Почему самолеты могут выдерживать больше положительных, чем отрицательных перегрузок? Т.е. почему диаграммы Vn несимметричны?

Линии начинаются с нулевого коэффициента нагрузки, потому что без скорости нет подъемной силы. Если двигаться дальше вправо, верхняя линия определяется максимальным подъемом, а нижняя линия определяется минимальным подъемом. Оба имеют одинаковое значение только для симметричных аэродинамических поверхностей - обычные аэродинамические поверхности оптимизированы для создания подъемной силы только в одном направлении.

Верхний и нижний пределы максимальной перегрузки vn-диаграммы в основном определяются максимальными порывистыми нагрузками в горизонтальном полете и в этом состоянии представлены линиями, исходящими из +1 g, так что расстояние от +1 g в пересчете на положительный и отрицательный коэффициенты нагрузки должны быть одинаковыми. Добавьте к этому, что ваши крылья будут создавать примерно на 50% больше силы, пока они не достигнут своей максимальной подъемной силы по сравнению с минимальной (= максимальной отрицательной) подъемной силой (конечно, детали зависят от аэродинамического профиля), и тогда ваши пределы коэффициента нагрузки будут 1 + 1,5$\cdot$перегрузка по порывам в положительном направлении и 1 - перегрузка по порывам в отрицательном направлении.

Для примера я загрузил поляру сверхкритического аэродинамического профиля, которую я рассчитал много лет назад с помощью ISES Марка Дрелы. Это лучшее, что я смог быстро найти — большинство поляр показывают только положительную максимальную подъемную силу, а не предел на противоположном конце.

Как видите, максимум$c_L$составляет +1,3, а минимальная$c_L$составляет всего -0,8.

Давайте рассмотрим практический случай: самолеты многоцелевой категории должны быть сертифицированы для +3,8 g и -1 g. В горизонтальном полете положительный вертикальный порыв (восходящий поток) может добавить +2,8 g. Та же сила порыва ветра в отрицательном направлении (нисходящий поток) вызовет изменение нагрузки всего на -1,9 g (поскольку крыло свалится раньше), что при добавлении к обычному 1 g при горизонтальном полете приведет к коэффициенту перегрузки -0,9 g. . Достаточно близко для ограничения отрицательного коэффициента перегрузки на уровне -1 g.

На более высокой скорости порыв не будет останавливать аэродинамический профиль в любом направлении, и теперь мы можем просто предположить, что порыв будет создавать положительную нагрузку 1 + коэффициент нагрузки от порыва и отрицательную нагрузку 1 - коэффициент нагрузки от порыва. Пусть коэффициент порывистых нагрузок будет 2,8, а ваши пределы будут +3,8g и -1,8g, как в вашем примере на 150 уз.

До сих пор я рассматривал обоснование ограничений нагрузки для сертификации. Но и в реальной жизни есть разница между положительными и отрицательными коэффициентами нагрузки: лонжерон крыла должен нести изгибающий момент из-за подъемной силы за вычетом веса крыла. Если бы ему пришлось нести одинаковые аэродинамические нагрузки в обоих направлениях (вверх и вниз), вес крыла уменьшил бы общую положительную нагрузку, но увеличил бы общую отрицательную нагрузку. Вот почему конструкция не может выдерживать одинаковые коэффициенты нагрузки в обоих направлениях: вам нужно дать крылу некоторый запас, чтобы выдерживать собственный вес в дополнение к аэродинамическим нагрузкам.

Иначе обстоит дело, если взять vn-диаграмму самолетов пилотажной категории. Теперь вы не можете сразу предположить, что самолет будет лететь только прямо, но вам нужно предположить, что он будет поражен порывом ветра, когда летит вверх ногами. Добавьте к этому, что симметричный аэродинамический профиль будет создавать одинаковую подъемную силу в обоих направлениях, прежде чем он остановится, и ваш конверт должен быть ограничен ±6g, что сделает конверт симметричным.

Проще говоря, это потому, что самолет спроектирован так , чтобы быть сильнее в направлении +G. Он не должен быть таким прочным в направлении -G (поскольку он не будет испытывать высоких отрицательных перегрузок во время работы), поэтому он не предназначен для этого. Это привело бы к лишнему конструктивному весу.

Есть много технических факторов, которые определяют рейтинг g. Кумулятивное усталостное повреждение от доминирующих операций в первую очередь определяет g-рейтинги. При приземлении это способствует сильной утомляемости положительных перегрузок. Во время полета естественные силы гравитации и турбулентности (включая порывы ветра) способствуют усталостным повреждениям. Эти напряжения ощущаются во всех системах управления. Поэтому самолет спроектирован так, чтобы быть прочнее во всех отношениях, чтобы поддерживать и противостоять более серьезным проблемам усталости.

http://adg.stanford.edu/aa241/structures/structuraldesign.html

Почему диаграммы Vn несимметричны?

