Применяется ли «эффект маятника» к дельтапланам или любым самолетам?

Для правильного обсуждения мы должны сначала определить, что такое маятник. Только тогда можно будет установить, может ли такой эффект существовать в самолетах.

Давайте основывать определение на Википедии . Он говорит, что

Маятник представляет собой груз, подвешенный к оси так, что он может свободно качаться.

Может быть, стоит также рассмотреть поближе, что такое стержень : вещь, на которой что-то вращается.

Таким образом, маятник прикреплен к точке опоры, которая удерживает его в подвешенном состоянии и позволяет ему свободно качаться. Идеальный маятник имеет всю свою массу в его массивном грузе, и, следовательно, ось вращения и центр тяжести не находятся в одном и том же месте. Если бы центр тяжести и ось падали вместе, маятник мог бы только вращаться, но не качаться. И это колебательное движение и есть маятник.

Теперь о самолетах: здесь у нас нет точки опоры. Все вращения могут происходить только вокруг центра тяжести. Это эквивалентно маятнику без длины, который больше не является маятником. А как же дельтапланы? Используя эскиз Pilothead, давайте рассмотрим, как дельтаплан начинает вращательное движение, и сравним это с тем, как это делает планер. Два верхних эскиза показывают, что каждый из них находится в устойчивом прямолинейном полете, а два нижних эскиза показывают, что оба начинают крен вправо:

В обоих случаях для создания вращающего момента необходим боковой дисбаланс (красная круглая стрелка). В то время как пилот дельтаплана смещает все крыло вбок, пилот планера управляет разницей подъемной силы между обоими крыльями с помощью элеронов. Обратите внимание на смещение дельтаплана вправо, а вместе с ним и центра подъемной силы на нижнем левом рисунке: центр тяжести остается там, где он должен быть из-за сохранения импульса, в то время как пилот немного смещается влево. В случае планера такого бокового смещения корабля не происходит; вместо этого распределение подъемной силы смещается, чтобы создать дисбаланс. Эффект тот же: боковое смещение между весом и подъемной силой, вызывающее момент качения. Перекатывание происходит вокруг центра тяжести (из-за сохранения импульсаснова) и во всех случаях нет никакого смещения между точкой вращения и рабочей точкой веса, потому что обе они одинаковы: Центр тяжести.

Дельтаплан лишь внешне отличается от самолета, потому что центр подъемной силы активно смещается за счет смещения крыла вбок вместо изменения распределения подъемной силы (без учета влияния массы пилота на такелаж каждого крыла), но во всех случаях автомобиль будет вращаться вокруг своего центра тяжести. Вес не имеет рычага к этому центру тяжести, поэтому не может быть эффекта маятника. Или эффект киля, если на то пошло.

Теоретически маятниковый эффект присутствует в самолетах с высокорасположенным крылом, но этим эффектом можно пренебречь, потому что плечо момента центра масс очень короткое по отношению к боковому аэродинамическому центру. Как и в случае с двугранным углом, чтобы эффект сработал, у вас должно быть боковое скольжение, а центр масс должен быть ниже бокового аэродинамического центра бокового скольжения фюзеляжа, чтобы момент качения создавался гравитацией против поперечной силы.

Лучший способ представить это — довести это до крайности; представьте себе жестко установленный груз на прочном шесте, выступающем на 50 футов ниже фюзеляжа. Если самолет соскальзывает, возникает некоторая боковая подъемная сила, генерируемая в направлении, противоположном направлению бокового скольжения, с центром где-то на фюзеляже, а с центром масс намного ниже этого из-за веса на шесте центр масс захочет сместиться. попасть под фюзеляж. На обычном высокоплане этим эффектом можно пренебречь, если он вообще есть.

Однако не для парашютистов. Эффект маятника обеспечивает всю боковую устойчивость парашюта. Если парасейл начинает скользить, ваша задница хочет оказаться под ним, потому что центр масс находится внизу, где вы находитесь, а боковой аэродинамический центр находится вверху на крыле. Эффект маятника на парашюте настолько силен, что они могут крениться за счет заноса, даже если занос вызван увеличением подъемной силы на внутренней половине крыла (фактический поворот происходит за счет сопутствующего сопротивления). Другими словами, эффект маятника перевешивает противоположный момент качения опущенной задней кромки.

На самолетах с высокорасположенным крылом основным эффектом конфигурации является аэродинамический двугранный , который представляет собой дифференциальную подъемную силу, создаваемую боковым скольжением, когда поток по размаху затруднен ниже крыла, но не выше из-за Т-образной конфигурации, которая имеет тенденцию увеличивать подъемная сила. низкорасположенное крыло. Самолет с высокорасположенным крылом может иметь достаточный эффект самовыравнивания за счет аэродинамического двугранного угла, поэтому он может обойтись без геометрического двугранного угла, а крыло является прямым, хотя большинство из них также имеют некоторый геометрический двугранный угол.

