выразился или неправильно понял ваше намерение.
" аэродинамические силы […] НЕ МОГУТ изменить […] конструкцию самолета. " - ну могли, разбив самолет на части :)
Ха! да, в этом вы правы.
@sdenham, на самом деле нет, я имел в виду именно то, что написал. Если вы сформулируете это так, как предлагаете, вы соедините две вещи. Как вы можете « сделать что-то, что на самом деле перераспределяет массу …» без перераспределения массы? Примеров предостаточно, и они упоминаются в некоторых других ответах, но во всех случаях именно фактическое распределение массы (если / когда оно происходит) изменяет CG, а не действие, которое требует перераспределения массы.
@CharlesBretana Очевидно, что моя попытка перефразировать потерпела неудачу в достижении моей цели быть недвусмысленным, но я чувствую, что здесь есть опасения. Может быть, это только я, но когда я впервые прочитал последний пункт, я подумал, что кто-то может не согласиться следующим образом: «но если вы сделали что-то, что потребовало массового перераспределения (таким образом, что изменило CG), то это первое действие вызвало изменение GC» . Это было бы правильным использованием слова «причина», а цепочка причинно-следственных связей часто важна (например, при анализе несчастных случаев), но из отрывка, процитированного в вопросе, ясно, что автор книги говорит не об этом. .
@CharlesBretana ... WRT «если вы делаете что-то, что требует перераспределения массы ... тогда это массовое перераспределение изменит компьютерную графику»: массовое перераспределение не обязательно меняет компьютерную графику, хотя вполне может это сделать. Я думал, вы указываете, что только перераспределение массы может изменить центр тяжести (не говоря уже о асимметричных изменениях в гравитационном поле!), и поэтому, чтобы изменить центр тяжести, вы на самом деле (как в «ничего другого не достаточно») должны перераспределить массу . Ясно, что предложенное мною изменение совершенно не прояснило ничего!
@sdenham, я не уверен, правильно ли я читаю ваш комментарий, но если вы говорите с точки зрения, что цепочка причинно-следственных связей должна включать связи, которые существуют только благодаря намерениям человека, то семантически вы можете быть правы, но , смысл анализа состоит в том, чтобы изолировать непосредственную причину следствий, а не косвенные причины, которые находятся в пяти, или трех, или даже только одной связи ... Это, я думаю, верно, особенно когда промежуточные связи не являются абсолютно необходимыми. , но для установления соединения требуется какое-то другое независимое событие.
Что касается вашего комментария «перераспределение массы не обязательно меняет ЦТ», ну, технически это верно, вы могли бы по чистой случайности переместить массу таким образом, чтобы результирующая ЦТ оказалась именно там, где она была, но это было бы случайностью ( и в зависимости от заявленных допусков к вашему определению «точное» ). Я не видел необходимости выделять это исключение... (поскольку я не видел необходимости ясно заявлять каждый раз, когда я использую фразу «массовое распространение», что это также включает в себя добавление и/или удаление массы. )
@CharlesBretana Человеческая деятельность здесь не проблема; гипотетический ответ «но если вы сделали что-то, что потребовало массового перераспределения (таким образом, что изменило CG), то это первое действие вызвало изменение GC» было бы действительной цепочкой причинно-следственной связи, даже если оба действия были выполнены автоматическими механизмами. Я пытаюсь сказать здесь, что если кто-то ответил на вашу последнюю фразу с этой мыслью, он мог бы продолжать думать, что отрывок, процитированный в вопросе, в конце концов, верен. Насколько я могу судить, это не тот вывод, который вы поддерживаете (на самом деле, как раз наоборот!)
