Можно ли сконструировать самолет так, чтобы он летал по кругу с фиксированной ручкой?

Согласно https://aviation.stackexchange.com/a/12511/973 , самолет не может аэродинамически восстановиться после нарушения крена. Является ли это неотъемлемым ограничением того, как могут быть построены самолеты, или это просто конструктивная черта, которая принимается в обмен на другие соображения, такие как экономия топлива и простота управления? Можно ли сконструировать самолет таким образом, чтобы при ослаблении управления до определенного положения самолет устанавливался в устойчивый набор высоты по спирали, пока не достигал равновесной высоты, заданной разрежением воздуха, и чтобы легкие возмущения оси крена устроится [возможно, изменив курс самолета]?

Я ожидаю, что поддержание устойчивости к крену во время прямолинейного и горизонтального полета будет затруднено тем фактом, что крен не будет немедленно влиять на поток воздуха над самолетом, как изменение тангажа или рыскания. Однако, если бы самолет летел намеренно по кругу, я бы подумал, что изменение крена довольно быстро изменило бы скорость, с которой самолет хотел бы вращаться вокруг оси рыскания, и что аэродинамические поверхности вызывают такое изменение, чтобы создать крутящий момент относительно оси вращения. оси крена, тем самым противодействуя возмущению.

Моя интуиция подсказывает, что даже если бы можно было добиться устойчивости к крену, самолет, спроектированный для такой устойчивости, вероятно, будет раздражать при обычном использовании. Однако, если бы можно было активировать элемент управления, который вызывал бы такую ​​устойчивость, казалось бы, такая вещь может быть полезна в некоторых ситуациях, когда у пилота могут возникнуть проблемы (например, неожиданная внезапная IMC или другие условия, вызывающие потерю визуального горизонта). ссылка]. Будет ли такая вещь аэродинамически невозможной, теоретически возможной, но практически неработоспособной, или работоспособной, но не настолько полезной, чтобы иметь смысл?

Элероны с гидроусилителем помогли P-38 Lightning.
Может быть, с кабелем, привязанным к центру круга.
Парамоторы по своей природе стабильны. Просто поставьте крыло намного выше, чем ЦТ.
@KevinKostlan: Хотите расширить это до ответа?

Ответы (5)

Это станет еще одним из моих длинных постов; в конце концов, поперечная устойчивость является более сложной, чем продольная устойчивость, и включает в себя гораздо больше факторов. Краткий ответ: это возможно, но не с помощью аэродинамических средств, и это приведет к снижению лобового сопротивления.

Начальное состояние

Предположим, у нас есть летательный аппарат с фиксированными органами управления, приспособленный для прямого полета, и мы делаем его планером, чтобы убрать эффекты тяги. Затем дайте ему пролететь через асимметричный порыв ветра, который поднимает одно крыло. В дальнейшем будем снова исходить из спокойного воздуха.

Начальное боковое скольжение

Для внешнего, закрепленного на земле наблюдателя составляющая подъемной силы направлена ​​вбок и не компенсируется весом, поэтому самолет будет ускоряться в эту сторону. С точки зрения самолета подъемная сила все еще действует в плоскости симметрии, но гравитация не действует и приведет к боковому скольжению. В основном это вызовет следующие реакции:

  • Направленная устойчивость с н β : Дрон будет рыскать против ветра, потому что вертикальное оперение создает боковую силу («эффект флюгера»).
  • Двугранный эффект с л β : Дополнительная подъемная сила наветренного крыла поднимет это крыло. Кроме того, дополнительная боковая сила на вертикальном оперении, которая отклоняет самолет от курса, вызовет поддерживающий момент качки. демпфирование крена ( с л п ) однако ограничит величину, на которую самолет выпрямляется.
  • Момент рыскания из-за поперечного угла и стреловидности крыла: разница подъемной силы из-за поперечного угла и стреловидности крыла задерживает крыло против ветра, вызывая рыскание против ветра. К этому эффекту можно добавить курсовую устойчивость с н β .