Хорошим примером этого является водяной бомбардировщик CL-215. Крылья прямые, а двугранный эффект от Т-образного расположения крыла достаточен для обеспечения устойчивости к крену в соответствии с задачами самолета. Но когда был выполнен переход на турбовинтовой CL-415, было обнаружено, что плоские гондолы двигателей PW123 блокируют поток по размаху над крылом при боковом скольжении, что эквивалентно удлинению фюзеляжа над крылом, убивая многих. аэродинамического двугранного эффекта. Какой-либо эффект маятника, который был там, не был значительным (во всяком случае, центр масс 415 был ниже из-за более легких двигателей по сравнению с R2800 из 215).

Исправление для CL415 было одним из самых больших аэродинамических пластырей, которые я когда-либо видел, эти странные маленькие удлинения законцовок крыла (они НЕ являются законцовками), которые создают достаточный двугранный эффект при боковом скольжении, чтобы восстановить то, что было потеряно из-за добавления киля. - как гондолы.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Canadair_CL-415_Filling.jpg

На самолетах с высокорасположенным крылом и стреловидностью вы видите обратное, потому что существует сильный двугранный эффект от самой стреловидности. Комбинация Т-образной конфигурации и развертки создает слишком сильный двугранный эффект. Таким образом, почти все высокопланы со стреловидными крыльями имеют угол наклона, чтобы компенсировать избыток.

«Эффект маятника», используемый в аэродинамической теории, НЕ обязательно включает вес, который может свободно качаться. Возможно, это плохая фраза для описания того, о чем мы говорим, но именно она стала общепринятой. Это также немного вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что сама гравитация каким-то образом воздействует на самолет прямым крутящим моментом. На самом деле это не так - гравитация или вес действуют на центр тяжести и, таким образом, не создают прямой крутящий момент. Тем не менее, низкое расположение ЦТ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО имеет тенденцию приводить к стабилизирующему крутящему моменту крена, который очень похож на крутящий момент крена, создаваемый поперечным углом, стреловидностью и т. д. Все эти эффекты способствуют стабилизирующему крутящему моменту крена «по ветру» при наличии бокового скольжения. Можно сказать, что все эти эффекты смещают общий «эффективный двугранный угол» самолета.

Рассмотрим модели самолетов свободного полета с крылом на пилоне высоко над фюзеляжем. Возьмем парапланы, которые имеют сильную прямоугольную геометрию по отношению к арочному крылу и, тем не менее, в целом довольно стабильны при крене в крене, что иллюстрируется бесчисленными историями как преднамеренных, так и случайных полетов в облаках на таких самолетах с минимальным оборудованием и, тем не менее, с приемлемыми результатами.

Обратите внимание, что несколько линий, соединяющих пилота параплана с крылом, по существу действуют как фиксированные стойки из-за используемой треугольной геометрии.

Ключ к пониманию «эффекта маятника» заключается в понимании того, что поворот обычно сопровождается некоторым боковым скольжением (по непростым причинам) и что во время бокового скольжения сила сопротивления самолета имеет боковую составляющую по отношению к продольной оси самолета, и мы также создаем аэродинамическую боковую силу («боковой подъем», действующий перпендикулярно векторам подъемной силы и сопротивления), когда воздушный поток ударяется о боковую часть фюзеляжа, вертикальное хвостовое оперение и т. д. Любая боковая сила, действующая выше или ниже ЦТ, будет способствовать крутящему моменту. .

В параплане та же самая угловая геометрия крыла, которая должна вносить некоторый вклад в дестабилизирующий крутящий момент «против ветра» во время бокового скольжения из-за разницы в углах атаки между левой и правой половинами купола или крыла, также подвергает большой опасности. площадь поверхности боковому потоку, высоко над центром тяжести, что способствует стабилизирующему крутящему моменту «по ветру» - «эффект маятника». Очевидно, что в параплане последнее преобладает над первым.

Высококрылые самолеты выигрывают от повышенной устойчивости к крену из-за «эффекта маятника», хотя существует также дополнительный крутящий момент «по ветру», создаваемый взаимодействием между фюзеляжем и крыльями. Последнее может отсутствовать, если крыло установлено на подкосах высоко над фюзеляжем — конфигурация «зонтик».

