Устойчивость и управляемость

Устойчuвостью планера называется способность его возвращаться самостоятельно (при нейтральных рулях) к режиму нормального планирующего полета, будучи из него выведенным той или иной причиной.

Быстрота возвращения планера к нормальному режиму характеризует степень его устойчивости.

Неустойчивый планер, наоборот, стремится все время изменить угол атаки, получить снос или крен, пока не найдет своего положения равновесия, которое не будет положением нормального планирования.

Летать на таком планере можно, только непрестанно противодействуя рулями стремлению машины изменить полет, что крайне утомительно и требует от пилота большого уменья.

Устойчивость полета такого планера, достигнутая только действием рулей, называется <искусственной устойчивостью».

Управляемостью называется способность аппарата быть выведенным действием рулей из любого положения в воздухе или введенным в него по воле пилота.

Устойчивость и управляемость - понятия относительные.

Планер может быть, например, устойчив на летных и больших углах атаки и малоустойчив или неустойчив на малых. Возможно также, что при хорошей управляемости в нормальном полете планер не выходит из пикирования и т. д. Поэтому до всестороннего и тщательного испытания нового планера нельзя выносить окончательного суждения о его устойчивости и управляемости.

Соответственно трем взаимно перпендикулярным осям различают устойчивость:

1) продольную (вокруг поперечной оси),

2) путевую (вокруг вертикальной оси),

3) поперечную (вокруг продольной оси).

Продольная устойчивость на нормальном планере достигается:

а) расположением центра тяжести впереди равнодействующей

аэродинамической силы крыла (обычно не далее 28-32 % хорды от носка);

б) расположением центра тяжести ниже плоскости хорд (под крылом);

в) приданием планеру продольного V, то есть установкой стабилизатора

(или рулей высоты в нормальном полете) под небольшим отрицательным

углом, что также необходимо для уравновешивания момента,

опрокидывающего планер на нос, при переднем положении центра тяжести

(Рис. 23);

г) приданием крылу продольного V (стреловидности) (Рис. 24);

д) выбором соответствующего профиля крыла (Рис. 7).

 

 

С увеличением площади и плеча (расстояния от центра тяжести планера) горизонтального оперения устойчивость увеличивается, тaк как горизонтальное оперение дает стабилизирующий, то есть способствующий устойчивости, момент.

Крыло дает момент дестабилизирующий, так как оно само по себе неустойчиво (при обычных формах).

Стабилизирующее действие горизонтального оперения имеет причиной тот факт, что при изменении угла атаки крыла в ту или другую сторону опрокидывающий (дестабилизирующий) момент крыла возрастает на меньшую величину (у нормального планера), чем восстанавливающий (стабилизирующий) момент горизонтального оперения.

Последний момент перевешивает и заставляет планер вернуться к прежнему углу атаки, при котором имело место равенство всех моментов, например (при нейтральной ручке) к режиму нормального планирования.

Обычно при изменении угла атаки момент оперения изменяется в 2-3 раза быстрее момента крыла.

Каждому положению ручки управления и, следовательно, положению руля высоты соответствует у данного планера вполне определенный угол атаки, а следовательно, определенные скорость и угол планирования.

Отсюда вывод: для совершения идеального полета на строго постоянном угле атаки необходимо держать ручку управления неподвижно.

Путевая устойчивость достигается:

а) установкой киля (или руля направления) достаточной площади, удерживаемого от самопроизвольного вращения ногами пилота, позади центра тяжести планера;

б) придание положительного поперечного V крылу, т. е. приподниманием концов крыла вверх (Рис. 25);

в) приданием продольного V крылу.

 

На путевую устойчивость и поворотливость вредно влияют вертикальные поверхности перед центром тяжести: длинный, вынесенный вперед нос фюзеляжа и т. п.

Поперечная устойчивость достигается:

а) низким расположением центра тяжести;

б) положительным поперечным V крыла.

К учебному планеру в отношении устойчивости и управляемости предъявляют следующие требования:

1) способность совершать нормальный планирующий полет в спокойных условиях с брошеной ручкой;

2) способность легко входить и выходить из разворотов с креном до 45⁰;

3) равномерная отзывчивость на все рули: высоты, направления и элероны;

4) послушание рулям на всех режимах до посадочного включительно.

 

Горизонтальное оперение планера состоит обычно у учебного типа из стабилизатора и рулей, у парителя - из одних рулей.

Наличие стабилизатора делает полет более спокойным, а главное, упрощает крепление рулей.

Горизонтальное оперение из одних рулей без стабилизатора (или из одного руля) имеет, однако, меньшее сопротивление.