Возможный (почти) согласованный поворот

Самолет начнет выполнять скоординированный разворот, потому что все силы пытаются свести боковое скольжение почти к нулю, а на пути к этому начинают рыскание. В отличие от этого, угол крена больше не будет изменяться после прекращения бокового скольжения, потому что также прекращаются моменты качения, вызванные боковым скольжением. Однако, если угол крена остается, дрон начнет разворачиваться. Это открывает новый набор эффектов, потому что теперь у нас есть асимметричный поток: из-за рыскания воздушная скорость зависит от размаха крыла, а угол бокового скольжения зависит от длины:

  • Крутящий момент из-за рыскания с л р : внешнее крыло (которое раньше было подветренным во время бокового скольжения) теперь движется быстрее, создавая большую подъемную силу. Это вызывает момент качения, который увеличивает угол крена.
  • Поскольку угол атаки будет одинаковым при скоординированном развороте по всему размаху крыла, сопротивление будет пропорционально подъемной силе и будет увеличиваться с увеличением локального радиуса разворота. Эта разница сопротивления создаст небольшой момент рыскания, который позволит внутреннему крылу продвигаться вперед, пока не сработает двугранный эффект и не создаст достаточную разницу в угле атаки, чтобы сопротивление внутреннего и внешнего крыла снова стало равным. Поскольку индуктивное сопротивление пропорционально квадрату коэффициента подъемной силы, крыло по-прежнему будет создавать меньшую подъемную силу на внутреннем крыле, чем на внешнем крыле, но разница будет уменьшена. Если самолет набирает высоту или снижается во время разворота, угол атаки будет меняться в зависимости от размаха и будет создавать вертикальный момент на снижающемся самолете (и наоборот).
  • Рыскательный момент из-за рыскания с н р : Это также называется демпфированием рыскания и создает момент рыскания, противоположный движению рыскания. Способствующими факторами являются вертикальное оперение, которое воспринимает компонент бокового потока из-за рыскания, и распределение сопротивления вдоль размаха крыла. Самолеты с длинным хвостом имеют высокое демпфирование рыскания и в сочетании с большим поперечным углом, как правило, более устойчивы к крену, чем самолеты с коротким хвостом. Здесь длинный хвост заставляет крыло совершать боковое скольжение, которое поднимает самолет. Эта конфигурация встречается на свободно летающих моделях, которые действительно выпрямляются с мелководья.
  • Центробежные силы: боковая составляющая подъемной силы теперь уравновешивается центробежной силой из-за поворота. Однако центробежные силы также будут создавать выпрямляющий момент качения, который зависит от распределения масс по размаху.

центробежные силы на крене и повороте самолета

Обратите внимание, что внешнее крыло имеет больший радиус разворота. р , но с той же угловой скоростью ю как и весь остальной самолет. Это заставляет его испытывать большую центробежную силу. м ⋅ ю 2 ⋅ р чем внутреннее крыло (обозначается длиной параллельных стрелок). Я использовал довольно крутой наклон, чтобы донести мысль, но то же самое верно и для более пологих береговых углов. Это выпрямляющий инерционный момент.

В зависимости от относительного размера этих эффектов, самолет либо выпрямится, останется на этом угле крена, либо еще глубже погрузится в поворот. Проворный самолет с малой инерцией по крену будет иметь слишком маленький вертикальный момент и, вероятно, будет пикировать по спирали. Более стабильные конфигурации с большими вертикальными хвостами и широким углом наклона либо продолжат плавно поворачиваться, либо выпрямятся.

Эффекты при ненулевой скорости вращения

Теперь все это делалось в предположении, что угол крена меняется очень медленно. Слишком маленькое вертикальное оперение и/или слишком большое поперечное сечение вызовут движение по голландскому крену, и теперь угол крена колеблется, добавляя больше эффектов, вызванных креном. Чтобы этот ответ был достаточно кратким, я не буду перечислять их здесь.

Стреловидные конфигурации, оптимизированные для быстрого полета (= с небольшим вертикальным хвостовым оперением близко к крылу), являются типичными примерами, где соотношение с л β с н β слишком велико, а собственная мода голландского крена имеет слишком малое демпфирование. С другой стороны, свободно летающие модели самолетов не могут позволить себе упасть в пикирование по спирали, и, придав им большое вертикальное хвостовое оперение и длинные плечи рычага, что позволяет им иметь значительный поперечный угол и большой радиус инерции по крену, они могут быть заставили себя выпрямиться.

