Статическая устойчивость

это стремление системы вернуться в исходное состояние после возмущения. Типичными помехами для самолетов являются:

• Полет в вертикальный или горизонтальный порыв ветра
• Придурок на палке

Классическое объяснение — мяч, сидящий в яме. Всякий раз, когда его положение изменяется из-за возмущения, он откатывается к центру. Это не значит, что он остановится на достигнутом — в идеальном мире, свободном от трения, он будет двигаться вперед и назад, как маятник.

Это статическая устойчивость. Вообще говоря, статическая устойчивость достигается размещением центра тяжести впереди нейтральной точки, точки, в которой могут быть суммированы все дополнительные силы из-за изменения угла атаки. Есть две нейтральные точки, одна для продольной устойчивости и одна для курсовой устойчивости. В обоих случаях изменение угла атаки или бокового скольжения создаст корректирующий момент относительно центра тяжести, оттягивая самолет назад на прежний путь.

Может быть достигнута даже стабильность высоты, но здесь мы пользуемся тем фактом, что воздух становится менее плотным, чем выше вы поднимаетесь. Если дрон отрегулирован для горизонтального полета на определенной высоте, изменение высоты будет означать, что настройка мощности больше не соответствует лобовому сопротивлению на этой новой высоте. Дрон будет либо набирать высоту, либо опускаться, в зависимости от изменения высоты, пока снова не будет достигнута старая высота.

Во всех случаях вы будете испытывать выбросы и колебания вокруг точки обрезки. Может даже случиться так, что эти выбросы будут усиливаться по мере того, как будут длиться колебания (хорошим примером является фугоидное движение планера). Чтобы остановить колебания, нужно добавить

Динамическая стабильность

который описывает поведение самолета во времени. В большинстве случаев трение гарантирует, что движения затихнут, и иногда самолету нужны маленькие помощники, такие как амортизаторы рыскания , чтобы держать их под контролем.

Вы упоминаете сваливание и пикирование: они действительно могут происходить в статически устойчивом самолете. Низкое сопротивление означает низкое демпфирование, поэтому многие высокопроизводительные планеры имеют динамически неустойчивое фугоидное движение. Я знаю, Википедия пишет это неправильно, но объяснение в порядке, поэтому я тем не менее связал его. Если вы подождете достаточно долго после начального опрокидывания, колебания станут настолько сильными, что дрон остановится в самой верхней точке цикла.

Если вы держите достаточную высоту и поблизости нет пробок, это интересно попробовать.

Спиральное погружение

Обратите внимание, что я пока ничего не сказал об устойчивости к крену. Планер (и ваша Cessna 172) также начнет крениться, и во многих случаях крен будет увеличиваться быстрее, чем у фугоида, поэтому вам, возможно, придется попробовать несколько раз, прежде чем вы получите вызванное фугоидом сваливание. Большинство самолетов имеют слабую склонность к увеличению угла крена и, в конечном счете, к впадению в пикирование по спирали .

Нет аэродинамического механизма для выравнивания самолета после возмущения по крену. Извини, @kevin, но двугранный угол не поможет - он работает только в случае бокового скольжения.

Ваши догадки довольно верны — «аэродинамически устойчивый» самолет имеет тенденцию оставаться (относительно) прямым и ровным, если органы управления отпущены.

Подача

Допустим, руль высоты самолета отрегулирован до уровня полета (поддерживая ту же высоту). Вы нажимаете на коромысло, чтобы опустить нос, затем отпускаете рычаг управления. Высота опущенного носа позволяет самолету набирать большую скорость. По мере увеличения скорости крыло создает большую подъемную силу, и самолет медленно набирает высоту. Если вы потянете штурвал, а затем отпустите, высота поднятия носа замедлит самолет, что уменьшит подъемную силу. При уменьшении подъемной силы нос опускается, набирая скорость. Аналогичный аргумент применим, если тангаж самолета изменяется из-за порыва ветра.

Эта устойчивость называется продольной устойчивостью . Это тесно связано с передним/задним положением центра тяжести (ЦТ). Самолет с задним ЦТ имеет меньшую продольную устойчивость.

Рулон

Точно так же способность самолета выравнивать крылья при крене называется боковой устойчивостью . Если вы повернете самолет вправо на 10 градусов, а затем отпустите, он имеет тенденцию медленно крениться влево, двигаясь на 7 градусов вправо, 5 градусов вправо, в конечном итоге почти выровнявшись.

Крыло двугранное - это конструкция, которая добавляет боковую устойчивость.

рыскание

Это называется курсовой устойчивостью . Подобно тангажу и крену, это тенденция самолета восстанавливаться после возмущения в плоскости рыскания.

Стабильность против маневренности

Чем устойчивее самолет, тем он менее маневренный. Это естественный компромисс, следующий законам физики. Cessna 172 очень устойчивы, подходят для студентов-пилотов. Но вы не можете заставить Cessna 172 делать очень быстрые изменения. Пилотажные самолеты и истребители могут очень быстро реагировать на команды пилота, но управление ими требует гораздо большего мастерства.

* На самолетах с одним двигателем, таких как Cessna 172, крутящий момент, вращающий винт ( обычно по часовой стрелке ), имеет тенденцию к крену самолета против часовой стрелки (то есть влево), если органы управления полностью отпущены. Это связано с принципом физики «действие и противодействие».