Вращающий момент Самолета
advertisement
9. Вращающий Момент Тот, кто уверен, что этого невозможно сделать Никогда не должен мешать другому сделать это. – Китайская пословица -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------Данная глава посвящена различным Силам, провоцирующим Вращающий Момент самолета. Дигедральность В прошлой главе мы обсуждали, что может вызвать Скольжение самолета, теперь давайте посмотрим, что может вызвать его Вращение. Первое, о чем стоит упомянуть – это т.н. «дигедральность» /«dihedral»/ (пришло от греческого слова “два самолета” и означает просто то, что два крыла находятся не на одной линии, а под углом - как показано на рисунке). Собственно тут все просто: при боковом Скольжении самолета возникает поперечный воздушный поток (из стороны в сторону), который при наличии т.н. «Дигедральности» - будет ударяться об нижнюю плоскость одного крыла и верхнюю другого (как показано на правом нижнем рисунке). Естественно, это означает, что одно крыло будет «выталкиваться» вверх, другое вниз. Если бы вы решили в данной ситуации вычислить все углы между набегающим потоком и крыльями, то обнаружили бы, что Угол Атаки увеличивается у того крыла, которое тянет вверх, и уменьшается у того, которое тянет вниз: разница генерируемых Подъемных Сил между двумя крыльями и создает Вращающий Момент. Любые процессы, так или иначе созданные поперечными воздушными потоками (появляющимися при Скольжении) и вызывающие Вращающий Момент называются «Скользяще-Вращательными взаимодействиями», и «Дигедральность» - как раз хороший пример такого Процесса. Единственное, что можно добавить – Вращающий момент будет всегда пропорционален Дигедральному углу”V” и величине Скольжения. Другие «Скользяще-Вращательные Взаимодействия» «Дигедральность» – всего лишь одна из нескольких причин, благодаря которым самолеты обладают этими «СкользящеВращательными Взаимодействиями». Самолеты-высокопланы могут похвастаться строго определенной величиной «Скользяще-Вращательного Взаимодействия» благодаря сильному влиянию т.н. помех: когда самолет находится в Скольжении, его фюзеляж так же входит в плотное взаимодействие с потоком, огибающим крыло. Как видно из вышеприведенных рисунков, набегающему потоку при встрече скользящего самолета приходится несколько изменять свое направление из-за огибания фюзеляжа – именно это и является причиной рождения определенной части восходящего потока у основания верхнего (при крене) крыла и, соответственно - нисходящего потока у основания нижнего: таким образом, появляется Вращающий момент, который пытается поднять еще выше верхнее крыло. Если посмотреть на вот эти другие два рисунка, можно заметить, что у самолетов с нижним расположением крыльев - все происходит в точности до наоборот: восходящий поток появляется у основания нижнего крыла и, соответственно, нисходящий поток - у основания верхнего крыла: это способствует генерированию отрицательного количества «Скользяще-Вращательного Взаимодействия». Данный Эффект «Влияния помех» очень хорошо можно проследить по приведенному слева рисунку: скользящий в сторону фюзеляж является на самом деле крайне не-обтекаемым объектом – огибающие его воздушные потоки вызывают огромнейшую и сильную Турбулентность, а турбулентные потоки, как известно, уменьшают производительность Подъемной Силы крылом. Обобщенно говоря, крыло волнует только тот воздушный поток, который идет спереди и снизу, поэтому больше всего такая Турбулентность затрагивает именно высокопланы – на низкопланах, как видно из рисунка слева фюзеляж не так уж сильно мешает крылу генерировать Подъемную Силу. В реалии, величину сгенерированных таким образом турбулентных завихрений очень сложно спрогнозировать – ведь она зависит не только от формы и размеров фюзеляжа, но и от качества и состояния его покрытия. Кстати, от Приборной Скорости и скорости Скольжения - этот Эффект так же зависит крайне нелинейно. В общем, данный Эффект означает лишь что (и то при достаточно серьезной его величине) - самолеты с низким расположением крыла обычно обладают несколько большим «Дигедральным углом» между крыльями, чем высокопланы. (вы, кстати, можете легко в этом