Динамическая устойчивость самолета определяется тем, как самолет ведет себя после того, как его положение было нарушено после устойчивого полета без колебаний. [1]
Колебательные движения можно описать двумя параметрами: периодом времени, необходимым для одного полного колебания, и временем, необходимым для затухания до половины амплитуды, или временем, необходимым для удвоения амплитуды для динамически неустойчивого движения. Продольное движение состоит из двух отдельных колебаний: длиннопериодного колебания, называемого фугоидной модой, и короткопериодного колебания, называемого короткопериодной модой.
Режим с большим периодом, называемый «фугоидным режимом», — это тот, в котором есть большая амплитуда изменения воздушной скорости, угла тангажа и высоты, но почти нет изменения угла атаки. Фугоидное колебание — это медленный обмен кинетической энергией (скоростью) и потенциальной энергией (высотой) около некоторого равновесного уровня энергии, когда самолет пытается восстановить равновесное состояние горизонтального полета, из которого он был нарушен. Движение настолько медленное, что воздействие как инерционных , так и демпфирующих сил очень незначительно; однако, несмотря на то, что демпфирующие силы очень слабы, период настолько велик, что пилот обычно автоматически корректирует это движение, не осознавая, что колебание вообще существует. Обычно период составляет 20–60 секунд. Это колебание, как правило, может контролироваться пилотом.
Не имея специального названия, режим с более коротким периодом называется просто «режим с коротким периодом». Движение представляет собой быстрое качание самолета относительно центра тяжести, по сути, изменение угла атаки. Режим с коротким периодом представляет собой колебание с периодом всего в несколько секунд, которое обычно сильно демпфируется наличием подъемных поверхностей, расположенных далеко от центра тяжести самолета, таких как горизонтальное оперение или утка. Время гашения амплитуды до половины ее значения обычно составляет порядка 1 секунды. Способность быстро самогаситься при кратковременном смещении ручки управления является одним из многих критериев для общей сертификации самолета .
"Боковые направленные" моды включают в себя вращательные движения и рыскающие движения. Движения по одной из этих осей почти всегда переплетаются с другой, поэтому моды обычно обсуждаются как "боковые направленные моды". [примечание 1]
Существует три типа возможных динамических движений в боковом направлении: режим проседаний вала, спиральный режим и режим голландского вала.
Режим оседания крена — это просто гашение движения качения. Не создается прямого аэродинамического момента, стремящегося напрямую восстановить уровень крыльев, т. е. не существует возвращающей «силы/момента пружины», пропорциональной углу крена. Однако есть момент гашения (пропорциональный скорости крена ), создаваемый поворотом длинных крыльев. Это предотвращает нарастание больших скоростей крена при выполнении входных сигналов управления креном или гасит скорость крена ( не угол) до нуля при отсутствии входных сигналов управления креном.
Режим крена можно улучшить за счет двугранных эффектов, обусловленных конструктивными особенностями, такими как высокие крылья, двугранные углы или углы стреловидности.
Второе боковое движение — это колебательное комбинированное движение крена и рыскания, называемое голландским креном, возможно, из-за его сходства с одноименным движением катания на коньках, которое выполняют голландские конькобежцы; происхождение названия неясно. Голландский крен можно описать как рыскание и крен вправо, за которым следует восстановление к состоянию равновесия, затем выход за пределы этого состояния и рыскание и крен влево, затем обратно за пределы положения равновесия и т. д. Период обычно составляет порядка 3–15 секунд, но он может варьироваться от нескольких секунд для легких самолетов до минуты и более для авиалайнеров. Демпфирование увеличивается при большой курсовой устойчивости и малом двугранном угле и уменьшается при малой курсовой устойчивости и большом двугранном угле. Хотя движение обычно устойчиво в обычном самолете, оно может быть настолько слабо демпфировано, что эффект очень неприятен и нежелателен. В самолетах со стреловидным крылом проблема голландского крена решается путем установки демпфера рыскания , по сути, специального автоматического пилота, который гасит любые колебания рыскания путем применения поправок руля направления. Некоторые самолеты со стреловидным крылом имеют нестабильный голландский крен. Если голландский крен очень слабо демпфирован или нестабилен, демпфер рыскания становится требованием безопасности, а не удобством для пилота и пассажира. Требуются двойные демпферы рыскания, а неисправный демпфер рыскания является причиной ограничения полета на малых высотах и, возможно, на более низких числах Маха , где улучшается устойчивость голландского крена.
Спиральное движение является неотъемлемой частью. Большинство самолетов, настроенных на прямой и горизонтальный полет, при полете с фиксированной ручкой управления в конечном итоге сформируют затягивающееся спиральное пикирование. [2] Если спиральное пикирование происходит непреднамеренно, результат может быть фатальным.
Спиральное пикирование — это не штопор; оно начинается не со сваливания или крутящего момента, а со случайного возмущения, увеличивающего крен и воздушную скорость. Без немедленного вмешательства пилота это может привести к структурному отказу планера , либо в результате избыточной аэродинамической нагрузки , либо в результате полета на землю. Самолет изначально не подает никаких признаков того, что что-то изменилось. Ощущение «вниз» у пилота по-прежнему связано с нижней частью самолета, хотя на самом деле самолет все больше отклоняется от истинной вертикали. В условиях VFR пилот корректирует небольшие отклонения от уровня, автоматически используя истинный горизонт, но в условиях IMC или темноты отклонения могут остаться незамеченными: крен увеличится, а подъемная сила, больше не вертикальная, будет недостаточной для поддержки самолета. Нос опускается, и скорость увеличивается; началось спиральное пикирование.
Допустим, крен вправо. Развивается боковое скольжение, приводящее к скольжению справа налево. Теперь исследуйте результирующие силы по одной, называя любое правое влияние рысканием внутрь, рысканием наружу влево или креном внутрь или наружу, в зависимости от того, что применимо. Скольжение будет:
Кроме того, аэродинамическая сила создается относительным вертикальным положением фюзеляжа и крыльев, создавая усилие крена, если фюзеляж находится выше крыльев, как в конфигурации с низким расположением крыла; или усилие крена, если фюзеляж находится ниже, как в конфигурации с высоким расположением крыла.
Вращающийся под действием мощности пропеллер будет влиять на проходящий через него воздушный поток. Его влияние зависит от положения дроссельной заслонки (высокая на высоких оборотах, низкая на низких) и положения самолета.
Таким образом, спиральное пикирование является результатом суммирования многих сил, зависящих частично от конструкции самолета, частично от его положения в пространстве и частично от положения дроссельной заслонки (чувствительная конструкция будет совершать спиральное пикирование под действием мощности, но не во время планирования).
У пикирующего самолета больше кинетической энергии (которая изменяется как квадрат скорости), чем при прямолинейном полете. Чтобы вернуться в прямолинейное положение, восстановление должно безопасно избавиться от этой избыточной энергии. Последовательность такова:
Колебания могут быть вызваны продольным или поперечным плеском топлива, явлением, которое, как известно, затронуло самолеты, включая Douglas A4D , Lockheed P-80 , Boeing KC-135 , Cessna T-37 и North American YF-100 . Его влияние минимально, когда топливные баки полны или почти пусты: полный бак имеет большую массу, но мало движения, тогда как почти пустой бак имеет большее движение, но низкую массу. Плеск топлива можно уменьшить, установив перегородки в топливных баках, однако они увеличивают массу и уменьшают емкость топлива. [3] : 419