Коэффициент загрузки (аэронавтика)

Отношение подъемной силы самолета к его весу

В аэронавтике коэффициент нагрузки представляет собой отношение подъемной силы самолета к его весу ^{[1] [2]} : ^{§ 5.22} и представляет собой глобальную меру напряжения ( «нагрузки»), которому подвергается конструкция самолета:

${\displaystyle n={\frac {L}{W}},}$

где

${\displaystyle n}$коэффициент нагрузки,

${\displaystyle L}$это лифт

${\displaystyle W}$это вес.

Поскольку коэффициент нагрузки представляет собой соотношение двух сил, он безразмерен. Однако его единицы традиционно обозначаются как g из-за связи между коэффициентом нагрузки и кажущимся ускорением силы тяжести, ощущаемым на борту самолета. Коэффициент нагрузки один, или 1 г, представляет условия прямого и горизонтального полета, когда подъемная сила равна весу. Коэффициенты нагрузки больше или меньше единицы (или даже отрицательные) являются результатом маневров или порывов ветра. ^[3]

Коэффициент нагрузки и g

Тот факт, что коэффициент нагрузки обычно выражается в единицах g , не означает, что по размерам он равен ускорению свободного падения , также обозначаемому буквой g . Коэффициент нагрузки строго безразмерный.

Использование единиц g означает тот факт, что наблюдатель на борту самолета будет испытывать кажущееся ускорение силы тяжести (т.е. относительно своей системы отсчета), равное коэффициенту перегрузки, умноженному на ускорение силы тяжести. Например, наблюдатель на борту самолета, выполняющего разворот с коэффициентом перегрузки 2 (т.е. разворот с силой 2 g), увидит, как объекты падают на пол с ускорением силы тяжести, вдвое превышающим нормальное.

В общем, всякий раз, когда используется термин « коэффициент нагрузки» , формально правильно выражать его только с помощью цифр, например, «максимальный коэффициент нагрузки 4». Если термин « коэффициент нагрузки» опущен , вместо него используется g , как в случае «выполнение поворота с силой 3 g». ^{[2] : § 14.3}

Коэффициент нагрузки больше 1 приведет к увеличению скорости сваливания в коэффициент, равный квадратному корню из коэффициента нагрузки. Например, если коэффициент нагрузки равен 2, скорость сваливания увеличится на коэффициент , или примерно на 140%. ^{[ нужна цитата ]} ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Положительные и отрицательные коэффициенты нагрузки

Изменение коэффициента нагрузки n в зависимости от угла крена θ во время согласованного разворота. Розовая сила — это кажущаяся масса на борту.

Коэффициент перегрузки, а в частности его знак, зависит не только от сил, действующих на самолет, но и от ориентации его вертикальной оси.

Во время прямого и горизонтального полета коэффициент нагрузки равен +1, если самолет летит «правильно вверх», ^{[2] : 90} , тогда как он становится -1, если самолет летит «вверх ногами» (перевернутым). В обоих случаях вектор подъемной силы один и тот же (как видит наблюдатель на земле), но в последнем случае вертикальная ось самолета направлена ​​вниз, что делает знак вектора подъемной силы отрицательным.

В разворотном полете коэффициент перегрузки обычно превышает +1. Например, в повороте с углом крена 60° коэффициент перегрузки равен +2. Опять же, если тот же разворот выполняется на перевернутом самолете, коэффициент перегрузки становится -2. В общем, в сбалансированном развороте, при котором угол крена равен θ , коэффициент нагрузки n связан с косинусом θ как ^{[1] ​​[2]} : ^407.

${\displaystyle n={\frac {1}{\cos \theta }}.}$

Другой способ добиться коэффициента перегрузки, значительно превышающего +1, - это нажать на рычаг руля высоты в нижней части пикирования, тогда как сильное нажатие ручки вперед во время прямого и горизонтального полета может привести к отрицательным коэффициентам перегрузки, вызывая действие подъемной силы. в направлении, противоположном нормальному, т.е. вниз.

Коэффициент нагрузки и подъемная сила

В определении коэффициента нагрузки подъемная сила — это не просто подъемная сила, создаваемая крылом самолета , а векторная сумма подъемной силы, создаваемой крылом, фюзеляжем и хвостовым оперением , ^{[2] : 395} или, другими словами, — перпендикулярная воздушному потоку составляющая суммы всех аэродинамических сил, действующих на самолет.