Обычно рули высоты учебного планера составляют от 40 до 60 % площади всего горизонтального оперения, а все оперение от 10 до 14 % площади крыла.

Вертикальное оперение в большинстве случаев состоит из небольшого киля и руля направления. Наличие киля необязательно, так как пилот в полете практически не снимает ног с педалей, а при этом руль работает так же, как киль. Площадь вертикального оперения составляет обычно от 6 до 12 % площади крыла.

Стабилизирующее действие вертикального оперения аналогично действию хвоста флюгера.

Элероны необходимы для устранения крена или для сообщения его планеру, например, при совершении виража (Рис. 26).

Элероны устроены таким образом, что они отклоняются в противоположные стороны – правый - вверх, левый - вниз, и наоборот. При этом подъемная сила одного полукрыла увеличивается как за счет увеличения подъемной силы элерона, так и за счет прилегающей части самого крыла вследствие увеличения вогнутости совокупного профиля.

На другом полукрыле имеют место обратные явления.

 

Однако отклонение элеронов вызывает не только изменение подъемной силы правого и левого полукрыльев. но также и изменение их лобовых сопротивлений.

Опущенный элерон сильно увеличивает лобовое сопротивление своего полукрыла. Это усложняет взаимодействие элеронов и руля направления.

При вводе планера в разворот, когда планеру нужно придать необходимый крен, ручка дается в сторону крена, например, влево. Правый элерон опускается, левый - поднимается. Вследствие одновременного действия руля направления планер получает вращение в сторону разворота.

От этого правое полукрыло получает большую скорость, левое - меньшую.

Так как подъемные силы полукрыльев пропорциональны квадрату скоростей. у планера появляется стремление еще более увеличить угол крена.

Чтобы воспрепятствовать этому, пилот начинает поддерживать крен, то есть отклонять, действуя ручкой, элероны в положение" обратное начальному.

Чтобы сравнять увеличение лобового сопротивления элеронов при их отклонениях от нейтрального положения, иногда устраивают управление таким образом, чтобы опускающийся элерон опускался на меньшие углы, чем поднимался противоположный. Кроме того, это выгодно для сохранения удовлетворительного действия элеронов на больших углах атаки порядка 12-16°, так как опускание элерона на таких углах дает мало пользы (может даже уменьшить подъемную силу своего полукрыла). Поднимание же элеронов и на больших углах атаки наверняка даст уменьшение подъемной силы крыла, следовательно, крен в нужную сторону.

Такое управление элеронами называется дифференциальным.

Взлет планера.

Для начала полета необходимо сообщить планеру скорость, не меньшую, чем его нормальная скорость планирования. Эта скорость сообщается планеру с помощью амортизатора.

Энергия, затраченная стартовой командой и сосредоточенная в амортизаторе, при сокращении последнего передается планеру, превращаясь в энергию движения.

Если этот запас энергии был велик (длинный амортизатор большого диаметра, большая команда), планер может получить скорость, которая будет много больше скорости нормального планирования, в чем нет никакой надобности.

Избыток живой силы, сообщенной планеру, позволит ему в течение некоторого времени (обычно 1-2 с) набирать высоту. Однако в первый момент у планера даже и при нейтральных рулях при избытке скорости появляется стремление к взмыванию вверх, которое необходимо парировать соответствующим движением ручки во избежание потери скорости.

Если, удерживая планер на нормальном угле атаки, давать ему набирать высоту, то по истечении короткого времени избыток его живой силы будет израсходован на работу подъема. В этот момент необходимо перевести машину» на планирование, то есть помочь ей изменить направление движения, слегка отжав ручку, а затем после того, как планер опустит нос до нормального при планирующем полете положения, выбрать до нейтрального.

Если не отжимать на взлете или не переводить вовремя машину на планирование, она может перейти на чрезмерно большие углы атаки, что повлечет за собой скольжение на крыло или отказ в работе элеронов и штопор.

Посадка.

Для сохранности конструкции планера (и самолета) необходимо, чтобы соприкосновение машины с землей в момент посадки происходило возможно более мягко. Для этой цели необходимо, чтобы в момент касания машина

двигалась бы по касательной к поверхности посадочной площадки и притом с наименьшей возможной скоростью.

Достигается это тем, что при приближении планера к земле начинают постепенно выбирать ручку на себя, заставляя планер лететь почти горизонтально. При этом равнодействующая аэродинамических сил отклоняется назад и ее горизонтальная составляющая начинает тормозить планер, уменьшая его скорость (Рис. 18).