Вы можете не думать, что существует какой-то реальный риск того, что кто-то так думает (но см. ответ Койовиса...), и вам решать, думаете ли вы, что я создаю проблему из ничего. Массоперенос WRT без движения ЦТ можно попытаться сделать вполне сознательно, как при заборе топлива как из левого, так и из правого баков. Поскольку ясно, что вы имеете в виду здесь, это не проблема, которую я бы упомянул, за исключением того, что это первая часть предложения, которую я чувствовал, может быть неправильно понят... Чтобы было ясно, я решительно поддерживаю ваш ответ как правильный.
Возможно, я неправильно понимаю то, что вы пытаетесь донести (это становится немного запутанным), но, если я вас понимаю, я придираюсь, потому что, на мой взгляд, не может быть такого действия, которое «вынуждает» массовое распространение. И если фактическое распределение масс не является абсолютно неизбежным физическим следствием первого действия (и я не могу представить себе какое-либо первое действие, которое можно было бы описать так), то нельзя утверждать, что первое действие является прямой причиной изменения ЦТ. .
Что касается ответа Койовиса, то да, это правда, что когда самолет переходит на сверхзвук, центр давления изменяется (перемещается назад), и это смещение изменяет триммерные усилия, и, если все работает как задумано, исправление заключается в перекачке топлива и картера. Смена КГ. Но, используя этот тип логики, вы могли бы эквивалентно утверждать, что решение пилота лететь в пункт назначения дальше (что позволило бы осуществлять сверхзвуковой полет) вызывает изменение в ЦТ. Или вы можете возразить, что пациент, имеющий проблемы со здоровьем на сверхзвуке, которые требуют ранней посадки для лечения, вызывает изменение ЦТ.
Я имею в виду, что вы, вероятно, знаете о теории (аргументе), что взмах крыльев бабочки может полностью изменить погоду на другой стороне земного шара в какой-то момент в будущем. Да, все связано цепью косвенной причинности. Вот почему так важно подчеркнуть ясность в непосредственных причинах следствий. В противном случае мы вынуждены принять решение, где (когда) в бесконечной цепи прошлых событий мы остановимся. Помню рассказ про муху, и про птичку, и про кошку, и про пса, и про коня, и про генерала на коне, и про битву, и про войну...
Я бы предположил, что, хотя этот ответ правильный, в нем обсуждается масса, а в тексте, цитируемом ОП, вес обсуждается в неприятно расплывчатой ​​форме. По крайней мере, я ожидаю, что кто-то, отвечая на такой вопрос в техническом интервью, рассмотрит возможность того, что «вес» в этом контексте включает аэродинамические вклады.
По мнению @sdenham, этот последний абзац - полный рот ... Да, я полностью понимаю, о чем вы говорите, но мне пришлось прочитать его несколько раз, и в конечном итоге я не думаю, что это добавляет какой-либо ценности или ясности первому параграф. CG затрагивается только в том случае, если вы перераспределяете массу. Период.
Я воспринял ссылку OP на вес вместо массы как не что иное, как повсеместное искажение или неправильное использование терминов или неправильное определение веса для того, что на самом деле является массой. Я никоим образом не предполагаю, что ссылка на вес предназначена для включения аэродинамических сил. Вес — это просто сила тяжести, действующая на объект в гравитационном поле, равная произведению массы на силу поля в местных единицах ускорения.
@ Майкл Холл, да, оглядываясь назад, я согласен с вашей реакцией на мой последний абзац. Поскольку я считаю, что его полное удаление сделает все эти комментарии запутанными, я отредактирую его, чтобы прояснить вашу точку зрения.

