Продольная устойчивость самолета (авиамодели)

  Продольная устойчивость самолета (модели), имеющей оперение, обеспечивается стабилизатором и соответственно подобранным положением центра тяжести модели (рис. 51).

Рис. 51. Влияние горизонтального оперения на обеспечение продольной устойчивости авиамодели

        Действие стабилизатора заключается в следующем. Если модель внезапно под действием потоков воздуха изменила угол атаки, то на стабилизатор, который также отклонится и изменит свой угол атаки, начнет действовать добавочная воздушная сила ∆Уг.о. Плечом этой силы относительно центра тяжести модели будет расстояние Lг.о. называемое плечом горизонтального оперения.

        Возникает момент (Мг.о), который и возвращает модель в исходное положение. Как видно из формулы, приведенной на рис. 51, чем больше плечо горизонтального оперения и площадь стабилизатора, тем больше момент от горизонтального оперения и тем эффективнее его действие, направленное на обеспечение устойчивости.

      Однако такому действию обычно противодействует крыло, особенно если положение центра тяжести модели относительно хорды крыла оказывается достаточно близким к задней кромке.

      Чтобы разобраться, как влияет положение центра тяжести по хорде крыла на продольную устойчивость, вспомним, как перемещается точка приложения аэродинамической силы (центр давления). Из аэродинамики известно, что центр давления перемещается примерно так, как это показано на рис. 52. С увеличением угла атаки он обычно перемещается вперед, с уменьшением — назад.

Рис. 52. Перемещение центра давления (ЦД) в зависимости от угла атаки.

       Момент подъемной силы относительно центра тяжести модели стремится повернуть крыло, а с ним и всю модель в ту или иную сторону. Момент, стремящийся увеличить угол атаки крыла, считается положительным и называется кабрирующим; момент, стремящийся уменьшить угол атаки, считается отрицательным и называется пикирующим. Величина и направление момента очень сильно зависят от положения центра тяжести модели, через который проходит поперечная ось.

         Следовательно, если ось, проходящая через центр тяжести модели, расположена близко к передней кромке крыла, то оно будет устойчиво в продольном отношении, и такому крылу не потребуется стабилизатор. При центре тяжести, расположенном от передней кромки дальше четверти хорды, крыло окажется неустойчиво и стабилизатор будет нужен. Таким образом, мы видим, что расположение центра тяжести модели относительно крыла сильно влияет на момент крыла и определяет продольную устойчивость модели. Продольная устойчивость модели зависит и от расположения центра тяжести по высоте: чем ниже он расположен относительно хорды крыла, тем более устойчива модель. При этом центр тяжести действует как маятник стенных часов. Если мы отведем маятник вбок, он будет тем быстрее возвращаться в исходное положение, чем ниже расположен его груз. Летящая модель после того, как нарушится ее равновесие в результате какой-либо внешней причины, может совершать разнообразные продольные движения. Под влиянием одной из внешних причин модель выводится из того режима полета, то есть с того угла атаки, на который она рассчитана и отрегулирована.

         Продольное движение самолета изучается отраслью аэродинамики, называемой динамической устойчивостью самолета. Чтобы выявить связь основных размеров модели с характером ее продольных движений, воспользуемся важнейшими выводами динамической устойчивости самолета.

        В теории у самолета, планера и летающей модели различают две принципиально разные продольные неустойчивости: апериодическую и колебательную. Апериодическая неустойчивость характеризуется тем, что модель, выведенная из равновесия, уходит от исходного угла атаки, непрерывно увеличивая это отклонение, пока не сваливается на крыло. При колебательной неустойчивости модель, выведенная из равновесия, совершает продольные колебания вокруг центра тяжести; полет при этом происходит волнообразно со все увеличивающейся амплитудой. Размеры модели необходимо выбирать так, чтобы, не имея апериодической неустойчивости, она имела определенную степень колебательной устойчивости.

       Модель, устойчивая в колебательном отношении, должна уменьшать амплитуду вдвое на третьей полуволне продольных колебаний. Расчеты показывают, что для этого необходимо соответствующим образом выбирать положение центра тяжести относительно средней аэродинамической хорды, а также размеры стабилизатора.

        На характер продольных колебательных движений самолета и модели влияет много факторов. Этими факторами являются коэффициент лобового сопротивления, размеры и положение стабилизатора, положение центра тяжести, разнесенность масс относительно центра тяжести (момент инерции модели), скорость полета и, наконец, так называемая плотность самолета или модели. Плотность самолета характеризует способность самолета своей массой сопротивляться воздействию внешних возмущений.

         Как показывают теоретические исследования, характер продольного колебательного движения самолета или летающей модели меняется по-разному в зависимости от изменения продольной центровки при разных плотностях. Оказывается, например, что для улучшения продольной колебательной устойчивости транспортного самолета, имеющего большую плотность, необходимо перемещать центр тяжести вперед, а для парящей модели, имеющей малую плотность, перемещение ЦТ вперед ухудшает продольную колебательную устойчивость. При более передней центровке модель или самолет стремятся более интенсивно вернуться в исходное положение. Чем меньше нагрузка на крыло, то есть чем меньше плотность, тем более интенсивно проявляется это стремление. При этом, стремясь вернуться к равновесию, модель столь энергично меняет свой угол наклона, что «проскакивает» исходное положение, к которому она стремилась. Этот процесс повторяется каждый раз, из-за чего возникают продольные колебания.

           Смещая центр тяжести назад до 0,5—0,6 хорды, мы уменьшаем быстроту возвращения в исходное положение и склонность модели к продольным колебаниям. Именно поэтому парящие модели лучше всего летают с задними центровками.

         Стабилизатор кроме сохранения продольной устойчивости модели позволяет получить равновесие (балансировку) всех продольных моментов, действующих на модель на нужном угле атаки. Для того чтобы сбалансировать момент, действующий на крыло на данном угле атаки, необходимо расположить стабилизатор под таким углом, при котором воздушная сила, действующая на него, создала бы относительно центра тяжести момент, равный моменту от крыла (рис. 53).

Рис. 53. Равновесие моментов от действия стабилизатора и крыла

Источник: книга Тарадеев Б.В "Модели копии самолетов"

Похожие материалы: