Влияние скачков уплотнения на рулевые поверхности.

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 28Следующая ⇒

Традиционные рулевые поверхности, отклоняясь, создают управляющую силу за счёт изменения кривизны профиля несущей поверхности. Отклонение рулевой поверхности вниз приводит к уменьшению критического числа М, то есть может спровоцировать появление скачка уплотнения над несущей поверхностью. В этом случае отрыв пограничного слоя за скачком приведёт к уменьшению эффективности управления.

На дозвуковых скоростях отклонение рулевой поверхности приводит к изменению распределения давления над всей несущей поверхностью. Когда же над несущей поверхностью находится скачок, то отклонение рулевой поверхности не может повлиять на ту часть профиля, которая находится перед скачком. Это также уменьшает эффективность управления.

Традиционные рулевые поверхности, устанавливаемые на задней кромке несущих поверхностей, могут не обеспечить достаточной управляемости самолёта в трансзвуковом диапазоне чисел М.

В этом случае применяются следующие конструктивные решения:

- управление в продольном канале осуществляется цельноповоротным стабилизатором;

- в поперечном канале используются интерцепторы-элероны;

- в продольном канале устанавливаются загрузочные устройства, меняющие загрузку в зависимости от числа М;

- устанавливаются генераторы вихрей.

«Зуд» системы управления

Если скачок уплотнения расположен возле оси вращения рулевой поверхности, то её отклонение может вызывать перемещение скачка, создавая быстрые изменения шарнирного момента. Это вызовет вибрацию проводки управления, называемую «зуд» системы управления.

Аэродинамическая тряска.

Завихрения, вызванные отделением пограничного слоя с крыла, попадая на оперение самолёта, вызывают аэродинамическую тряску. Срыв пограничного слоя происходит на малых скоростях полёта перед началом сваливания (срывная тряска). Также отделение пограничного слоя возникает за скачками уплотнения при полёте в трансзвуковом диапазоне чисел М (скоростная тряска).

Поскольку во втором случае сорванный поток обладает гораздо большей энергией, то при попадании на оперение может вызвать разрушение конструкции. Нужно всячески избегать попадания на режим скоростной тряски.

Существует специальный график, определяющий условия полёта, при которых возникает срывная или скоростная тряска (Buffet Onset chart).

В 7 главе было рассмотрено влияние различных факторов на скорость сваливания самолёта.

Рассмотрим влияние нормальной перегрузки, числа М, угла атаки, высоты полёта, веса и центровки полёта на возникновение срывной и скоростной тряски.

Факторы, влияющие на появление аэродинамической тряски.

Скорость сваливания

Если выполнять набор высоты на постоянной индикаторной скорости V_i (EAS) (cм. Основы полёта часть 1 стр.10), то истинная скорость V_ист будет расти. Одновременно, из-за падения температуры воздуха, будет уменьшаться скорость звука (а).

Таким образом, число М будет энергично увеличиваться (М = V_ист / а).

С_{У МАХ}, постоянный на малых числах М, начинает уменьшаться на М ≥ 0, 4.

Причина уменьшения С_{У МАХ} лежит в перестройке обтекания передней кромки крыла. На малых скоростях волны давления распространяются далеко вперёд от передней кромки и частицы воздуха начинают заранее «расступаться» перед приближающимся телом. При увеличении числа М волны давления перед телом «сгущаются» и не могут влиять на частицы воздуха расположенные далеко впереди тела. Поэтому по мере роста числа М деформация струек воздуха возле передней кромки усиливается, увеличивается кривизна траекторий частиц воздуха, увеличиваются градиенты падения, а затем роста давления в струйке воздуха.

Это провоцирует более ранний отрыв пограничного слоя на нисходящей части профиля крыла. Когда же над верхней поверхностью появляется скачок уплотнения, то это ещё больше провоцирует срыв пограничного слоя.

Рассмотрим формулу определения скорости сваливания при нормальной перегрузке, равной единице (см. Основы полёта часть первая, стр.69):

Из неё видно, что поскольку с увеличением высоты С_{У МАХ} уменьшается, то скорость сваливания будет увеличиваться.

На рисунке изображён график зависимости индикаторной скорости сваливания при единичной нормальной перегрузке от высоты полёта. Самолёт не может сохранять перегрузку 1 на скоростях левее указанной границы. На малых высотах скорость сваливания постоянна, потому что скорость ещё слишком мала, чтобы ощутить эффект сжимаемости воздуха. С ростом высоты этот эффект становится всё более заметным и скорость сваливания начинает увеличиваться.