В качестве пояснения к вашему последнему абзацу: вы говорите, что самолеты могут быть спроектированы со значительным «бассейном устойчивости» (имеется в виду, что явная тенденция таких моделей к стабильному полету реальна), но такие конструкции слишком неэффективным и неманевренным, чтобы быть приемлемым для полноразмерных самолетов? Может ли система управления пилотом, не имеющая визуального, гироскопического или другого ориентира для «вверху», распознавать характер колебаний голландского крена и действовать, чтобы демпфировать его и восстанавливать устойчивость, или кажущиеся перегрузки останутся слишком близкими к постоянным?
@supercat: Исторически сложилось так, что конструкторы самолетов предпочитали нестабильный, менее тормозной путь и предоставляли пилотам возможность стабилизировать самолет. Это делало необходимым использование гироскопа, когда исчезали визуальные подсказки — одни только gs не помогали. Я бы не стал утверждать, что более стабильные конструкции неприемлемы — они недостаточно привлекательны, чтобы стать стандартом. Многие удачные самолеты имели слабо демпфированный голландский крен и имели тенденцию «вилять хвостами» во время полета, но ось вращения была близкой к кабине и амплитуда небольшая, поэтому пилотов это никогда не беспокоило.
Я просто вспомнил еще одну мысль: а можно ли кому-то управлять самолетом, используя только компас, скорость и высотомер, и контактировать с операторами радаров (которые могли бы сообщить пилоту минимальную безопасную высоту для местности и обеспечить воздушное пространство перед самолетом). самолет чистый)? Я думаю, что если пилот попытается чередовать набор высоты и снижение, глядя на компас, полет может быть неудобным, но любой значительный угол крена должен быть очевиден в направлении по компасу.
@supercat: Это требует большой концентрации - стрелка компаса выровнена по линиям магнитного поля, которые имеют наклон относительно горизонта на всех широтах, кроме экватора. Таким образом, когда самолет начинает вращаться и вращаться по кругу, компас будет показывать не правильный курс, а опережение или отставание, в зависимости от направления движения и движения по кругу. Компас однозначно плохо подходит для краткосрочного измерения курса, но с помощью некоторых причудливых расчетов это можно исправить.
@supercat Я видел видео, на котором Cessna 120 летает таким образом, с закрытым индикатором скорости поворота. Плавный спуск проходил через более чем тысячу футов облачности. Ключевым моментом является то, что в северном полушарии курс, очень близкий к магнитному югу, работает лучше всего, потому что ошибка компаса преувеличивает любой берег, и это дает заблаговременное предупреждение о том, что происходит. Северный магнитный курс ничего не стоит. Пилот осуществлял управление в основном рулем направления, используя скользящую муфту самолета для изменения крена; эта система старается избегать чрезмерного контроля.
@supercat Пилот выполнял управляющие действия в основном с помощью руля направления, используя муфту проскальзывания самолета для изменения крена; эта система старается избегать чрезмерного управления, особенно при полете по компасу, по сравнению с более «скоординированными» управляющими воздействиями.
@PeterKampf Я думаю, что есть проблема с теорией, выраженной в вашем ответе, и это теория о том, что боковое скольжение имеет тенденцию к нулю со временем, даже если самолет остается в крене. Существуют аэродинамические причины, по которым поворот с креном имеет тенденцию вызывать некоторое боковое скольжение, если только для предотвращения этого не используется руль направления. Эти эффекты наиболее выражены при низких скоростях полета. Модели самолетов свободного полета не могли бы существовать, если бы ваша теория была верна - любой поворот закончился бы очень крутым углом крена из-за увеличенной воздушной скорости и подъемной силы, испытываемой внешней законцовкой крыла.