Автор книги делает правильное вступление: "..перемещение центра тяжести происходит из-за изменения веса. Распределение веса самолета может измениться по трем причинам". Сноска неверна: изменение подъемной силы хвостового оперения никогда не приводит к смещению центра тяжести. Аэродинамика не имеет отношения к силе тяжести, действующей на массу - центр тяжести не меняется в зависимости от дифферента хвостового оперения, изменяется центр подъемной силы.

введите описание изображения здесьИсточник изображения , упомянутый ранее в этом ответе .

Но есть смягчающий фактор, в случае перекачки топлива. Современные пассажирские самолеты меняют ЦТ, перераспределяя топливо во время полета, именно с целью уменьшения сопротивления от положительной подъемной силы хвостового оперения. Например, в A380 за счет дифферента топливных баков в горизонтальном оперении.

введите описание изображения здесьИсточник изображения

Другой случай, когда смещение ЦТ помогает повысить эффективность на высоких скоростях, это, конечно, сверхзвуковые самолеты. CoL крыла смещается примерно с четверти хорды крыла на дозвуковых скоростях до половины хорды крыла на сверхзвуковых скоростях. Передача топлива на околозвуковой скорости затем также смещает ЦТ назад, чтобы предотвратить большое дифферентное сопротивление.

Re A380 - см. сноску в моем ответе. PS самостоятельно набирал справочный URL-адрес Concorde, прежде чем увидел ваш еще не опубликованный ответ -
Я думаю, лучше сказать, что хвост поднимается для дифферента, а не столько продольной устойчивости, что было бы скорее переходным случаем. Если хвост поднимается для балансировки, это должно означать, что чистый момент тангажа самолета без хвоста изменился с носа вниз на нос вверх, даже если крыло работает под некоторым положительным углом атаки, верно?
@JohnK Хвост действительно поднимается для обрезки. Тем не менее, всегда должна поддерживаться продольная устойчивость, что в крейсерском режиме с поднятым оперением не проблема.
Хотя это отвечает на вопрос, поставленный в заголовке, это не помогает в вопросе, на самом деле поднимаемом здесь, а именно, является ли цитируемый отрывок правильным - и это не так, факт, который разъясняется примечанием его автора, не оставляющим никаких сомнений. что он в корне запутался. @tedioustortoise, по-видимому, хочет, чтобы последний был решен, и не знал, что заголовок позволяет ответить, который позволяет избежать этой проблемы. Оглядываясь назад, возможно, лучшей формулировкой было бы: «Влияют ли аэродинамические силы на хвостовое оперение на определение местоположения центра тяжести?»
@sdenham Возможно, ЦТ считается «эффективным» ЦТ и относится к дифферентному сопротивлению, а не к продольной устойчивости как таковой. По мере того, как угол атаки уменьшается с увеличением скорости, момент тангажа уменьшается, а силы дифферентовки, необходимые для регулирования этого целевого угла атаки, уменьшаются. В целях триммерного сопротивления это как если бы вы переместили ЦТ на корму, разгрузив хвост, и, возможно, это то, о чем они действительно говорят. В идеале вы хотели бы, чтобы хвост был полностью разгружен для дифферента при крейсерском угле атаки, а его подъемные силы вносили вклад только в продольную статическую устойчивость,
@JohnK Я не буду вдаваться в подробности того, почему взгляд автора на проблему не просто бесполезен, но сбивает с толку - и, вероятно, непоследовательно - даже если вы называете это «эффективной компьютерной графикой», потому что более уместным здесь является то, что На вопрос, который хочет получить утомительная черепаха, нет ответа, если учесть, что в некоторых самолетах используются дифферентные баки.
@Koyovis Действительно; ответ можно значительно подтянуть, удалив все остальное.
Аэродинамические силы на хвостовом оперении способствуют определению [ CoL (+1) и, следовательно, его взаимосвязи с] расположением центра тяжести, что необходимо учитывать для «Для поддержания прямолинейности и уровня».
@sdenham согласно предложению.
Возможно также изменить « Другой случай, когда ЦТ смещается на высоких скоростях… » на «Другой случай, когда смещение ЦТ повышает эффективность на высоких скоростях…». Это то, что делают настоящие реактивные самолеты на практике, но это необязательно. Весь вопрос в том, влияет ли скорость напрямую на CoG, а не просто мотивирует вас изменить его другими способами, поэтому однозначные формулировки хороши, когда это возможно.
(Я внес предложенное редактирование с этим изменением, но не нашел подходящей формулировки для нового конца этого абзаца; его можно было бы улучшить.)

Здесь есть две отдельные проблемы.

Во-первых, пока мы физически не перераспределяем массу самолета, то изменение тангажа самолета при изменении скорости совершенно не следует описывать как "перемещение центра тяжести... изменение веса». Так что процитированный текст однозначно ошибочен.

