Руководство пилота по аэронавтике » Глава 4. Аэродинамика полета » Момент силы и плечо момента

Момент силы и плечо момента

Moment and Moment Arm

Из курса физики известно, что тело, которое свободно вращается, будет всегда вращаться вокруг своего центра тяжести. В аэродинамических терминах математическую меру стремления самолета вращаться вокруг своего центра тяжести называют «моментом». Момент равен произведению примененной силы и расстояния, на котором прикладывается сила (плечо момента — расстояние от точки опоры до точки приложения силы). Для расчета весовой балансировки самолета, «моменты» выражаются как произведение длины плеча на вес самолета или в дюймо-фунтах.

Авиаконструкторы располагают переднюю и заднюю грань нахождения центра тяжести как можно ближе к 20% отметке средней аэродинамической хорды (САХ). Если конструкция самолета такова, что линия тяги проходит горизонтально через центр тяжести, то он будет стабилен по тангажу вне зависимости от изменения тяги, и не будет разницы во вращающих моментах при полете на включенных или выключенных двигателях. Хотя проектировщики и имеют некоторый контроль над расположением векторов сил сопротивления, они не всегда могут добиться прохождения суммарной силы через ЦТ самолета. Однако, существует одна вещь над которой конструкторы имеют полный контроль — это хвост самолета, его размер и положение. Цель состоит в том, чтобы сделать моменты (сил тяги, сопротивления и подъемной силы) как можно меньше и с помощью правильного расположения хвоста, обеспечить средства балансирования самолета по его длине для любых условий полета.

У пилота нет возможности напрямую управлять расположением сил, действующих на самолет в полете, за исключением управления центром подъемной силы, за счет изменения угла атаки. Однако, это изменение немедленно приводит к изменениям и других сил. Поэтому, пилот не может изменять точку приложения одной силы не зависимо от других. Например, изменение скорости полета влечет изменение в подъемной силе, а также в силе сопротивления, и изменение сил, действующих на хвост самолета. Также турбулентности и порывы ветра сносящие самолет в полете требуют действий пилота для создания противодействующей силы, препятствующей сносу самолета.

На некоторых самолетах может возникнуть смещение центра тяжести при изменении загрузки самолета. Чтобы уравновесить выработку топлива и погрузку-разгрузку груза или пассажиров используются балансировочные устройства. Триммеры руля высоты и переставные горизонтальные стабилизаторы являются наиболее распространенными устройствами позволяющими пилоту сбалансировать изменение загрузки самолета. При полетах на больших самолетах, балансировку самолета приходится производить в широком диапазоне, и пилоту пришлось бы прикладывать большие и утомительные балансировочные усилия, триммер избавляет летчика от ненужных усилий.

A study of physics shows that a body that is free to rotate will always turn about its CG. In aerodynamic terms, the mathematical measure of an aircraft’s tendency to rotate about its CG is called a “moment”. A moment is said to be equal to the product of the force applied and the distance at which the force is applied. (A moment arm is the distance from a datum [reference point or line] to the applied force.) For aircraft weight and balance computations, “moments” are expressed in terms of the distance of the arm times the aircraft’s weight, or simply, inch-pounds.

Aircraft designers locate the fore and aft position of the aircraft’s CG as nearly as possible to the 20 percent point of the mean aerodynamic chord (MAC). If the thrust line is designed to pass horizontally through the CG, it will not cause the aircraft to pitch when power is changed, and there will be no difference in moment due to thrust for a power-on or power-off condition of flight. Although designers have some control over the location of the drag forces, they are not always able to make the resultant drag forces pass through the CG of the aircraft. However, the one item over which they have the greatest control is the size and location of the tail. The objective is to make the moments (due to thrust, drag, and lift) as small as possible and, by proper location of the tail, to provide the means of balancing an aircraft longitudinally for any condition of flight.

The pilot has no direct control over the location of forces acting on the aircraft in flight, except for controlling the center of lift by changing the AOA. Such a change, however, immediately involves changes in other forces. Therefore, the pilot cannot independently change the location of one force without changing the effect of others. For example, a change in airspeed involves a change in lift, as well as a change in drag and a change in the up or down force on the tail. As forces such as turbulence and gusts act to displace the aircraft, the pilot reacts by providing opposing control forces to counteract this displacement.

Some aircraft are subject to changes in the location of the CG with variations of load. Trimming devices are used to counteract the forces set up by fuel burnoff, and loading or off-loading of passengers or cargo. Elevator trim tabs and adjustable horizontal stabilizers comprise the most common devices provided to the pilot for trimming for load variations. Over the wide ranges of balance during flight in large aircraft, the force which the pilot has to exert on the controls would become excessive and fatiguing if means of trimming were not provided.


Система Orphus