убедиться, внимательно осмотрев любую аэродромную площадку). Третий по счету Эффект можно проследить по приведенному слева рисунку: если вы введете в горизонтальное Скольжение самолет со стреловидным крылом– «переднее» (по ходу движения) крыло будет генерировать больше Подъемной Силы. Дело в том, что это крыло (на нашем рисунке - левое) - подставляет набегающему потоку чуть больше своего эффективного размаха, чем противоположное. Кстати, существует очень известное заблуждение, будто бы увеличение Подъемной Силы напрямую вызвано увеличением эффективного размаха – это несколько не так. Ошибка кроется в том, что при увеличении эффективного размаха крыла таким вот образом, вы обязательно получаете увеличение его эффективной хорды. Конечно же, Подъемная Сила меняться не будет (она всегда будет пропорциональна площади крыла, которая не меняется даже при вращении самолета). Более корректным было бы говорить о направлении воздушных струй, огибающих крыло. При Скольжении, воздушный поток, ударяясь о правое крыло, движется почти вдоль его передней кромки, что естественно уменьшает производимость Подъемной Силы по сравнению с левым, практически перпендикулярным потоку крылом. Четвертый Эффект показан на данном рисунке и заключается вот в чем: практически у всех самолетов хвостовое оперенье находится выше оси вращения, и когда самолет находится в Скольжении – это самое хвостовое оперенье генерирует определенную (и очень существенную) Силу. Эта Сила, умноженная на Рычаг (так как хвост находится достаточно далеко от Центра Массы) и вызывает Вращающий Момент. Что-либо, торчащее над осью вращения и вызывающее боковое Сопротивление или боковую Подъемную Силу - будет точно так же генерировать Вращающий Момент. Это касается и крыльев на самолетах с высоким расположением крыла, несмотря на то, что в данном случае этот Эффект будет достаточно маленьким, т.к. поток, движущийся вдоль крыла - не будет создавать много Силы – так, просто - чуть бокового Сопротивления. (Это, кстати, еще одна причина, по которой самолеты с высоким расположением крыла обладают меньшим углом Дигедральности, при одном и том же количестве «СкользящеВращательного Взаимодействия»). Все вышеприведенные четыре Эффекта действуют, по сути, в одном и том же направлении (и могут быть объединены): ваш самолет с высоким расположением стреловидных крыльев может обладать очень большим углом Дигедральности и достаточно высоким хвостовым опереньем – в этом случае вы получите, пожалуй, слишком большой показатель «Скользяще-Вращательного Взаимодействия» (а это, между прочем, может привести к проблемам, связанным с т.н. «Голландским Шагом», о котором подробно будем говорить в следующей главе). При интенсивной работе двигателя воздушные потоки будут способствовать генерированию отрицательного количества «Скользяще-Вращательного Взаимодействия»: если вы повернете нос самолета вправо – продольный компонент воздушного потока начнет сильнее воздействовать на правое крыло, которое из-за этого будет генерировать чуть больше Подъемной Силы, которая и будет заваливать вас в левый крен. «Скользяще-Вращательное Взаимодействие» и есть та причина, благодаря которой вы собственно и можете выполнить Стандартный Разворот при помощи только лишь Руля Направления (несмотря на его некую чопорность): если вы плавно выжмете правую педаль – вы вызовите т.н. Скольжение на крыло, которое тут же начнет заваливать самолет в правый Крен. (Хотя без сомнения, «Скольжение на крыло» - и так само по себе сгенерирует «плоский разворот»). В случае, когда вы будете удерживать руль направления отклоненным какое-то время – Сила этого «плоского разворота» будет строго пропорциональна величине отклонения Руля Направления, в то время как возникший Крен (а он начнет возникать как только появится боковое Скольжение) - будет все больше увеличиваться (опять же благодаря «Скользяще-Вращательному Взаимодействию»). Вот так вот… Устойчивость к Вращающему Моменту Теперь мы можем сказать, что приблизительно знаем - как поведет себя самолет, окажись (по какой либо причине) одно его крыло ниже другого – правильно, - он начнет поворачивать. Если этот поворот будет четко