Второй вопрос касается того, действительно ли горизонтальное оперение развивает большую подъемную силу вверх или меньшую подъемную силу вниз по мере увеличения крейсерской скорости. Процитированный отрывок предполагает, что это необходимо, чтобы нос самолета был опущен, чтобы крыло встречало воздух под все более малым углом атаки, который связан со все более высокими скоростями полета. И нет никаких сомнений в том, что угол атаки крыла действительно должен уменьшаться при увеличении воздушной скорости.

Но правда в том, что из-за момента тангажа при опускании носа от изогнутого крыла, который может быть выражен как коэффициент тангажа , хвостовое оперение обычно должно производить больше прижимной силы или меньше подъемной силы в крейсерском полете на более высокой скорости, чем в крейсерском режиме с более низкой скоростью. Несмотря на то, что лифт расположен нижена более высоких скоростях полета (в простом случае, когда весь штырь сам по себе не может двигаться для балансировки самолета). Это кажущееся несоответствие можно объяснить тем фактом, что самолет в целом летит с меньшим углом наклона и углом атаки. в крейсерском скоростном режиме, чем в крейсерском с малым, и это влияет на угол атаки горизонтального оперения. Таким образом, ошибочно полагать, что хвост фактически «становится легче» по мере увеличения воздушной скорости. На самом деле верно обратное, если мы собираемся описать комбинированные эффекты фактического веса хвоста и любой подъемной или прижимной силы, которую он должен создавать для балансировки самолета.

Дело в том, что во время сверхзвукового крейсерского полета общий центр подъемной силы самолета может сместиться довольно далеко назад, что при отсутствии изменения центра тяжести должно быть компенсировано сильным изменением высоты носа в триммере управления по тангажу. В «Конкорде» это достигается за счет перекачки топлива в корму во время разгона до крейсерского режима на высокой скорости. Но подобные процедуры обычно не используются на самолетах, курсирующих в дозвуковом диапазоне. 1

Таким образом, приведенный отрывок изобилует ошибками.

Сноски:

  1. Цитата из PDF-файла о топливной системе Airbus A380: «Передача управления центром тяжести (ЦТ): передача управления ЦТ удерживает ЦТ самолета впереди сертифицированного предела задней части путем передачи топлива из триммерного бака в соответствующие баки крыла. Центр тяжести переносится, потому что центр тяжести оказывает лишь незначительное влияние на крейсерские характеристики». airbus-a380-самолеты-системы-pdf-free.html
Логика "*Примечание. Это происходит потому, что чем больше скорость, тем больше создаваемая подъемная сила. Чтобы удерживать прямолинейность и уровень, самолет принимает более низкое положение носа, что достигается за счет создания подъемной силы на хвостовом оперении. Эта подъемная сила эффективно уменьшает вес хвостового оперения самолета». такой круглый и совершенно ошибочный. Автор утверждает, что А) угол атаки крыла и, следовательно, тангаж самолета должны быть ниже/больше опущены носом на высокой скорости (правда). ...
(продолжение) B) для достижения этого хвост должен создать большую подъемную силу (мой ответ утверждает, что это неверно, но ради аргумента давайте притворимся, что это правда.) C) Так как хвост якобы делает то, что он нужно сделать, чтобы все было сбалансировано, теперь мы создали проблему, похожую на сдвиг в компьютерной графике, и самолет больше не находится в равновесии. (Не имеет никакого смысла.)

НЕТ.

Можно считать, что «центр тяжести» - это место, где сосредоточена общая масса тела или, альтернативно, общая масса.

Его часто рассматривают как внутреннюю физическую характеристику твердого тела и (в обычном понимании) не изменяют скорость, ускорение или плотность окружающей среды. Его можно изменить, только изменив внутреннюю структуру физического тела, например, по-иному переместив в нем какую-то массу. Следовательно, для самолета его изменит только перемещение какой-либо массы внутрь, наружу или перемещение внутрь. Сжигание топлива и движение пассажиров являются случаями этого, а изменение скорости - нет.