Диаграммы Vn, как правило, визуально отражают некоторые из наиболее важных соображений усталости. Технические соображения, влияющие на рейтинг g, также отражены в диаграммах Vn по тем же причинам. Обратите внимание на резкие изменения формы на следующей диаграмме Vn и пояснениях к ней:

http://adg.stanford.edu/aa241/structures/vn.html

Так почему бы не усилить все, чтобы иметь более высокие пределы g? Стоимость и полезный возврат инвестиций. Нецелесообразно иметь самолет, нагруженный до +/- 100 г, если он имеет небольшую полезную нагрузку, слишком тяжелый для полета или стоит так дорого, что очень немногие клиенты могут позволить себе его покупку и платить за его эксплуатацию.

Балансы веса, стоимости, прочности... находятся в постоянном движении по всей конструкции, чтобы обеспечить в целом полезный и доступный самолет. Равные рейтинги g не являются приоритетом, однако соблюдение нормативных минимумов является приоритетом.

https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/avs/offices/air/directorates_field/small_airplanes/media/CPS_Part_23.pdf

Существуют нормальные и ненормальные условия, при которых самолет подвергается воздействию отрицательных перегрузок.

К нормальным отрицательным перегрузкам относятся: турбулентность в полете, восстановление после приземления с отскоком, сквозняки / сдвиг ветра ... и другие инженерные ограничения, которые отражаются в отрицательных оценках перегрузки.

К аномальным отрицательным перегрузкам относятся: ходьба по верхней части крыла или иная нагрузка на нее, неучтенный пилотаж, чрезмерная нагрузка от снега во время стоянки, чрезмерные управляющие моменты, вызванные пилотом, вызывающие отрицательные перегрузки, чрезмерные неровности дороги во время движения...

К условиям, нарушающим конструктивные соображения отрицательной перегрузки, относятся: неправильное крепление или чрезмерный износ складных деталей крыла, изношенные или деформированные косынки крыла или связанные с ними крепежные детали, усталостные или слабые сварные соединения, коррозия ...

G-рейтинги связаны с устойчивостью к повреждениям.

Как точка отсчета. Отказы от усталости обычно более значительны для веса брутто, и поэтому рейтинги полезности и предельной перегрузки (нормативные) обычно даются для веса брутто.

Сопротивление материалов — это особая область науки и техники, характеризующая свойства материалов, в том числе усталостные. С помощью компьютерного моделирования можно провести тысячи испытаний с использованием различных параметров для прогнозирования усталостных отказов до того, как они действительно произойдут в летающих самолетах.

Самолет может быть спроектирован так, чтобы иметь более высокие отрицательные пределы перегрузки, чем положительные пределы перегрузки; однако стоимость этой бесполезной инженерной функции, вероятно, будет неприемлемой для клиентов. Например, меньший полезный вес, чтобы иметь опорную конструкцию с более высоким отрицательным g.

Почему самолеты могут выдерживать больше положительных, чем отрицательных перегрузок?

Тем не менее, FAA за многолетний опыт установила стандарты для минимальных рейтингов g, чтобы помочь контролировать исход аварий.

В качестве примера см. часть 25 СТАНДАРТЫ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ: САМОЛЕТЫ ТРАНСПОРТНОЙ КАТЕГОРИИ, подраздел C – Оценка усталости конструкции, гл. 25.571 Устойчивость к повреждениям и оценка усталости конструкции.

http://lessonslearned.faa.gov/Comet1/25.571.pdf

и идеи A / P в следующем отчете:

https://www.faasafety.gov/files/gslac/library/documents/2011/Jul/55585/FLYING%20LESSONS%20110623.pdf

С точки зрения проектирования, чтобы соответствовать нормативным требованиям, совокупная вероятность усталостного разрушения в результате отрицательных перегрузок меньше, чем совокупная вероятность усталостного разрушения в результате положительных перегрузок. Расчетные пределы отражают эти отказы с помощью уравнений вероятности, связывающих вероятность возникновения и уровень воздействия.

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ FAA (приемлемые методы) http://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/AC%2023.1309-1E.pdf

Методы рабочих уравнений вероятности: http://people.qatar.tamu.edu/shehab.ahmed/ecen_459/Lec34-37.pdf

Информация, представленная в этих ссылках, должна показать, что прилагаемые усилия — непростая задача для авиаконструкторов. Если учесть каждую деталь, соединение, человеческую ошибку, окружающую среду и любой другой фактор, потенциально являющийся частью отказа, накапливаются многие тысячи видов отказов.

Таким образом, спрашивая проектировщика, как это повлияет на g-рейтинг в зависимости от конкретного режима отказа детали, задавать вопрос неразумно из-за обширных взаимодействий со всей системой, которую необходимо учитывать.