Для поддержания прежней величины подъемной силы крыла на уменьшенной скорости необходимо постепенно увеличивать угол атаки, продолжая плавное выбирание ручки на себя.

Нужно стремиться к тому, чтобы в момент соприкосновения с землей Су. крыла достиг своего максимума и, следовательно, скорость- своего минимума.

Неправильная посадка будет иметь место в случае, если:

1) планер достигает минимальной скорости, имея еще некоторую высоту над землей. При этом планер провалится, так как уменьшение скорости уже не может быть возмещено дальнейшим увеличением угла атаки, раз достигнут

Су. макс И произойдет посадка «с плюхом»;

2) если планер подведен к земле не по касательной, а под углом; даже и при небольшой скорости конструкция получит вредные сотрясения;

3) если планер подведен по касательной к земле, но с избытком скорости (позднее выравнивание); в этом случае получится либо длинный пробег, либо взмывание планера после соприкосновения с землей, что зависит от формы лыжи, поверхности площадки и действий пилота.

Правильная посадка достигается только тренировкой.

Полет планера по кривой.

При полете планера по кривой, называемой виражом, кроме силы веса и равнодействующей аэродинамических сил, появляется сила инерции, называемая центробежной», так как она направлена от центра во внешнюю сторону разворота. Центробежная сила, как доказывается в механике, равна

mV² /r

где m - масса планера, равная его полетному весу, деленному на ускорение силы тяжести: g = 9,81 м/с²;

V – скорость полета на вираже; r - радиус виража.

Например, если V = 16 м/с, G = = 200 кг и r = 100 м, то сила инерции

I= 200х·16² / 100 =52,2 кг

что составляет 1/4 веса полетного планера

Чтобы сделать правильный вираж или разворот заданного радиуса с постоянной скоростью, необходимо уравновесить силу инерции.

Уравновесить эту силу можно только сообщив планеру крен, а именно опустив крыло, находящееся внутри виража. При этом сила R отклонится от вертикали и, будучи разложена по вертикали и в бок - по горизонтали, даст составляющую, направленную против центробежной силы и называемую поэтому центростремительной.

Из Рис. 27 мы видим, что на развороте сила R должна быть больше, чем при нормальном планировании, так как теперь не вся она целиком уравновешивает вес планера, а только ее вертикальная составляющая

 

 

. Чтобы увеличить силу R, нужно или увеличить угол атаки крыла, или увеличить скорость полета. Первое опасно, так как планер и так нормально летает на сравнительно больших углах и дальнейшее увеличение угла атаки на развороте может легко привести к срыву в штопор. Поэтому практически всегда перед началом разворота необходимо несколько увеличить скорость полета и притом тем больше, чем круче разворот. Если этого не сделать, то планер в лучшем случае сам наберет скорость на развороте, но при этом потеряет больше высоты, чем при правильном его выполнении.

Отношение силы R на развороте к силе R при планировании называется перегрузкой. При перегрузке крылья и другие части планера испытывают повышенные напряжения. При развороте с креном в 60⁰ полная аэродинамическая сила крыла увеличивается против нормальной в два раза. Так как вследствие порывистости ветра бывают перегрузки и в нормальном полете, доходящие до 1,7-1,8, то суммарная перегрузка может достигнуть величины

п = 1,8 х 2 = 3,6.

Чтобы выдержать такое перенапряжение, конструкция планера должна быть рассчитана (при минимальном запасе прочности, равном 2) на перегрузку по крайней мере

п = 3,6 х 2 = 7,2.

Как известно, на такую перегрузку рассчитываются только рекордные планеры. Учебные же рассчитываются по «коэффициенту статической перегрузки», как называют число п, равное 4-4,5.

Поэтому выполнять на учебном планере развороты круче (с креном) 45⁰ нельзя.

 

Фигуры.

Особенно большие перегрузки планер получает при выполнении различного рода фигур, как, например, при «мертвой» петле, штопоре и особенно при выходе из пикирования.

Выполнение каких бы то ни было фигур допустимо только на специальных (фигурных) планерах, обладающих повышенной прочностью.

При планировании угол атаки крыла очень мал или даже отрицателен;

Су крыла очень мало. При отвесном пикировании Су=0 и вес планера уравновешивается только силою лобового сопротивления Х (рис. 28), что вследствие малости «лба» планера может иметь место только на очень большой скорости. Поэтому скорость планера на пикировании очень велика. Для учебных планеров Vпик = 140-- 200 км/ч. Для парителей Vпик = 250 -- 320 км/ч.

