Mechanika lotu samolotów - Aircraft flight mechanics

Mechanika lotu samolotów ma zastosowanie w samolotach stałopłatowych ( szybowce , samoloty ) i wiropłatach ( śmigłowce ). Samolot ( samolot używany w USA) jest zdefiniowany w Dokumencie ICAO 9110 jako "cięższy od powietrza samolot o napędzie silnikowym, którego siła nośna jest głównie wynikiem reakcji aerodynamicznych na powierzchni, które pozostają nieruchome w danych warunkach lotu".

Należy zauważyć, że ta definicja wyklucza zarówno sterowce (ponieważ ich siła nośna wynika z wyporu, a nie z przepływu powietrza nad powierzchniami) oraz rakiet balistycznych (ponieważ ich siła nośna jest zazwyczaj wyprowadzana bezpośrednio i całkowicie z ciągu prawie pionowego). Technicznie rzecz biorąc, można powiedzieć, że oba z nich doświadczają „mechaniki lotu” w bardziej ogólnym sensie sił fizycznych działających na ciało poruszające się w powietrzu ; ale działają one bardzo różnie i zwykle są poza zakresem tego terminu.

Odlecieć

Statek cięższy od powietrza (samolot) może latać tylko wtedy, gdy zadziała szereg sił aerodynamicznych. W przypadku samolotów o stałym skrzydle, kadłub statku podtrzymuje skrzydła przed startem. W momencie startu dzieje się odwrotnie i skrzydła wspierają samolot w locie.

Lot prosty i poziomy samolotu

W locie na samolot z napędem mogą oddziaływać cztery siły: siła nośna , ciężar , ciąg , i opór . Ciąg to siła generowana przez silnik (niezależnie od tego, czy jest to silnik odrzutowy , śmigło , czy – w egzotycznych przypadkach, takich jak X-15 – rakieta ) i działa do przodu w celu pokonania oporu. Winda działa prostopadle do wektora reprezentującego prędkość samolotu względem atmosfery. Opór działa równolegle do wektora prędkości samolotu, ale w przeciwnym kierunku, ponieważ opór stawia opór ruchowi w powietrzu. Ciężar oddziałuje przez środek ciężkości samolotu w kierunku środka Ziemi.

W locie prostym i poziomym udźwig jest w przybliżeniu równy ciężarowi i działa w przeciwnym kierunku. Ponadto, jeśli samolot nie przyspiesza, ciąg jest równy i przeciwny do oporu.

W locie prostym wspinającym się, siła nośna jest mniejsza niż waga. Na początku wydaje się to niepoprawne, ponieważ jeśli samolot wznosi się, wydaje się, że siła nośna musi przekraczać wagę. Kiedy samolot wznosi się ze stałą prędkością, to jego ciąg umożliwia mu wznoszenie się i uzyskanie dodatkowej energii potencjalnej. Winda działa prostopadle do wektora reprezentującego prędkość samolotu względem atmosfery, więc winda nie jest w stanie zmienić energii potencjalnej lub energii kinetycznej samolotu. Można to zaobserwować, biorąc pod uwagę samolot akrobacyjny w prostym locie pionowym (takim, który wznosi się prosto w górę lub schodzi prosto w dół). Lot pionowy nie wymaga windy. Lecąc prosto w górę, samolot może osiągnąć prędkość zerową, zanim spadnie na ziemię; skrzydło nie generuje siły nośnej, więc nie przeciąga. W locie prostym, wznoszącym się ze stałą prędkością, ciąg przekracza opór.

W locie prostym opadającym siła nośna jest mniejsza niż waga. Ponadto, jeśli samolot nie przyspiesza, ciąg jest mniejszy niż opór. W locie skrętnym siła nośna przekracza masę i wytwarza współczynnik obciążenia większy niż jeden, określony przez kąt przechylenia samolotu .

Sterowanie i ruch statku powietrznego

Mnemoniki do zapamiętania nazw kątów

Samolot może zmienić swoją orientację względem przelatującego powietrza na trzy podstawowe sposoby. Pitch (ruch nosa w górę lub w dół, obrót wokół osi poprzecznej), roll (obrót wokół osi podłużnej, czyli osi biegnącej wzdłuż długości samolotu) i yaw (ruch nosa w lewo lub w prawo , obrót wokół osi pionowej). Obrót samolotu (zmiana kursu) wymaga najpierw przechylenia samolotu w celu uzyskania kąta przechylenia (w celu wytworzenia siły dośrodkowej); gdy pożądana zmiana kursu została osiągnięta, samolot musi ponownie przechylić się w przeciwnym kierunku, aby zmniejszyć kąt przechylenia do zera. Podnośnik działa pionowo w górę przez środek nacisku, który zależy od położenia skrzydeł. Położenie środka nacisku będzie się zmieniać wraz ze zmianami kąta natarcia i ustawienia klap skrzydeł samolotu.

Powierzchnie sterowe samolotu

Odchylenie jest indukowane przez ruchomą płetwę sterową. Ruch steru zmienia wielkość i orientację siły wytwarzanej przez powierzchnię pionową. Ponieważ siła powstaje w pewnej odległości za środkiem ciężkości, ta siła boczna powoduje moment odchylający, a następnie ruch odchylający. W dużych samolotach na jednej płetwie może znajdować się kilka niezależnych sterów, zarówno dla bezpieczeństwa, jak i do sterowania wzajemnie powiązanymi działaniami zbaczania i kołysania.

Samo zbaczanie nie jest zbyt skutecznym sposobem na wykonanie zakrętu poziomego w samolocie i spowoduje pewne ślizganie. Należy wytworzyć dokładną kombinację przechyłu i siły nośnej, aby wywołać wymagane siły dośrodkowe bez powodowania poślizgu bocznego.

Pochylenie jest kontrolowane przez tylną część statecznika poziomego statecznika tylnego , która jest odchylana na zawiasach w celu utworzenia steru wysokości . Przesuwając ster steru wysokości do tyłu, pilot podnosi ster wysokości (pozycja ujemnego wygięcia) i zwiększa się siła skierowana w dół na usterzenie poziome. Kąt natarcia na skrzydłach wzrosła więc nos rozbił się i wyciąg jest ogólnie wzrosła. W mikro-światłach i lotniach akcja pochylenia jest odwrócona – system kontroli pochylenia jest znacznie prostszy, więc gdy pilot przesunie dźwignię steru wysokości do tyłu, powoduje to pochylenie nosa w dół, a kąt natarcia na skrzydło jest zmniejszony.

System stałej powierzchni ogonowej i ruchomych sterów wysokości jest standardem w samolotach poddźwiękowych. Jednostki zdolne do lotu naddźwiękowego często mają stabilizator , czyli ruchomą powierzchnię ogona. W tym przypadku skok zmienia się przesuwając całą poziomą powierzchnię ogona. Ta pozornie prosta innowacja była jedną z kluczowych technologii, które umożliwiły lot naddźwiękowy. We wczesnych próbach, gdy piloci przekroczyli krytyczną liczbę Macha , dziwne zjawisko sprawiło, że ich powierzchnie sterowe stały się bezużyteczne, a ich samoloty niekontrolowane. Ustalono, że gdy samolot zbliża się do prędkości dźwięku, powietrze zbliżające się do samolotu jest sprężone i fale uderzeniowe zaczynają tworzyć się na wszystkich krawędziach natarcia i wokół linii zawiasów windy. Te fale uderzeniowe powodowały, że ruchy windy nie powodowały zmiany ciśnienia na stabilizator przed windą. Problem został rozwiązany poprzez zmianę stabilizatora i steru na zawiasach na stabilizator poruszający się w całości — cała pozioma powierzchnia ogona stała się jednoczęściową powierzchnią sterową. Ponadto w locie naddźwiękowym zmiana pochylenia ma mniejszy wpływ na siłę nośną, a stabilizator wytwarza mniejszy opór.

Statek powietrzny, który formant w skrajnych kątów natarcia są czasami wyposażone w canard konfiguracji, w której powstaje ruch pochylający stosując foreplane przodu (w przybliżeniu na poziomie z kabiny). Taki system powoduje natychmiastowy wzrost autorytetu skoku, a tym samym lepszą reakcję na sterowanie wysokością dźwięku. Ten system jest powszechny w samolotach delta-wing (deltaplane), które wykorzystują przednią szybę typu canard ze stabilizatorem. Wadą konfiguracji kaczki w porównaniu z ogonem rufowym jest to, że skrzydło nie może wykorzystywać tak dużego rozszerzenia klap, aby zwiększyć unoszenie skrzydła przy małych prędkościach ze względu na wydajność przeciągnięcia. Kombinowany samolot trójpowierzchniowy wykorzystuje zarówno kaczkę, jak i tylny ogon (oprócz głównego skrzydła), aby osiągnąć zalety obu konfiguracji.

Kolejną konstrukcją statecznika jest ogon w kształcie litery V , nazwany tak, ponieważ zamiast standardowego ogona w kształcie odwróconej litery T lub w kształcie litery T, znajdują się dwie płetwy odchylone od siebie w kształcie litery V. Powierzchnie sterowe działają wówczas zarówno jako stery, jak i stery wysokości, poruszanie się w odpowiednim kierunku w razie potrzeby.

Rolę kontrolują ruchome sekcje na krawędzi spływu skrzydeł zwane lotkami . Lotki poruszają się w opozycji do siebie — jedna unosi się w górę, a druga w dół. Różnica w pochyleniu skrzydła powoduje różnicę w sile nośnej, a tym samym ruch toczenia. Oprócz lotek, czasami są też spojlery — małe płytki na zawiasach na górnej powierzchni skrzydła, pierwotnie używane do wytwarzania oporu w celu spowolnienia samolotu i zmniejszenia siły nośnej podczas opadania. W nowoczesnych samolotach, które mają zalety automatyzacji, mogą być używane w połączeniu z lotkami, aby zapewnić kontrolę przechyłu.

Najwcześniejsze samoloty silnikowe zbudowane przez braci Wright nie miały lotek. Całe skrzydło było wypaczone za pomocą drutów. Skrzydło wypaczenie jest skuteczne, ponieważ nie ma nieciągłości w geometrii skrzydła, ale wraz ze wzrostem prędkości, niezamierzone skrzywienie stało się problemem, dlatego opracowano lotki.

Zobacz też

Bibliografia

LJ Clancy (1975). Aerodynamika . Rozdział 14 Elementarna mechanika lotu . Pitman Publishing Limited, Londyn. ISBN 0-273-01120-0

Languages

In other projects