@PeterKampf - из-за этой динамики, связанной с боковым скольжением, во многих ситуациях двугранный угол может привести самолет к полету на уровне крыльев после возмущения. Самолет, подобный радиоуправляемому планеру "Gentle Lady", будет оставаться со средним углом крена, близким к нулю, в течение многих часов даже без участия пилота, даже в воздухе с некоторой турбулентностью, и это не совсем совместимо с некоторыми идеями, выраженными в этом ответе. .
@PeterKampf, кроме того, описание причины начального бокового скольжения неверно. Простого указания на то, что гравитация имеет боковую составляющую в системе отсчета самолета, на самом деле недостаточно, чтобы объяснить, почему это должно вызывать боковое скольжение — то же самое верно и для скоординированного поворота. В конечном счете, любая теория о том, почему крен должен вызывать временное начальное боковое скольжение, сводится к обсуждению инерции вращения по рысканию - временная задержка в установлении требуемого вращения по рысканью может рассматриваться как причина бокового скольжения.
@quietflyer: Странно, что вы можете только критиковать и никогда не давать лучшего ответа. Что еще , как не симметрия гравитации в накрененном состоянии без поворотного движения (= нет центростремительной силы!)??? Кроме того, ваш опыт моделирования должен подсказать вам, что у устойчивых моделей много двугранных и сравнительно небольшая вертикаль на очень длинном хвосте. Это означает сильное демпфирование рыскания при сравнительно небольшом эффекте флюгера. Это помогает им привести себя в порядок. Может быть, мне следует улучшить эту часть.
@PeterKampf - акцент на инерционных вертикальных силах в этом ответе интересен - но я все еще думаю, что он упускает из виду аэродинамические эффекты, которые имеют тенденцию вызывать боковое скольжение всякий раз, когда самолет наклоняется и поворачивается, например, даже если вертикальный стабилизатор полностью обтекаем. кривая траектория полета, крыло не может быть - крыло будет испытывать некоторое боковое скольжение.
@PeterKampf -- "Что еще, кроме гравитации, не является симметричным в состоянии наклона без поворотного движения (= нет центростремительной силы!) ??" -- по сути, сила вызывает ускорение, а не движение. Если самолет наклоняется в крен, но по-прежнему создает подъемную силу только 1 G, результирующая сила и ускорение будут направлены как вбок, так и вниз. Если самолет наклоняется в крен и крыло «нагружается» (из-за ввода пилотом тангажа или увеличения воздушной скорости) до соответствующей перегрузки для угла крена, то результирующая сила и ускорение будут чисто боковыми.
@PeterKampf - я бы сказал, что в последнем случае начальное боковое скольжение больше, чем в первом случае, и в обоих случаях начальное боковое скольжение можно рассматривать исключительно как результат инерции вращения рыскания, которую необходимо преодолеть, прежде чем нос начнет вращаться вокруг горизонта. синхронно с криволинейной траекторией полета. В конце концов, боковое ускорение — это не что иное, как искривление траектории полета.
@PeterKampf - я бы также сказал, что аэродинамические эффекты, связанные с скоростью поворота, более важны как факторы бокового скольжения в долгосрочной перспективе, чем этот эффект инерции вращения по рысканию, который вступает в игру, когда мы резко накреняем крыло.
Это действительно первый раз, когда я слышу, как кто-то утверждает, что высокий момент инерции по оси крена имеет тенденцию способствовать эффекту самовыравнивания. Интересно-если правда. Но так ли это?
Напомним, что этой статье уже более 4 лет, и она содержит много интересных и хорошо иллюстрированных моментов. В частности, это восстанавливающий эффект вертикального стабилизатора при боковом скольжении. Обратите внимание, что высокие плавники были в моде в начале 1950-х годов, в то время как более коренастые плавники преобладали в более ранних конструкциях. Высокий плавник из-за своей площади будет создавать больший крутящий момент при боковом скольжении, что приведет к проскальзыванию в одну сторону и качке в другую. Нижний аспект, «коренастый», имеет тенденцию действовать больше как флюгер, продвигая спираль (из которой легче выйти).