В дельтаплане пилот висит на гибком ремне, который обычно прикрепляется рядом с ЦТ самолета. В таком случае «маятниковый эффект» присутствует только тогда, когда пилот фиксирует себя на месте руками, т. е. когда он использует свои мышцы, чтобы выполнить вход по крену. Когда он свободен от рук, его вес воздействует на ЦТ, и нет «эффекта маятника», хотя во время бокового скольжения его тело имеет тенденцию немного смещаться (на несколько дюймов) в сторону «наветренной» стороны контрольной рамы. , точно так же, как скользящий мяч. Обратите внимание, что склонность пилота слегка качаться в наветренную сторону рамы управления во время скольжения является просто отражением бокового компонента крыла. Сила лобового сопротивления плюс аэродинамическая боковая сила, создаваемая крылом, — если бы они были равны нулю, у пилота не было бы тенденции отклоняться к наветренной стороне рамы управления, и шарик с проскальзыванием оставался бы в центре. (На самом деле, в таком случае ветер фактически сдувал бы пилота в другую сторону рамы управления — сторону с подветренной стороны — во время проскальзывания. Это не то, что мы наблюдаем на практике.)

В этом ответе, если специально не указано иное, мы будем рассматривать дельтаплан в случае «свободных рук», то есть когда пилот не прилагает мышечных усилий. Та же динамика также влияет на входные данные управления (мышечную силу), которую должен приложить пилот, чтобы получить заданный результат (например, скорость крена), но мы не будем подробно исследовать это в этом ответе.

В некоторых более старых конструкциях «ремень для подвешивания» пилота соединялся с дельтапланом на несколько футов ниже «килевой трубы». крыло при скольжении действительно способствовало стабилизирующему «маятниковому эффекту». В таком случае в равной степени справедливо рассматривать пилота и планер как отдельные тела и учитывать крутящий момент, создаваемый боковым натяжением ремня пилота на планере, или рассматривать планер и пилота как одну систему (с считается, что масса пилота расположена в точке, где «висящая лямка» соединяется с планером), и обратите внимание на крутящий момент крена, создаваемый боковыми аэродинамическими силами, действующими над центром тяжести всей системы.

На многих современных дельтапланах «ремень для подвешивания» пилота фактически соединяется с планером на полпути вверх по шкворню, а на планерах без шкворня - на маленьком выступе, торчащем на несколько дюймов выше килевой трубы. В этом случае вес пилота действует выше ЦТ планера, поэтому взаимодействие между боковыми аэродинамическими силами при скольжении и массой пилота способствует дестабилизирующему крутящему моменту «против ветра» - эффекту «антимаятника». . Это сделано для повышения маневренности. Дельтапланы испытывают значительное боковое скольжение из-за неблагоприятного рыскания во время качения, поэтому чрезмерный «эффективный поперечный угол» - способствующий чрезмерному крутящему моменту крена «по ветру» при наличии бокового скольжения - очень нежелательн и сильно ограничивает достижимую скорость крена.

Обратите внимание, что крыло в форме чайки, которое мы видим на многих дельтапланах, особенно если смотреть на заднюю кромку, придает двугранную геометрию внутренней части крыла и прямоугольную геометрию внешней части крыла. Даже если чистый результат с точки зрения чистого двугранного эффекта равен нулю — что может быть так, а может и нет — такой тип конструкции действительно увеличивает общую площадь поверхности, подвергающуюся воздействию бокового воздушного потока во время бокового скольжения. Так что боковая составляющая аэродинамической силы при скольжении при такой конструкции будет больше, чем при полностью плоском крыле. Это, вероятно, лучше всего описать как непреднамеренное последствие формы крыла, которая развилась по другим причинам. В некоторых старых дельтапланах, у которых было гораздо больше «волн» паруса — больше «арки» к задней кромке — чем у сегодняшних моделей,

Как отмечалось выше, взаимосвязь между углом крена, поворотом и скольжением сложна. Частично это обусловлено повышенным сопротивлением внешней законцовки крыла в поворотном полете из-за его более высокой воздушной скорости. Ошибочно думать, что крен автоматически вызывает проскальзывание просто потому, что вес теперь имеет боковую составляющую в системе отсчета самолета. Также ошибочно думать, что крен автоматически вызывает проскальзывание просто потому, что вектор подъемной силы теперь наклонен относительно земли, а вектор подъемной силы крыла теперь имеет горизонтальную составляющую - это верно для любого поворота с креном, скольжения или нет. Иногда инерция вращения по рысканию может играть значительную, хотя и временную, роль в возникновении бокового скольжения. В реальном полете во многих самолетах (включая дельтапланы) мы можем наблюдать, что скольжение в основном определяется скоростью крена и в гораздо меньшей степени скоростью рыскания. Один пример случая, когда мы часто можем видеть существенное боковое скольжение без скорости крена, это когда мы пролетаем над крылом с углом крена 90 градусов, без руля направления. Полное исследование того, какие именно маневры будут включать боковое скольжение, в какой степени и почему, выходит далеко за рамки этого ответа.