В аэродинамике , pitch-up — это неконтролируемое вращение носа вверх самолета. Это нежелательная характеристика, которая наблюдалась в основном в экспериментальных самолетах со стреловидным крылом при высоких дозвуковых числах Маха или большом угле атаки. [1]
Проблемы с тангажем впервые были замечены на высокоскоростных испытательных самолетах со стреловидными крыльями. Это была распространенная проблема на Douglas Skyrocket , который широко использовался для проверки проблемы.
До того, как явление кабрирования было хорошо изучено, оно преследовало все ранние самолеты со стреловидным крылом. В F-100 Super Sabre оно даже получило свое собственное название — танец сабли. В самолетах с высоко расположенными хвостовыми крыльями, таких как F-101 Voodoo , восстановление было особенно сложным, поскольку хвостовое оперение располагалось непосредственно в следе крыла во время кабрирования, вызывая глубокий свал (хотя Т-образное хвостовое оперение изначально предназначалось для предотвращения кабрирования). Для возможности восстановления необходимо было раскрытие тормозного парашюта и значительная высота над землей.
Крылья создают распределение давления на своих верхних и нижних поверхностях, которое создает единую силу, действующую в точке, известной как « центр давления » или CoP, которая обычно расположена между ⅓ и ½ пути назад от передней кромки . Эта сила наклона вверх и назад заменяется эквивалентной парой сил, называемых подъемной силой и сопротивлением. Продольное положение, в котором действуют эти силы, и величина сил изменяются с углом атаки . Кроме того, для любого местоположения силы, отличного от CoP, существует изменяющийся момент тангажа. Эти изменения приводят к необходимости балансировки самолета при изменении его скорости или настроек мощности. [2]
Другим важным соображением для проектирования самолета является векторное сложение всех весовых членов частей самолета, включая крыло. Это также можно свести к одному весовому члену, действующему в некоторой точке вдоль продольной оси самолета, « центру тяжести » или CoG. Если крыло расположено так, что его CoP находится около CoG самолета, в горизонтальном полете крыло поднимет самолет прямо вверх. Это уменьшает любые чистые силы, поднимающие или опускающие самолет, но по ряду причин эти две точки обычно немного разделены, и для уравновешивания этого используется небольшое количество силы от поверхностей управления полетом . [2]
Такая же базовая компоновка желательна и для самолета со стреловидным крылом. На обычном прямоугольном крыле CoP встречается с самолетом в точке на хорде, идущей прямо от корня. Хотя тот же анализ покажет точку центра давления для стреловидного крыла, ее местоположение может быть значительно позади передней кромки, измеренной у корня крыла . Для сильно стреловидных форм в плане CoP может лежать позади задней кромки корня крыла, требуя, чтобы крыло встречалось с самолетом в кажущемся далеко впереди месте. [3]
В этом случае стреловидного крыла изменения в CoP с углом атаки могут быть увеличены. [4]
Введение стреловидных крыльев также произошло во время перехода к более конусным конструкциям. Хотя давно было известно, что эллиптическая форма плана «идеальна» с точки зрения индуцированного сопротивления , было также замечено, что линейное сужение крыла имело почти такой же эффект, будучи при этом более легким. Исследования во время войны [5] привели к широкому использованию конусности, особенно в послевоенную эпоху. Однако еще на раннем этапе было замечено, что такие конструкции имеют неблагоприятные характеристики сваливания; поскольку законцовки были более нагружены при больших углах атаки, они работали ближе к своей точке сваливания.
Хотя этот эффект был неблагоприятным в обычном самолете с прямым крылом, на конструкции со стреловидным крылом он имел неожиданные и опасные результаты. Когда законцовки сваливаются на стреловидном крыле, центр давления, средняя точка подъема для крыла в целом, смещается вперед. Это происходит потому, что секция, все еще создающая значительную подъемную силу, находится дальше вперед. Это вызывает дополнительную силу подъема носа, увеличивая угол атаки и заставляя большую площадь законцовки сваливаться. Это может привести к цепной реакции, которая вызывает сильное кабрирование самолета.