На высоте Н₁ самолет может лететь только на одной скорости. Любое уменьшение, увеличение скорости или создание перегрузки более 1 приведёт к сваливанию. Эта высота называется статическим потолком самолёта (Aerodynamic Ceiling). Поскольку полёт самолёта на столь ограниченном режиме практически неосуществим, то на английском такой режим называется «гробовой угол» (coffin corner).

Примечание: Правая восходящая петля на этом графике соответствует увеличению максимальной высоты полёта самолёта при переходе на сверхзвуковую скорость. На сверхзвуковой скорости скачок уплотнения садится на заднюю кромку крыла и больше не провоцирует отрыва пограничного слоя, тяга реактивных двигателей начинает расти за счет повышения степени сжатия воздуха в воздухозаборнике. Таким образом, создаются условия, позволяющие выполнить дальнейший набор высоты.

Нормальная перегрузка

Увеличение нормальной перегрузки приводит к росту скорости сваливания. На следующем графике изображён набор кривых определяющих границы сваливания для различных перегрузок от 1 до 2, 5.

На график наложен набор пунктирных линий, соответствующих постоянному числу М. Они показывают, что в наборе высоты, даже на относительно маленькой индикаторной скорости, можно достичь больших чисел М.

Кроме левой границы по сваливанию, в трансзвуковой области чисел М существует правая граница по началу скоростной тряски. Более подробно эта граница рассмотрена дальше по тексту.

Число М

Для каждого самолёта существует максимально-допустимое число М, превышение которого недопустимо в нормальной эксплуатации, даже на малых углах атаки, из-за наступления волнового срыва. Предыдущий график показывает, что с ростом высоты индикаторная скорость, соответствующая данному числу М, уменьшается. То есть диапазон допустимых индикаторных скоростей сужается с обеих сторон.

Угол атаки

Если рассмотреть набор высоты на постоянном числе М, то видно, что индикаторная скорость полёта будет уменьшаться. Это значит, что требуемый Су и угол атаки будут увеличиваться, что в свою очередь приведёт к уменьшению числа М, на котором начинается скоростная тряска.

Этот эффект усилится, когда величина угла атаки приблизится к углу сваливания. В той точке, где граница скоростной тряски пересечет границу сваливания, число М будет значительно меньше максимально-допустимого числа М.

При разворотах самолёта или попадании в болтанку, увеличение нормальной перегрузки приводит к увеличению угла атаки и к дальнейшему уменьшению числа М, на котором возникает скоростная тряска.

На следующем рисунке показано, как меняются границы сваливания и скоростной тряски в зависимости от нормальной перегрузки.

Скорость сваливания (на уровне моря) увеличивается пропорционально корню квадратному из перегрузки V_S_{на манёвре} = V_S₁_g Ö n_Y

Кривая границы сваливания поднимается вплоть до достижения максимально-допустимой перегрузки (по условиям прочности).

Кривая границы скоростной тряски показывает уменьшение скорости начала тряски по мере роста перегрузки. Сначала падение небольшое, но по мере роста перегрузки (угла атаки) граница скоростной тряски всё быстрее смещается в сторону меньших скоростей.

Образовавшаяся фигура демонстрирует эксплуатационную область режимов полёта самолёта.

Примечание от переводчика: На рисунке изображён зелёный треугольник, соответствующий области неустановившихся режимов полёта. Это безопасная область, в которой самолёт не выйдет на режим сваливания на скоростях ниже V_S₁_g.

Если самолёт по каким-либо причинам потерял скорость, то задача лётчика уменьшить перегрузку ниже единицы (отдать штурвал от себя), опустить нос самолёта (если тангаж слишком велик, то помочь опусканию носа путём создания крена), дождаться увеличения скорости не менее минимальной и, затем, плавно увеличивать перегрузку для вывода самолёта в горизонтальный полёт.

Высота полёта

На этом же рисунке показаны границы сваливания и скоростной тряски вдали от земли. Видно, что скорость сваливания увеличивается быстрее, чем на уровне моря. Это связано с увеличением числа М и связанным с ним падением С_{У МАХ}.

Граница скоростной тряски становится также более жёсткой (увеличение М с высотой).

Таким образом, обе эти границы могут пересечься, так и не достигнув значения максимально-допустимой перегрузки. Точка их пересечения представляет собой ещё один вариант «гробового угла» (coffin corner), когда самолёт может лететь только на одной скорости.

Вес самолёта

Вес самолёта влияет на эксплуатационную область режимов полёта. При увеличении скорости растёт скорость сваливания, то есть граница сваливания смещается вправо.

За счет увеличения потребного угла атаки уменьшается скорость начала скоростной тряски – граница смещается влево.

Центровка

Смещение центра тяжести вперёд увеличивает скорость сваливания (увеличение потери подъёмной силы на продольную балансировку самолёта).

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