скоординирован – самолет будет продолжать поворачивать, и поворачивать и поворачивать. К счастью, (если вы помните прошлую главу, в частотности - о «Длинно-хвостовом Эффекте»): “любой Несогласованный Разворот будет обязательно разворотом со Скольжением”. Это небольшое на самом деле Скольжение, благодаря так же уже известным нам «Скользяще-Вращательным Взаимодействиям» - будет стараться повернуть самолет назад в ровное горизонтальное прямолинейное положение. Именно на этом «процессе» основана Устойчивость к Вращающим Моментам. Конструктора самолетов в первую очередь должны убедиться в том, что их детище обладает определенным количеством «Скользяще-Вращательного Взаимодействия», - как раз по вышеприведенным причинам. Устойчивость к Вращающим Моментам в действительности - очень слаба, т.к. две необходимых составляющих этого Эффекта по-своему крайне слабы: «Скользяще-Вращательное Взаимодействие» обычно очень небольшое, а «Длинно-хвостовой Эффект» в реалии - такой маленький, что (за исключением планеров) -большинство пилотов его даже не ощущают (если не обратить их внимание). Короче, данная Устойчивость - очень небольшая. Поэтому, если вы, находясь в турбулентном потоке, уберете руки со штурвала на пару секунд – вы можете не опасаться того, что нос самолета задерется или опуститься на 30 градусов, или, там - вы резко повернете влево или вправо на 30 градусов – это вряд ли произойдет. Единственное, чему вы не должны удивляться – внезапному Крену на 30 градусов, который будет все больше увеличиваться… Даже в идеальных условиях данной Устойчивости едва хватит, что бы вернуть самолет из едва заметного случайного крена. Если же Угол Крена будет более-ни-менее большим – уже «Эффект увеличения Крена» возьмет бразды правления на себя – прочно и надолго... * «Дигедральность» при отсутствии Скольжения Перед тем, как идти дальше давайте еще раз посмотрим, что происходит в обычном Согласованном Развороте, но несколько с другой точки зрения. Иногда можно встретить такое утверждение, что, якобы у находящегося в Крене самолета нижнее крыло обладает несколько бОльшим т.н. «контуром отпечатка» (бОльшей проекцией на поверхность земли) чем верхнее крыло (как на рисунке слева). Это утверждение снова отсылает нас чуть назад – туда, где мы разбирались почему стреловидные крылья генерируют «Скользяще-Вращательное Взаимодействие», с той лишь разницей, что «Эффект стреловидных крыльев» в действительности - существует, в то время как предполагаемый «Эффект Дигедральности в Согласованном Развороте» - чистый вымысел. Понимаете, крылья не знают (да в принципе им плевать) - где именно находится земля – единственное, что их заботит: откуда набегает воздушный поток. При Согласованном Развороте поток встречает строго «в лоб», поэтому «Дигедральность» крыльев тут абсолютно до лампочки. Еще одним мифом служит утверждение, будто бы «Дигедральность» напрямую связана с Углом Векторов Подъемной Силы обоих крыльев. Правильный ответ тут будет тем же: при отсутствии Скольжения - «Дигедральность» не дает никакого эффекта: пока поток будет набегать строго спереди – вектора Подъемной Силы будут расположены строго симметрично (как показано на рисунке). При Согласованном Развороте самолет будет просто счастлив продолжать поворот до бесконечности – у него не будет никаких предпосылок для возвращения в горизонтальный полет «параллельно земле». Более того, у него будет наблюдаться обратная тенденция, называемая «Эффектом увеличения крена», о котором мы сейчас и поговорим. Различные скорости законцовок крыльев; «Эффект увеличения крена» На картинке вы видите самолет в Согласованном Развороте. Легко заметить, что внешняя законцовка крыла двигается по окружности длиной 2 π R (большому радиусу R), в то время как внутренняя законцовка крыла вынуждена следовать т.н. “внутреннему радиусу” --- 2 π r (маленький радиус r). В виду того, что внешняя законцовка крыла проходит больше расстояния за то же количество времени – значит, его скорость больше. В то же время на этом же рисунке можно заметить и еще один факт --- набегающий поток будет гораздо сильнее на внешнем радиусе, т.