Руководство пилота по аэронавтике » Глава 4. Аэродинамика полета » Особенности конструкции самолета » Устойчивость » Вертикальная устойчивость (устойчивость по рысканью)

Вертикальная устойчивость (устойчивость по рысканью)

Vertical Stability (Yawing)

Устойчивость вокруг вертикальной оси самолета (моменты действуют на бока самолета) называют рысканьем или путевой устойчивостью. Рысканье или путевая устойчивость наиболее простая для авиаконструкторов. Площадь вертикального оперения и боковые поверхности фюзеляжа спереди от центра тяжести заставляют самолет действовать как флюгер, ориентируя самолет вдоль потока воздуха.

Анализируя флюгер можно заметить, что, если площади поверхностей по обе стороны от его центра вращения одинаковы, то и силы создаваемые ветром на его стороны также будет одинаковы, таким образом вращение флюгера и установление его в направлении ветра было бы невозможно. Следовательно, необходимо иметь большую поверхность в задней части флюгера относительно его центра, чем впереди него.

Точно так же и авиаконструкторы должен гарантировать положительную путевую устойчивость, делая боковую поверхность больше в задней части чем перед центром тяжести [рисунок 4-27]. Чтобы обеспечить дополнительную положительную устойчивость, к самолету добавляется вертикальный стабилизатор. Он действует как заднее оперение стрелы, обеспечивая ее полет по прямой. Аналогично флюгеру и оперению стрелы, чем дальше от центра тяжести и чем больше вертикальный стабилизатор, тем больше путевая устойчивость самолета.

Рисунок 4-27. Фюзеляж и вертикальное оперение для вертикальной стабильности.

Если самолет летит по прямой линии, и боковой порыв воздуха придает самолету небольшое вращение вокруг своей вертикальной оси (например, вправо), это движение замедляется и останавливается за счет вертикального оперения, потому что при вращении самолета вправо, набегающий поток воздуха ударяет в левую сторону вертикального стабилизатора под углом. Это вызывает давление на левую сторону стабилизатора, который сопротивляясь поворачивающему движению замедляет поворот самолета. Это похоже на флюгер, который всегда разворачивается по ветру. При изменении курса, самолет не сразу нос самолета Начальное изменение направления полета самолета происходит обычно немного после изменения его курса. Поэтому, после небольшого отклонения от курса самолета направо, есть краткий момент, когда самолет все еще проходит свой оригинальный путь, но его продольная ось уже повернулась немного направо.

В этот момент самолет начинает боковое скольжение и в течение этого скольжения (не смотря на то, что отклоняющее от курса вращение остановилось, избыточное давление на левую сторону фюзеляжа и вертикального оперения все еще присутствует) самолет стремится повернуться обратно влево. Таким образом, вертикальное оперение самолета вызывает мгновенное восстановление курса самолета.

Эта тенденция к восстановлению курса относительно медленная в развитии и прекращается, когда самолет перестает скользить. Когда восстановление прекращается, самолет летит в направлении, немного отличающемся от его изначального курса. Другими словами, самолет не восстановит свой начальный курс; пилот должен восстановить начальный курс.

Незначительное увеличение путевой устойчивости стабильности придает положительная стреловидность крыла. Крыло имеет стреловидную форму прежде всего для того, чтобы отсрочить начало сжимаемости во время высокоскоростного полета. В легких и более медленны самолетах, стреловидность помогает в более правильном расположении центра давления относительно центра тяжести самолета. Продольно устойчивый самолет сконструирован так, что с центром давления находится позади ЦТ.

Из-за особенностей конструкции самолета авиаконструкторы иногда не имеют возможности монтировать крылья к фюзеляжу в желаемом месте. Если бы им пришлось установить крылья слишком сильно вперед, и под прямым углом к фюзеляжу, то центр давления не был бы расположен позади центра тяжести, чтобы привести необходимому показателю продольной стабильности. Создавая стреловидное крыло, авиконструкторы могут перемещать центр давления назад. Степень стреловидности и расположение крыла определяют верное расположение центра давления

Вклад крыла в статическую путевую устойчивость невелик. Влияние стреловидности зависит от степени стреловидности крыла, но этот вклад относительно маленький по сравнению с другими компонентами.

Stability about the aircraft’s vertical axis (the sideways moment) is called yawing or directional stability. Yawing or directional stability is the most easily achieved stability in aircraft design. The area of the vertical fin and the sides of the fuselage aft of the CG are the prime contributors which make the aircraft act like the well known weather vane or arrow, pointing its nose into the relative wind.

In examining a weather vane, it can be seen that if exactly the same amount of surface were exposed to the wind in front of the pivot point as behind it, the forces fore and aft would be in balance and little or no directional movement would result. Consequently, it is necessary to have a greater surface aft of the pivot point than forward of it.

Similarly, the aircraft designer must ensure positive directional stability by making the side surface greater aft than ahead of the CG. [Figure 4-27] To provide additional positive stability to that provided by the fuselage, a vertical fin is added. The fin acts similar to the feather on an arrow in maintaining straight flight. Like the weather vane and the arrow, the farther aft this fin is placed and the larger its size, the greater the aircraft’s directional stability.

Figure 4-27. Fuselage and fin for vertical stability.

If an aircraft is flying in a straight line, and a sideward gust of air gives the aircraft a slight rotation about its vertical axis (i.e., the right), the motion is retarded and stopped by the fin because while the aircraft is rotating to the right, the air is striking the left side of the fin at an angle. This causes pressure on the left side of the fin, which resists the turning motion and slows down the aircraft’s yaw. In doing so, it acts somewhat like the weather vane by turning the aircraft into the relative wind. The initial change in direction of the aircraft’s flightpath is generally slightly behind its change of heading. Therefore, after a slight yawing of the aircraft to the right, there is a brief moment when the aircraft is still moving along its original path, but its longitudinal axis is pointed slightly to the right.

The aircraft is then momentarily skidding sideways, and during that moment (since it is assumed that although the yawing motion has stopped, the excess pressure on the left side of the fin still persists) there is necessarily a tendency for the aircraft to be turned partially back to the left. That is, there is a momentary restoring tendency caused by the fin.

This restoring tendency is relatively slow in developing and ceases when the aircraft stops skidding. When it ceases, the aircraft is flying in a direction slightly different from the original direction. In other words, it will not return of its own accord to the original heading; the pilot must reestablish the initial heading.

A minor improvement of directional stability may be obtained through sweepback. Sweepback is incorporated in the design of the wing primarily to delay the onset of compressibility during high-speed flight. In lighter and slower aircraft, sweepback aids in locating the center of pressure in the correct relationship with the CG. A longitudinally stable aircraft is built with the center of pressure aft of the CG.

Because of structural reasons, aircraft designers sometimes cannot attach the wings to the fuselage at the exact desired point. If they had to mount the wings too far forward, and at right angles to the fuselage, the center of pressure would not be far enough to the rear to result in the desired amount of longitudinal stability. By building sweepback into the wings, however, the designers can move the center of pressure toward the rear. The amount of sweepback and the position

The contribution of the wing to static directional stability is usually small. The swept wing provides a stable contribution depending on the amount of sweepback, but the contribution is relatively small when compared with other components.


Система Orphus