Это не ответ на ваш вопрос, и я предполагаю, что здесь есть некоторые проблемы с терминологией (например, что означает «аэродинамически восстанавливаться»), но, безусловно, некоторые самолеты в некоторых конфигурациях могут иметь стабильную динамику крена.

Разные самолеты имеют разную динамику, так что отчасти ответ зависит. Кроме того, динамика зависит от рабочей конфигурации.

Боковая динамика самолета имеет некоторую связь по крену и рысканию, но обычно она очень медленная.

При малых возмущениях в спокойных условиях динамика может быть устойчивой (поскольку в линеаризации собственные значения имеют отрицательные действительные части), но это может быть иллюзорным, поскольку область притяжения может быть очень маленькой. Это означает, что типичные возмущения могут ввести вас в «нестабильный режим» (здесь я использую термин в широком смысле).

Боковое поведение самолета вокруг рабочей точки обычно можно охарактеризовать тремя режимами. Один режим определяет первичную реакцию самолета, обычно он стабилен и ведет себя разумно. Другой режим называется спиральным режимом; возможно , что это нестабильно, и в любом случае, как правило, очень медленно. (Модели самолетов обычно имеют большой поперечный угол для стабилизации этого режима.) Конечный собственный вектор представляет собой режим голландского крена, который является устойчивым, но медленным и очень слабо демпфированным.

В качестве дополнительной иллюстрации, самолет в стабильном полете может (как правило, в разумных условиях и т. д. и т. д.) управляться только рулем высоты и рулем направления (линеаризованная динамика полностью контролируется входными сигналами отклонения руля высоты и руля направления). Это было бы невозможно, если бы эти входные данные не влияли на крен (потому что не было бы никакого способа справиться с нестабильным качением).

В качестве плохой аналогии рассмотрим езду на велосипеде без рук. Как правило, это можно сделать, но для дестабилизации требуется совсем немного (удар по дороге, чих и т. д.).

«Можно ли сконструировать самолет, чтобы он летал по кругу с фиксированной ручкой?»

Абсолютно. Рассмотрим радиоуправляемый планер с большим количеством двугранных или многогранных граней, такой как знаменитая «Нежная леди». Когда руль направления установлен на фиксированное отклонение от центра, самолет будет стремиться оставаться под заданным углом крена и будет стремиться вернуться к этому углу крена после возмущения.

Корень того, что здесь происходит, заключается в том, что существуют аэродинамические эффекты, которые имеют тенденцию вызывать боковое скольжение при полете по кругу, особенно в медленно летящих самолетах, и боковое скольжение взаимодействует с двугранным углом, стремясь вернуть самолет на уровень крыльев после возмущения. Это для случая с рулем направления. При отклонении руля направления самолет стремится вернуться к фиксированному углу крена.

Эти аэродинамические эффекты связаны с «изгибающейся» природой относительного ветра при повороте. Поскольку самолет вращается, а также перемещается, разные части самолета движутся через воздушную массу в разных направлениях в любой момент времени. Даже если бы вертикальный киль был идеально обтекаем по потоку в любой данный момент, более передние части самолета, включая крыло, испытывали бы некоторое боковое скольжение.

Это подчеркивается в этом разделе превосходного веб-сайта Джона С. Денкера «See How it Flies» — https://www.av8n.com/how/htm/yaw.html#sec-long-tail-slip .

Некоторые из этих динамических процессов обсуждаются — возможно, с несколькими упрощающими предположениями — в этих статьях Блейна Берона-Роудона в журнале «Модельная авиация» — серии статей из двух частей под названием «Спиральная устойчивость и эффект чаши». (сентябрь и октябрь 1990 г.) и серию из 4 статей под названием «Двугранник, серия из 4 частей» (с августа по ноябрь 1988 г.).

Серия "Спиральная стабильность и эффект чаши" --

Часть 1 http://library.modelaviation.com/ma/1990/9/spiral-stability-and-bowl-effect

Часть 2 http://library.modelaviation.com/ma/1990/10/spiral-stability-and-bowl-effect

Серия "Двугранник" --

Часть 1 http://library.modelaviation.com/ma/1988/8/dihedral Часть 2 http://library.modelaviation.com/ma/1988/9/dihedral Часть 3 http://library.modelaviation.com/ ma/1988/10/dihedral Часть 4 http://library.modelaviation.com/ma/1988/11/dihedral

Существуют также переходные эффекты - инерция вращения по рысканию равна единице, - которые имеют тенденцию вызывать дополнительное боковое скольжение сразу после увеличения угла крена. Эти эффекты, как правило, менее важны, чем аэродинамические эффекты, описанные выше, если нас интересует, будет ли самолет в конечном итоге откатываться до уровня крыльев (или до заданного «урезанного» угла крена).