е. воздействовать на внешнюю законцовку крыла (более длинная стрелка). Так как Подъемная Сила, генерируемая любой аэродинамической плоскостью, зависит от квадратного корня воздушной Скорости – внешняя законцовка крыла должна по идее - генерировать больше Подъемной Силы (при прочих равных условиях). А это означает, что самолет в развороте (особенно в правильном Согласованном) - будет стараться завалиться во внутренний крен все больше и больше. Причем, чем круче Крен – тем эффективнее будет проявляться подобная тенденция: короче – вы попадаете в т.н. «Пикирование по Спирали», или же просто – «Спираль». Для борьбы с данным Эффектом нужно использовать элероны – отклоняя их постоянно в противоположную Развороту сторону. Собственно величина данного Эффекта зависит от размаха крыльев самолета и Радиуса Разворота: на коротких крыльях, высокой Скорости и неглубоком Крене - вы вряд ли сможете даже определить его наличие. А вот планеру с длинными крыльями, небольшой скоростью и глубоким Креном - возможно понадобиться практически полностью отклонить внешний элерон - просто хотя бы для удержания нужного Угла Разворота. Кстати, интересно скомбинировать этот Эффект с тем, что мы знаем о «Длиннохвостовом Эффекте» --- ведь на планере в медленном Развороте с достаточно крутым Креном - вам было бы необходимо практически полностью выжать педаль Руля Направления (внутрь Разворота, что бы предотвратить этот самый «Длиннохвостовой Эффект») и, как мы уже узнали – практически полностью отклонить внешний элерон (для противодействия «Эффекту увеличения вращения»). Представьте, что вы бы о том, что сейчас прочитали – не знали, (и соответственно – не ожидали)? Тогда, при выполнении такого Разворота на планере вы бы столкнулись с довольно странной картиной: вы жмете правую (к примеру) педаль, в то время – одновременно отклоняя штурвал влево – как бы все наоборот.. Но, тем ни менее - ваш Разворот будет полностью Согласован. (Вы сможете в этом убедиться, просто посмотрев на находящиеся в потоке ленточки, которые будут четко зацентрованы). Конечно же, очень неловко себя чувствуешь, когда открываешь для себя какие либо новые моменты поведения самолета находясь в его кабине – иногда, все же, полезно сначала прочесть хотя бы пару умных книжек. Вращающий Момент, вызванный Сопротивлением винта Известно, что двигатель так же вносит свой, достаточно серьезный взнос в генерирование Вращающего Момента самолета. Как мы уже говорили раньше, пропеллер не откидывает поток строго назад, а закручивает его в определенном направлении. Согласно закону Ньютона о действии-противодействии, если воздушный винт откидывает воздух вниз-вправо, то должна быть ответная реакция, пытающаяся повернуть самолет вверх-влево. Грубо говоря, можно проделать такой вот эксперимент: возьмите модель самолета (у которого винт вращается вправо, по часовой стрелке) и, удерживая его только лишь за воздушный винт, запустите двигатель – самолет начнет вращаться влево – против часовой! Из рисунка видно, что часть воздушных струй после винта ударяется о верхнюю кромку правого крыла, а часть – о нижнюю левого. (Хотя на рисунке все это очень здорово преувеличенно). Несмотря на то, что эти потоки и стараются нейтрализовать действие Эффекта пропеллера, --- они некогда не смогут свести его к нулю (и тем более – вызвать обратное, правое, вращение). Аналогично, любой воздушный поток, «перехваченный» или “выпрямленный” хвостовым опереньем - так же чуть-чуть работает на уменьшение данного Вращающего Момента. Опять же, используя закон Ньютона, можно с уверенностью сказать – если какая либо часть воздушного потока «уходит» закрученной вниз-вправо – самолет будет пытаться повернуть влево. Единственным способом восстановить равновесие в данном случае будет перенаправление соответствующего количества потока вниз-влево. Конструктора самолетов очень долго изучали данную проблему Крутящего Момента, вызываемого Сопротивлением винта, и, соответственно, всячески пытались различными способами ее решить. К примеру, они давали левому крылу несколько бОльший Угол Установки, чем правому (это, кстати, называется «ассиметричными углами установки крыльев»). Такой трюк был особенно полезен для той части