Являются ли вертолеты аэродинамически устойчивыми?

Все сложно ;)

Есть два типа стабильности; динамические и статические.

Если самолет потревожит, скажем, порыв ветра, он отклонится от своего положения, но затем немедленно и без управляющих воздействий вернется в исходное положение. Это положительная статическая устойчивость. Если он остается в нарушенном положении, если его не исправить, он имеет нейтральную статическую устойчивость. Если он продолжает отклоняться, он имеет отрицательную статическую устойчивость.

Если самолет возвращается в исходное положение, немного промахивается, затем корректируется обратно, промахивается немного меньше и так далее, в конце концов возвращаясь в исходное положение, то он имеет положительную динамическую устойчивость. Если эти колебания продолжаются и не «затухают» до тех пор, пока не будет восстановлено исходное положение, то он имеет нейтральную динамическую устойчивость. Если колебания становятся все большими, то он имеет отрицательную динамическую устойчивость.

Что касается вертолетов, я буду игнорировать те, у которых есть автопилоты, гидравлическое управление и системы повышения устойчивости.

Представьте, что вы парите. Порыв ветра обрушивается на вертолет. Диск будет «хлопать» в сторону от порыва ветра, и вертолет будет двигаться вместе с порывом. Когда порыв прекращается, на диск теперь действует поток воздуха с противоположного направления, поскольку теперь он движется вбок. Диск отклонится в другую сторону, возвращаясь в нейтральное положение, но фюзеляж действует как маятник, висящий под диском, и его импульс заставит его раскачиваться дальше, наклоняя диск сильнее и заставляя вертолет двигаться быстрее в направлении, противоположном порыв, чем требуется, чтобы вернуться к исходному положению. В конце концов, воздушный поток теперь исходит из направления, в котором движется вертолет, поэтому диск откидывается, фюзеляж качается слишком далеко и… Если его не исправить, он будет продолжать качаться вперед и назад, перекатываясь, рыская и качаясь.

В прямом полете (и если вы не хотите знать, я пропущу детали, которые включают в себя направление порыва ветра, склонность фюзеляжа к флюгеру и «обратный выброс», поскольку все детали касаются того, в какую сторону закрылки диска и в какую сторону). фюзеляж флюгеры и много слов!), вертолет статически устойчив и динамически устойчив по рысканью и статически устойчив и динамически неустойчив по тангажу и крену.

Вы можете снять ноги с педалей, и дрон будет устойчиво рыскать. Вы можете убрать руку с колхоза (хотя вы никогда не должны этого делать — если двигатель заглохнет, вам нужно быстро опустить этот рычаг), и он останется там, где он есть, игнорируя, возможно, вибрацию, заставляющую его в конечном итоге двигаться вверх или вниз.

Вы не можете убрать руку с циклического регулятора, так как это элемент управления, который определяет тангаж и крен и постоянно корректирует динамическую нестабильность.

На легком вертолете вы потеряете управление в течение секунды или двух. На тяжелом, может быть три-четыре секунды.

Таким образом, вертолет является статически устойчивым и динамически неустойчивым по всем трем осям при висении и прямом полете, за исключением рыскания при прямом полете, где он является динамически устойчивым.

Аэродинамическая устойчивость определяется как:

• статически устойчивый, когда при отклонении от равновесия появляется аэродинамический момент, который заставляет самолет стремиться вернуться к равновесию.
• динамически устойчивым, если есть движение, возвращающееся к положению равновесия, с достаточным демпфированием, чтобы перейти в новое положение равновесия.

Таким образом, статическая устойчивость учитывает силы, динамическая устойчивость учитывает реакции движения во времени, вызванные силами. Статическая устойчивость является необходимым условием динамической устойчивости.

Вертолеты аэродинамически нестабильны по тангажу и крену при зависании, как показано в этом ответе . При рыскании он будет флюгером при зависании.

Устойчивость в прямом полете:

• Тангаж: статически неустойчивый, если не установлен горизонтальный стабилизатор, обеспечивающий статическую и динамическую устойчивость, увеличивающуюся с увеличением скорости движения вперед.
• Рулон: статически неустойчивый. Однако существует стабилизация по крену / боковому скольжению за счет угла конусности несущего винта, аналогичная двугранной для самолетов с неподвижным крылом.
• Рыскание: статически и динамически устойчиво. Ясно представить, установлено ли вертикальное оперение - если нет, хвостовой винт обеспечивает точно такие же стабилизирующие тенденции, как и вертикальное оперение.