Этот эффект впервые был замечен в самолете Douglas D-558-2 Skyrocket в августе 1949 года, когда перегрузка 0,6 G внезапно вышла из-под контроля и выросла до 6 G. Это не было чем-то удивительным; эффект был замечен ранее при моделировании в аэродинамической трубе . [4] Эти эффекты можно было наблюдать на любой скорости; в самолете Skyrocket они возникали в основном на трансзвуковой скорости (критерий Вейля-Грея), но при более стреловидных и сужающихся формах крыла, как на самолете North American F-100 Super Sabre , эффект был распространен и на низких скоростях (граница Ферлонга-Макхью), когда самолет летел под большими углами атаки, чтобы поддерживать подъемную силу на низких скоростях. [6]
Кроме того, стреловидные крылья имеют тенденцию генерировать поток пограничного слоя по размаху , заставляя часть воздушного потока двигаться «вбок» вдоль крыла. Это происходит по всему крылу, но по мере продвижения к кончику боковой поток увеличивается, поскольку он включает как вклад крыла в этой точке, так и поток по размаху из точек, расположенных ближе к корню. Этот эффект требует времени для нарастания, на более высоких скоростях поток по размаху имеет тенденцию сдуваться с задней части крыла, прежде чем он успеет стать серьезным. Однако на более низких скоростях это может привести к значительному нарастанию пограничного слоя на кончике крыла, что усугубляет проблемы, отмеченные выше. [7]
Наконец, хотя это и не связано напрямую с эффектами, описанными выше, в раннюю эпоху реактивных самолетов было принято использовать конструкции с Т-образным хвостовым оперением , чтобы держать аэродинамические поверхности подальше от области реактивного двигателя. В этом случае возможно, что событие тангажа может привести к тому, что турбулентный воздух за крылом будет проходить через горизонтальный стабилизатор, что затруднит или сделает невозможным применение давления носа вниз для противодействия тангажу вверх. Самолеты с низко расположенными хвостовыми поверхностями не страдали от этого эффекта и фактически улучшили свою управляемость, поскольку след крыла очищал поверхности управления, протекая над ними. Однако этого не всегда было достаточно для устранения проблемы; F-86 продолжал страдать от тангажа вверх, несмотря на увеличивающееся давление носа вниз от хвостовых поверхностей. [8]
Поскольку основные причины проблемы кабрирования связаны с потоком по размаху и большей нагрузкой на концах, меры по решению этих проблем могут устранить проблему. В ранних проектах это были, как правило, «дополнения» к в остальном обычной форме крыла в плане, но в современных проектах это часть общей конструкции крыла и обычно контролируется с помощью существующих устройств для создания подъемной силы .
Первая известная попытка решения этих проблем была предпринята на платформе, где они были впервые замечены, Douglas Skyrocket. Это приняло форму серии вихревых генераторов, добавленных к внешним частям крыла, разбивающих пограничный слой. Однако было обнаружено, что на практике это почти не имело эффекта. Тем не менее, похожее решение было предпринято на Boeing B-47 Stratojet , где оно оказалось значительно более эффективным. Этому могло помочь наличие двигателей в гондолах , чьи вертикальные крепления действовали как барьеры для пролетного потока.
Более распространенными решениями проблемы потока по размаху крыла являются использование ограждения крыла или соответствующего зубчатого выема на передней кромке крыла. Это нарушает поток и перенаправляет его назад, а также вызывает накопление застоявшегося воздуха внутри, что снижает точку сваливания. Это влияет на общий поток воздуха на крыле и, как правило, не используется, если стреловидность невелика.
Для решения проблем с нагрузкой по размаху крыла использовались более разнообразные методы, включая специальные предкрылки или закрылки, использование вымывания или автоматизированного управления элеронами . Необычное решение, опробованное на прототипе истребителя XF-91 Thunderceptor, заключалось в том, чтобы придать законцовкам крыла более широкую хорду , чем корням крыла. Идея состояла в том, чтобы повысить эффективность законцовок крыла и заставить корни крыла сваливаться первыми.