Подъемная сила в коэффициенте перегрузки также имеет знак, который является положительным, если вектор подъемной силы указывает в том же направлении или близко к вертикальной оси самолета, или отрицательным, если он указывает в противоположном направлении или близко к нему. ^[4]

Стандарты проектирования

Необходимо избегать чрезмерных перегрузок из-за возможности превышения прочности конструкции самолета.

Власти гражданской авиации определяют пределы коэффициента загрузки, в пределах которых различные категории воздушных судов должны работать без повреждений. Например, Федеральные авиационные правила США предписывают следующие ограничения (для самого строгого случая):

• Для самолетов транспортной категории от −1 до +2,5 (или до +3,8 в зависимости от расчетной взлетной массы) ^[5]
• Для самолетов нормальной и пригородной категорий от −1,52 до +3,8 ^[6]
• Для самолетов многоцелевой категории от −1,76 до +4,4 ^[6]
• Для самолетов акробатической категории от −3,0 до +6,0 ^[6]
• Для вертолетов от −1 до +3,5 ^{[7] [8]}

Однако многие типы самолетов, в частности пилотажные самолеты, сконструированы таким образом, что они могут выдерживать нагрузки, значительно превышающие минимально необходимые. Например, семейство Су-26 имеет пределы коэффициента перегрузки от -10 до +12. ^[9]

Максимальные коэффициенты перегрузки, как положительные, так и отрицательные, применимые к воздушному судну, обычно указываются в руководстве по летной эксплуатации воздушного судна .

Человеческое восприятие коэффициента нагрузки

При коэффициенте загрузки +1 все пассажиры самолета чувствуют, что их вес нормальный. Когда коэффициент нагрузки превышает +1, все пассажиры чувствуют себя тяжелее, чем обычно. Например, при маневре 2 г все пассажиры чувствуют, что их вес вдвое превышает норму. Когда коэффициент нагрузки равен нулю или очень мал, все пассажиры чувствуют себя невесомыми. ^{[2] : 398} Когда коэффициент нагрузки отрицательный, все пассажиры чувствуют, что они перевернуты.

Люди имеют ограниченную способность выдерживать коэффициент нагрузки, значительно превышающий 1, как положительный, так и отрицательный. Беспилотные летательные аппараты могут быть рассчитаны на гораздо более высокие коэффициенты нагрузки, как положительные, так и отрицательные, чем обычные самолеты, что позволяет использовать эти летательные аппараты в маневрах, которые выводят из строя пилота-человека.

Смотрите также

• перегрузка
• G-LOC Потеря сознания из-за чрезмерной G (также известная как потеря сознания)
• Серый выход из строя из-за чрезмерного положительного G
• Redout Вывод из строя из-за чрезмерного отрицательного G
• Видимый вес

Примечания

1. Hurt, стр. 37
2. LJ Клэнси (1975). Аэродинамика . Питман Паблишинг Лимитед. Лондонский ISBN  0-273-01120-0
3. Маккормик, с. 464–468.
4. Гардинер, Дэйв. «Начальная школа - Теория полета. Маневрирующие силы». РА-Аус . Проверено 25 марта 2010 г.
5. «Часть 25. Нормы летной годности: самолеты транспортной категории» . ФАА . Проверено 29 марта 2010 г.
6. «Часть 23. Стандарты летной годности: самолеты нормальной, универсальной, акробатической и пригородной категорий». ФАА . Проверено 29 марта 2010 г.
7. «Часть 27. Стандарты летной годности: винтокрылые машины нормальной категории» . ФАА . Проверено 29 марта 2010 г.
8. «Часть 29. Стандарты летной годности: винтокрылые машины транспортной категории» . ФАА . Проверено 29 марта 2010 г.
9. «Су-26, 29, 31 - Историческая справка». Компания Сухой. Архивировано из оригинала 10 февраля 2012 года . Проверено 25 марта 2010 г.

Рекомендации

• Больно, Х.Х. (1960). Аэродинамика для морских авиаторов . Перепечатка национального летного цеха. Флорида.
• Маккормик, Барнс В. (1979). Аэродинамика, воздухоплавание и механика полета . Джон Уайли и сыновья. ISBN Нью-Йорка 0-471-03032-5 . 

Внешние ссылки

• Бэнк Энгл и Джи, aerospaceweb.org