Вы правы, что устойчивость к крену полезна при полете в облаках. Мне удалось сохранить контроль над планером, чем-то вроде «Gentle Lady», но сделанным из вспененного полипропилена, в то время как я некоторое время кружил в облаках без визуального контакта. У меня была телеметрия высоты и скороподъемности, которая помогла мне убедиться, что самолет не попал случайно в пикирование по спирали - из-за аэроупругих эффектов это возможно даже при базовой встроенной устойчивости такого самолета. В таком случае мой «путь отступления» заключался в том, чтобы войти в преднамеренное вращение или перевернутый поворот с полной клюшкой вперед и полной в одну сторону. Не рекомендуется для полноразмерных самолетов.

Обратите внимание, что как Gentle Lady, так и аналогичный планер EPP имеют низкие моменты инерции по оси крена.

«Моя интуиция подсказывает, что даже если бы можно было добиться устойчивости к крену, самолет, спроектированный для такой устойчивости, вероятно, будет раздражать при обычном использовании».

Да, вообще говоря, это правда. Реакция управления по крену на входы элеронов будет вялой, если даже немного меньше, чем полностью «скоординировано» с рулем направления, порывы бокового ветра вызовут нежелательную качку, и может быть тенденция к колебаниям «голландского крена» в некоторых частях диапазона полета.

Если бы не было ответа со ссылкой на модель самолета, мне пришлось бы его написать. Я бы пошел дальше: модели свободного полета были построены для полета по кругу с неподвижными поверхностями, по крайней мере, с 1930-х годов. Довольно хорошо должен быть «фиксированный стержень» - кроме того, они использовали противоположную деформацию крыла и руль направления (а также линию тяги), чтобы набирать высоту, поворачивая в одну сторону, и планировать, поворачивая в другую.
Из любопытства, какова была бы практичность наличия некоторых управляющих поверхностей, которые можно было бы задействовать для приведения самолета в такую ​​конфигурацию, например, в случае неожиданной потери видимости, но в противном случае они не мешали бы нормальному маневрированию?
Я думаю, вы бы в основном говорили о способности заставлять крылья подниматься до аномально большого двугранного угла - вероятно, не очень практично.

Не может быть такого механизма , который работал бы чисто аэродинамически .

Причина этого в том, что, по крайней мере, в краткосрочной перспективе воздух не знает, где находится верх.

Воздушный поток может ощущать отклонения по тангажу и рысканию, потому что они приводят к тому, что воздух поступает на самолет с другого направления (относительно его конструкции). Это дает возможность спроектировать форму самолета таким образом, чтобы измененный воздушный поток создавал восстанавливающий момент.

Однако если представить отклонение в чистом крене, то воздух все равно будет идти на самолет с того же направления, что и раньше, а именно прямо. Все воздушные потоки будут такими же, как и в горизонтальном полете, только все повернуто в соответствии с углом крена самолета.

Разница в том, что если крылья не выровнены, направление подъемной силы больше не противоположно направлению силы тяжести . В не совсем коротком временном масштабе это заставит самолет ускоряться относительно воздуха. В конечном итоге это приведет к полету по воздуху под углом (то есть к изменению угла атаки и/или бокового скольжения), на что может реагировать аэродинамика. Я думаю, именно это имел в виду Петер Кемпф, когда сказал, что может существовать «инерционный механизм» для устойчивости к крену.

Один из способов — взять самолет с высокорасположенным двугранным крылом и низко расположенным центром тяжести и просто рулить им.

Важным конструктивным аспектом является размещение двугранного угла в крыле, а не попытка добиться вертикального эффекта от высокого оперения для устойчивости к крену. Большой асимметричный хвост вдали от центра тяжести будет способствовать рысканию при скольжении, что дестабилизирует начальный крен, создавая спираль.

Вам не нужен хвост акулы-молотилки, чтобы иметь устойчивый самолет.

Почему низкая посадка CG? Вот твой демпфер. Не нужно быть сильно висячим, просто немного низким.

Можно ли сконструировать самолет так, чтобы он летал по кругу с фиксированной ручкой?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v