крыла, которая и попадала под влияние соответствующих потоков (поэтому эффективность этого трюка возрастала с увеличением тяги двигателя). На «Piper Cherokee» тримировочный механизм Устойчивости к вращающим колебаниям очень просто настроить под конкретную загрузку прямо на земле --- в системе выпуска закрылков существует возможность регулировки каждой секции отдельно, что позволяет поднять или опустить каждую секцию закрылков под соответственно нужный угол. В случае, если вы угадывали с точностью такой триммировки – в полете у вас было бы куда меньше проблем, но вот при взлете с площадок с мягким покрытием вас ожидал бы сюрприз: Сопротивление винта было бы гораздо сильнее из-за высокой тяги двигателя, а ваши ухищрения с настройкой закрылков не работали бы из-за низкой Скорости. В результате – вы вынуждены отклонять штурвал вправо чуть ли не до упора, используя элероны для противодействия Вращающему моменту воздушного винта… Инерция двигателя Второй закон Ньютона гласит, что Сила равна Массе, умноженной на Ускорение. Существует и «вращательная» версия этого Закона, согласно которой Вращающая Сила (Вращающий Момент) равна Инерции вращения х Ускорение Вращения. А это значит не что иное, как то, что при любом увеличении или уменьшении оборотов - будет автоматически генерироваться определенный Вращающий момент. Тут можно приписать еще и Третий закон Ньютона, «вращательная» версия которого звучит следующим образом: если вы сообщаете чему либо Вращающий момент по часовой стрелке – вы автоматически получаете где-то аналогичный Вращающий момент против часовой. Теперь давайте представим самолет со стандартно выровненным двигателем, Эффект Сопротивления винта которого (только что нами рассмотренный) - практически нулевой. (Самый подходящий для этого самолет – одномоторный, с двумя, вращающимися в разные стороны, воздушными винтами – кстати, братья Райт использовали именно такой вариант силовой установки на своем первом самолете). Так вот, пока (и именно в тот момент) пока скорость вращения основного вала двигателя изменяется – именно тогда и появляется Вращающий момент, пытающийся провернуть самолет (причем он будет пытаться провернуть его влево, если обороты растут, и вправо – если падают). При установившемся полете Эффект Инерции двигателя не проявляется – достоверным является тот факт, что двигательная установка со сдвоенными винтами практически не может вызывать какие либо более-ни-менее эффективные крутящие моменты. Для более четкого понимания различий нам нужно сравнить два нижеприведенных рисунка. На них изображен один и тот же одномоторный самолет, и которого мы сняли винт и нацепили здоровенный тормозной диск. В первом случае, тормозные колодки мы жестко закрепили к полу ангара и запустили двигатель. При торможении колодок о диск, самолет получит сильный Вращающий момент, который будет заставлять наш самолет провернуться (именно это мы только что и обсуждали). Это как раз является точной аналогией «Эффекта Сопротивления воздушного винта». Кстати, именно таким инструментом и измеряют величину генерирования двигателем Вращающих моментов. На следующем рисунке мы уже не стали прикреплять колодки к полу, а закрепили их собственно к корпусу самого самолета. Даже если двигатель и будет генерировать Вращающий Момент (воздействующий на крепления двигателя к корпусу) – все равно он будет встречаться с Моментом тормозных колодок и компенсировать друг друга. Цикл замкнулся, самолет в целом не получит никакого вращения. Законы Ньютона в достаточной степени ясно говорят об этом: если вы хотите дать вашему самолету скажем Вращающий Момент влево – вам в любом случае придется что-то закрутить аналогично вправо (это будет либо воздушный поток, как в реальном самолете, или же - пол ангара, как на рассмотренном рисунке). Вращения внутренних деталей двигателя могут так же повлиять на Вращающий Момент, но опять же – только лишь, если вы изменяете скорость их вращения. Вращательную Инерцию двигателя ни в коем случае нельзя путать с «Сопротивлением воздушного винта». Если винт «сидит» на валу двигателя - «Вращающий момент Сопротивления воздушного винта» будет воздействовать на фюзеляж