 

 

Если пилот захочет выйти из пикирования и с этой целью возьмет ручку на себя, угол атаки крыла увеличится, у крыла появится огромная подъемная сила, во много раз больше нормальной. Чем резче пилот переведет планер на большие углы атаки, тем больше будет перегрузка. Практически таким способом можно сломать в воздухе любой планер. Учебному планеру нельзя сообщать скорости больше 18-20 м/с (65-75 км/ч).

Штопор.

При полете на недопустимо больших углах атаки порядка 15⁰ может возникнуть штопор (Рис. 20).

При больших углах атаки отказывают в работе элероны, так как крыло при этом работает на границе режима срыва струй, вследствие чего опущенный элерон не только не увеличивает подъемной силы, но даже может уменьшить ее.

На таком режиме увеличение угла атаки одного из полукрыльев (от порыва или действия руля направления) уменьшит его подъемную силу, отчего планер начнет проваливаться на это полукрыло. Угол атаки этого полукрыла еще увеличится, противоположного - несколько уменьшится; машина начнет опускать нос и вращаться в сторону опущенного полукрыла. Это явление называется «срывом в штопор».

При установившемся штопоре планер падает, вращаясь вокруг отвесной оси, с фюзеляжем, наклоненным к вертикали под углом 60-70⁰. Полукрыло, находящееся внутри штопора, опущено. Центр тяжести планера описывает крутую спираль.

Прекратить штопор можно, тормозя вращение рулем направления (нога против штопора) и подачей ручки вперед от себя для перевода планера на режим полета с малыми углами атаки, при которых штопор невозможен.

Однако могут быть планеры, не выходящие из штопора, особенно при наличии задней центровки.

Во время штопора планер испытывает большие напряжения, сильно отражающиеся на жесткости конструкции (перегрузки 2,5 и выше).

Конструкция нормального учебного планера штопора не выдерживает. После штопора учебный планер должен сниматься с полетов, даже если при осмотре внешних повреждений не обнаружено.

Мертвая петля.

Фигура, изображенная на Рис. 29, называется «мертвой» петлей. Совершая петлю, планер описывает вытянутый круг в вертикальной плоскости.

 

 

Для совершения петли планер должен иметь скорость в 2-2,5 раза больше посадочной. Во время петли появляется центробежная сила, уравновешивающаяся подъемной силой крыла, превосходящей в этот момент нормальную в 2,5-3 раза. Наибольшие перегрузки имеют место при входе в петлю после разгона, когда на большой скорости ручка берется на себя и планер переводится на большие углы атаки, и при выходе из петли, когда планер пикирует в течение некоторого промежутка времени, вновь набирая скорость, упавшую на вершине петли. После выхода из петли можно воспользоваться большой скоростью планера с тем, чтобы еще подразогнав его, выполнить вторую петлю и т. д., то есть совершить серию петель.

Переворот

Переворот является штопором с горизонтальной осью; для совершения его на планере необходима большая скорость - в 2-2,5 раза больше посадочной.

Разогнав планер, летчик берет ручку на себя и дает ногу в сторону вращения; при этом перегрузки достигнут 3,5-4,5.

Совершение переворота на недостаточной скорости приводит к переходу в обыкновенный штопор. Эта фигура до настоящего момента на планере еще не выполнена вследствие ее большой трудности и отсутствия соответствующей материальной части.

Парение.

До настоящего момента мы рассматривали планирование в спокойном воздухе, т. е. неподвижном относительно земли.

Однако воздух обычно движется (ветер). Направление движения может быть как горизонтальным, так и наклонным.

Поток воздуха, следуя неровностям земной поверхности, отклоняется от горизонтального направления. У склонов, обращенных к ветру(наветренных), образуется восходящий поток, у подветренных, наоборот,- нисходящий (Рис. 30).

Если планер летит в восходящем потоке, может случиться, что скорость подъема окружающей массы воздуха больше, чем скорость снижения планера, если ветер достаточной силы и подъем склона достаточно крут.

Если например, скорость снижения планера на том режиме, на котором его ведет пилот, равна 0,8 м/с, а вертикальная составляющая потока 1,5 м/с, то планер не только не будет терять высоту, но, наоборот, будет набирать ее со скоростью 1,5-0,8 = 0,7 м/с. Вертикальная составляющая скорости восходящего потока около склона всегда убывает с высотой и в нашем примере на некоторой высоте равна только 0,8 м/с.

 

Дойдя до этой высоты, планер прекратит дальнейший подъем, так как его вертикальная скорость будет равна 0,8 - 0,8 = 0,0 м/с. Это будет потолком планера в данных условиях, т. е. максимально достижимой высотой.