Я убрал мысль о том, что автор, возможно, хотел сказать.

Вы не должны полагаться на книгу г-на Бристоля, чтобы пройти собеседование по техническому пилотированию. Он делает три ошибки в цитируемом разделе:

  1. Масса не вес. Массу чего-то можно изменить , только добавив или убрав что-то. Вес есть сила, произведение массы на ускорение. Для придирчивых: да, масса действительно увеличивается, когда вы достигаете существенной доли скорости света, но мы можем спокойно пренебречь этим релятивистским эффектом в авиации.
  2. Центр тяжести не меняется при изменении веса, скажем, из-за изменения ускорения. Вращающийся самолет подвергается не только гравитационному ускорению, но и инерционному ускорению, возникающему в результате его движения по криволинейной траектории. Измените кривизну траектории и вес изменится, но масса не изменится. Теперь можно спорить, являются ли гравитационная и инерционная масса двумя разными вещами, но до сих пор никто не мог продемонстрировать никакой разницы между ними , кроме семантики.
  3. Самая серьезная ошибка — третья: нагрузка на хвост становится более отрицательной с увеличением скорости, когда крыло имеет положительный развал. Поскольку центр давления перемещается назад на изогнутом крыле по мере уменьшения угла атаки, распределение подъемной силы между крылом и оперением (или уткой) должно измениться, чтобы центр давления всего самолета оставался в центре тяжести.

Когда на крыле используется симметричный аэродинамический профиль, нагрузка на хвостовую часть остается постоянной по углу атаки, если рассматривать только аэродинамические силы. Но самолеты с двигателями также производят тягу, и смещенная линия тяги также будет влиять на момент тангажа. Когда двигатели установлены под крыльями и сопротивление увеличивается с воздушной скоростью выше минимальной скорости сопротивления , требуется большая тяга, чтобы уравновесить сопротивление, и это увеличит вклад двигателей в увеличение тангажа. Это также требует большей подъемной силы хвоста! Только очень высокое размещение двигателей (например, на амфибиях Lake или Экраноплане ) приведет к уменьшению подъемной силы хвоста (или увеличению прижимной силы), когда скорость приближается к максимальной скорости самолета.

Нормально ли говорить о «весе» с точки зрения сил, отличных от гравитации? (В неинерциальной системе отсчета вращающегося самолета вы считаете, что центробежная сила является частью веса?) С моим образованием, не связанным с авиационной физикой, я бы сказал, что вес = , а атмосфера достаточно тонкая, m gчто gблизко достаточно для тех же 9,81 м/с^2 везде, где можно летать на самолете на Земле. (И, конечно же, не меняется со временем настолько, чтобы это имело значение.) Другие силы, действующие на массу самолета, очевидно, значительны и, конечно, должны быть каким-то образом учтены.
@PeterCordes Если вы думаете, как описывается влияние коэффициента нагрузки> 1 на пилота: да. Если вы проводите различие между гравитационным и инерционным весом: Нет, но это уже схоластика.

Причины изменения массы самолета не более чем, как говорится, причины. Единственная разница между расходом топлива и движением пассажиров, с одной стороны, и высокими скоростями, с другой, заключается в том, что первые два сами по себе вызывают изменение ЦТ, тогда как последний изменяет только подъемную силу. И расход топлива, и движение пассажиров можно скорректировать, изменив подъемную силу, так же как изменение подъемной силы из-за высоких скоростей можно исправить, изменив центр тяжести, что делает это правдоподобной причиной.

Однако не существует такой вещи, как эффект Бернулли на влиянии гравитации. Вы не можете обогнать его. Текст несколько вводит в заблуждение. «... причины и, следовательно, причина ..» предполагает, что и то, и другое означает одно и то же, что неверно, поскольку причины не являются причиной.

Смещается ли центр тяжести самолета, летящего на «высоких скоростях»?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v