Датчики угла атаки на самолете также могут определять, когда угол атаки приближается к положению, которое, как известно, приводит к тангажу, и активировать устройства, такие как встряхиватель ручки, чтобы предупредить пилота, и толкатель ручки , который подавляет пилота и заставляет нос самолета опуститься на более безопасный угол атаки. Скручивание или вымывание, встроенные в законцовки крыла, также могут смягчить тангаж. По сути, угол атаки на законцовке крыла становится меньше, чем в других местах на крыле, что означает, что внутренние части крыла будут сваливаться первыми.
Обычно используемое решение для кабрирования в современных боевых самолетах — это использование управляемого утконосого оперения . [9] Другое современное решение для кабрирования — использование предкрылков. Когда предкрылки выдвинуты, они увеличивают изгиб крыла и увеличивают максимальный коэффициент подъемной силы . [10]
Pitchup также возможен в самолетах с крыльями обратной стреловидности , как на Grumman X-29 . При крыльях обратной стреловидности поток по размаху направлен внутрь, что приводит к срыву потока в корневой части крыла перед законцовкой крыла. Хотя на первый взгляд может показаться, что это вызовет проблемы с тангажем , крайнее заднее крепление крыла означает, что при срыве потока в корневой части подъемная сила движется вперед, к концам.
Когда стреловидное крыло начинает сваливаться, самые внешние части, как правило, сваливаются первыми. Поскольку эти части находятся позади центра давления , общая подъемная сила движется вперед, задирая нос самолета вверх. Это приводит к большему углу атаки и вызывает сваливание большей части крыла, что усугубляет проблему. Пилот часто теряет управление, что приводит к фатальным результатам на низкой высоте, поскольку у пилота не было достаточно времени, чтобы восстановить управление или катапультироваться до удара о землю. Большое количество самолетов было потеряно из-за этого явления во время посадки, в результате чего самолеты падали на взлетно-посадочную полосу, часто в огне.
Одним из самых известных инцидентов была потеря F-100C-20-NA Super Sabre 54-1907 и его пилота во время попытки аварийной посадки на авиабазе Эдвардс , Калифорния , 10 января 1956 года. По чистой случайности этот конкретный инцидент был подробно записан на 16-миллиметровую пленку камерами, установленными для освещения не связанного с этим испытания. Пилот отчаянно боролся за восстановление управления из-за неправильной техники посадки, [11] в конце концов накренившись и отклонившись вправо, прежде чем врезаться в землю с фюзеляжем, повернутым примерно на 90 градусов к линии полета. Андерсон, 1993 [12] утверждает, что F-100 был заметно недостаточно мощным для своего времени и имел очень выраженные тенденции «задней стороны», если скорость полета падала слишком сильно.
Новенький F-100C пилотировал лейтенант Барти Р. Брукс, уроженец Марты, Оклахома , и выпускник Техасского университета A&M , из 1708-го перегоночного крыла, отряда 12, авиабаза Келли , Техас . Самолет был одним из трех, доставленных с завода North American в Палмдейле на авиабазу Джордж , Калифорния, но ось поворота носовой стойки шасси ослабла, что позволило колесу вращаться произвольно, поэтому он направился в Эдвардс, где была более длинная взлетно-посадочная полоса. [13] При заходе на посадку, на большом угле атаки, истребитель превысил диапазон полета и, слишком далеко войдя в состояние сваливания, потерял путевое управление со смертельным исходом. Эти сцены были вставлены в фильм «Охотники » с Робертом Митчемом и Робертом Вагнером в главных ролях , в фильм «X-15» с актером Чарльзом Бронсоном в роли пилота, и в телевизионный фильм «Красный флаг: Последняя игра» , хотя в «Охотниках» и « Красный флаг: Последняя игра » самолеты, предположительно, были представлены соответственно F-86 и F-5E . [14] Инцидент также был увековечен в песне летчиков-истребителей «Give Me Operations» (положенной на мелодию песни времен калифорнийской золотой лихорадки «What Was Your Name in the States?»): [15]