Из изложенного вытекает, что парение для планера ничем по сути дела не отличается от планирования, разница только в движении окружающей среды.

Парение есть планирование в восходящем потоке,- это азбучная истина парения, без твердого усвоения которой невозможно овладение техникой парения и сознательное пилотирование.

Скорость планера, угол атаки крыла, его положение в пространстве относительно земли (например, наклон оси фюзеляжа или угол хорды с горизонтом) для каждого данного режима, например, крейсерского или экономического, остаются в точности теми же самыми, что и при простом планировании в безветрие или при горизонтальном ветре. Никаких особенных режимов на парении нет.

При парении энергия положения планера, так называемая потенциальная энергия (если высота полета постоянна) не меняется, как при планировании,- планер ее не расходует. Тем не менее его лобовое сопротивление такое же и на его преодоление должна тратиться механическая работа. Эта работа совершается за счет энергии движения (кинетической) воздушной среды, заимствуемой планером при его полете в восходящем потоке. Планирование во многом (с точки зрения механики) схоже со скольжением саней под гору.

Если сделать модель саней и горки и добиться плавного скольжения этой модели по «склону», а затем поднимать модель склона достаточно быстро

(Рис. 31), окажется, что сани, двигаясь по наклону и преодолевая силу трения, в то же время нисколько не опустятся относительно земли.

Если подсчитать работу поднятия модели склона, которую совершит поднимающий модель человек, то окажется, что она равна работе веса модели склона плюс работа трения салазок по склону за этот промежуток времени. Этот опыт показывает, каким образом заимствует планер энергию из воздушной среды, в которой он летает (салазки-планер, модель склона - восходящая масса воздуха).

Для того, чтобы совершить длительный парящий полет, пилот должен удерживать планер все время (или большей частью) в восходящем потоке, двигаясь вдоль склона, над которым эти потоки образуются. Как правило, скорость ветра меньше скорости планера и, если бы планер планировал навстречу ветру, он быстро пересек бы восходящий поток и снизился в долине. Чтобы избежать этого, пилот поворачивает планер носом несколько к склону.

 

При этом скорость планера относительно воздуха, складываясь со скоростью ветра относительно земли, дает в итоге результирующую скорость, направленную вдоль склона (Рис. 32).

 

 

Планер летит со сносом относительно земли. Однако поток воздуха планер, при этом, встречает прямо в лоб и никакого сноса относительно воздуха нет.

Никакого «прикрывания кренчином от сноса» или подскальзывания навстречу потоку не только не нужно, но это крайне опасно. Необходима лишь правильная ориентация оси планера относительно склона.

В природе существуют восходящие потоки и другого происхождения.

Таковы термические потоки. Они возникают от различных причин:

неравномерного нагревания солнцем земной поверхности, перемешивания слоев воздуха различной температуры и т.д. Но в основе всего этого лежит деятельность Солнца, излучающего на землю колоссальное количество энергии, производящей в числе прочих действий также и движения в нашей атмосфере. Таким образом, и горизонтальный ветep также обязан деятельности Солнца.

Парение в термических потоках труднее, чем в динамических, так как обнаружить первые можно только ощупью, да кроме того они имеют достаточную мощность (вертикальную скорость) для парения планера только на больших высотах - не ниже 300-400 м от земли, по имеющимся наблюдениям.

Наиболее верным видимым признаком существования больших вертикальных перемещений масс воздуха служат кучевые облака (Cumulus). Однако, термический поток (сокращенно «термик») может и не сопровождаться их образованием.

Другой род восходящих потоков благоприятных для парения, образуется перед так называемым грозовым фронтом.

Грозовой фронт - это движение больших масс холодного влажного воздуха, несущих грозу и дождь, подтекающих вследствие своего большого удельного веса под окружающий более теплый воздух.

Вытесняемый теплый воздух поднимается, уступая место клину холодного воздуха, достигая больших вертикальных скоростей порядка 2 -5 м/с и более (Рис. 33).

 

 

Наибольшая дальность полета на планере была достигнута именно при парении перед грозовым фронтом на протяжении 270 км.

Парение возможно осуществить также и при горизонтально дующем ветре, если он достаточно порывист. Для этого необходимо увеличивать угол атаки при набегании порыва и уменьшать его для набора скорости при спадении порыва.

Однако практически этот способ встречает большие затруднения. Порывы очень кратковременны, пилоту трудно на них реагировать вовремя и правильно, так как

предугадать, усиливается ли порыв или ослабевает, крайне трудно.

Поэтому таким способом парения пользуются отчасти лишь очень опытные пилоты и только при благоприятных условиях.