через крепления двигателя – но это – просто неизбежное совпадение, а ни как не Закон Физики. (В случае, если винт сидит на валу редуктора – основная часть «Вращающего момента Сопротивления воздушного винта» будет воздействовать на фюзеляж через редуктор). И наконец – представьте, что двигатель вращается в одну сторону, а воздушный винт (благодаря редуктору, что, кстати, встречается довольно часто) – в другую. При устойчивом прямолинейном низкоскоростном полете (я вам гарантирую) – вы будете вынуждены задействовать элероны для компенсации пары Сопротивления винта - Инерция двигателя при этом сама по себе никак не отражается на технике пилотирования. Развороты в Наборе Высоты и на Снижении При выполнении строго горизонтального Разворота - обе законцовки крыла будут находится горизонтально. При Разворотах с Набором Высоты - обе законцовки крыла будут находиться под Углом, но - они ни как не будут под одним и тем же Углом к горизонту: дело в том, что Угол Подъема зависит от отношения вертикальной скорости к поступательной горизонтальной. А так как Углы Подъема у законцовок крыльев будут разными – так же разными будут и их Углы Атаки. О геометрических тонкостях мы еще с вами поговорим более подробно, сейчас же нам нужно понять - как точно определить вращение самолета, если ты находишься не в строго горизонтальном полете. Давайте проведем следующий эксперимент. Представим, что наш самолет со стандартным 10-и метровым размахом крыла выполняет «Стандартный» (3 градуса в секунду) Разворот на стандартных 180 км/ч, однако при этом набирая Высоту (или Снижаясь) со скоростью 2,5 м/с. Мы можем посчитать соответствующие Углы Атаки законцовок крыльев (данные занесены в таблицу). Скорость км/ч (TAS) Верт. Скорость (м/с) Угол подъема Угол атаки Набор высоты внутренний законцовок Снижение 184,1 2,5 2.844° 4.485° внешний законцовок 186,2 2,5 2.814° 4.515° разница 2.2% ° 4.515° 4.485° 0.7% внутренний законцовок 184,1 -2,5 -2.844 внешний законцовок 186,2 -2,5 -2.814° разница 2.2% -0.7% Мне из таблицы явно видно, что разница между Углами Атаки гораздо меньше, чем разница в Скоростях: при Развороте в Наборе Высоты Угол «входит в сговор» с «Эффектом Увеличения Вращения», а при Развороте на Снижении – уменьшает его влияние. В «Штопоре» (где гораздо выше вертикальная скорость, ниже Приборная Скорость и крайне высокая скорость вращения) напротив - влияние Углов невероятно важны (но мы об этом поговорим чуть позже). Вращающий Момент --- Итоги Существуют несколько Эффектов, которые могут вызвать «Вращающий Момент Самолета». Основные из них: - Скольжение обязательно будет вызывать Вращающий Момент по многим причинам: «Дигедральность», затемнение фюзеляжем одного из крыльев (особенно у верхнепланов); стреловидность крыла и хвостовое оперенье – все это способствует появлению «Скользяще-Вращательного Взаимодействия». - это вот «Скользяще-Вращательное Взаимодействие» совместно с «Длиннохвостовым Эффектом» на самом деле дают самолету (правда, очень небольшую) Устойчивость к вращению. - на средних и больших Кренах – «Эффект Увеличения Крена» пытается провернуть самолет еще сильнее и сильнее, что в конце концов приводит к «Спирали». - на небольших Кренах, два вышеупомянутых Эффекта аннулируются («Эффект увеличения вращения» компенсируется «Скользяще-Вращательным Взаимодействием» совместно с «Длиннохвостовым Эффектом). На таких углах Крена самолет будет радостно продолжать поворачивать с постоянным Углом Поворота и постоянным Углом Крена (без какой либо помощи со стороны пилота). - на высоких оборотах двигателя и маленькой Скорости - самолет будет пытаться провернуться влево из-за «Сопротивления воздушного винта». - если вы резко измените скорость вращения вала двигателя – остальная часть самолета получит короткий Вращающий Импульс. (Похожим образом, Гироскопическая Процессия сгенерирует Момент Скольжения и/или Продольный Момент, о котором мы уже говорили). Если Скорость и направление вращения будут неизменными – «Крутящий момент двигателя» не будет создавать серьезных Эффектов (там хоть и будет куча замкнутых и самокомпенсирующих эффектов, но в целом они не будут влиять на общую картину).
