Продольная устойчивость и управляемость

Продольно устойчивый аппарат должен возвращаться к углу атаки и скорости полета после прекращения действия возмущающих сил без вмешательства пилота.
Продольно сбалансированным или находящимся в равновесии дельтаплан можно считать в том случае, если результирующая внешних сил и моментов относительно центра масс равна нулю. Таким образом, дельтаплан будет продольно сбалансирован, если продольный момент равняется нулю. Это и есть условие продольной балансировки. Коэффициент продольного момента дельтаплана зависит от угла атаки. График представляет собой прямую линию, за исключением области вблизи срыва. Так как для балансировки требуется, чтобы коэффициент Ст тоже был равен нулю, то дельтаплан может планировать с брошенной ручкой управления только при угле атаки, обозначенном буквой А. Статическая устойчивость определяется знаком и величиной наклона кривой Cm=f(a). Наклон должен быть таким, чтобы с ростом угла атаки а коэффициент Ст уменьшался. Как этого добиться на дельтаплане?

Чтобы сбалансировать момент от силы R, необходимо создать другую силу. В классической схеме эту роль выполняет стабилизатор. Он создает на своей плоскости отрицательную подъемную силу и момент вокруг оси z, который компенсирует момент от подъемной силы крыла. В схеме «утка» передний стабилизатор создает положительную подъемную силу, а плечо, умноженное на эту силу, балансировочный момент. У дельтаплана стабилизаторы отсутствуют.

Но мы можем создать этот момент профилем отрицательной кривизны, отгибанием вверх задней кромки крыла или ее разновидностью— S-образным профилем (для прямого крыла). У крыла с положительной стреловидностью должна быть отрицательная крутка, то есть концы крыла будут геометрически «закручены» и расположены под меньшим углом атаки к набегающему потоку, чем корневое сечение. Именно поэтому на концах крыла дельтаплана ставятся нервюры, которые мембранную поверхность превращают в «жесткий» изогнутый профиль, что предотвращает появление флаттера на концах крыла даже при отрицательных углах атаки. При малых углах атаки на концах консолей возникает отрицательная подъемная сила. Эффект тот же, что и при классической схеме со стабилизатором.
При отрицательной стреловидности крутка должна быть положительной. Концы крыла получаются несущими, а эффект — как при стабилизаторе в схеме «утка».

На современных дельтапланах наиболее часто встречается отрицательная крутка стреловидного крыла совместно с S-образным профилем в корневом сечении. Но применяются и другие варианты.

Из всего сказанного следует, что аппарат будет обладать продольной устойчивостью, если центр масс будет впереди центра давления — результирующей аэродинамической силы (фокуса аппарата).

Результирующая всех аэродинамических сил, действующих на дельтаплан, проходит через центр давления. На его перемещение влияют изменение угла атаки (центр давления перемещается вперед, вызывая крутящий момент вокруг центра масс, то есть угол атаки непрерывно растет) и устойчивое перемещение центра давления. При большом угле атаки центр давления перемещается назад, вызывая обратный момент и возвращая дельтаплан в положение равновесия. Стабилизатором при этом служит S-образный профиль.

На устойчивость дельтаплана также существенное влияние оказывают эластичность конструкции, величина индуцированного сопротивления и реакция купола на флаттер.
Флаттерное пикирование. Долгое время настоящим бичом дельтапланеристов был вход аппарата в необратимое флаттерное пикирование, которое для пилота часто заканчивалось трагически.
Что такое флаттерное пикирование?

Мембранное крыло на малых углах атаки (для классического крыла Рогалло — это 10— 12°, а для современных спортивных дельтапланов — 2— 8°) перестает создавать подъемную силу. Купола приобретают волнообразные движения наподобие флага, трепещущего на ветру, или паруса судна, не закрепленного в рабочем положении. Потеря высоты сопровождается серией резких звуков, вызванных волнообразными биениями несущей поверхности большой амплитуды, особенно интенсивными в районе задней кромки. Происходит волнообразное движение оболочки купола. Это аэродинамическое поведение объясняется образованием знака переменных вихрей такого типа, которые встречаются в спутной струе за цилиндрическими телами. В результате происходит полная потеря несущей способности крыла, и аппарат начинает движение по траектории, близкой к баллистической, похожей на траекторию свободно летящей стрелы.

Много теоретических и экспериментальных исследований было проведено, чтобы понять явление флаттера и найти средства борьбы с ним. Десятки различных схем дала конструкторская мысль, чтобы спасти дельтапланеристов от этого неуправляемого и рокового режима.
Это и раскрываемый по команде парашют, крепившийся к аппарату, и арочная конструкция, поддерживающая снизу несущую поверхность, и различные управляемые и неуправляемые поверхности, устанавливаемые сверху, сзади или спереди аппарата. При большом разнообразии все эти средства базировались на одной идее — создать при входе аппарата в пикирование восстанавливающий антипикирующий момент. Весь этот поиск завершился рядом рекомендаций, реализуемых в современной конструкции дельтапланов.

Для снижения способности купола к волнообразным колебаниям увеличили его момент инерции. С этой целью для купола стали использовать более тяжелый материал (160— 220 г/м2), а купол усиливать идущими на всю хорду крыла профилированными пластмассовыми или металлическими нервюрами. По килевой балке крыло стало иметь фиксированный S-образный профиль, создающий увеличивающийся с ростом скорости кабрирующий момент. Несущая поверхность вдоль задней кромки с помощью тросовых оттяжек или опорных трубок принимает отрицательный угол атаки в критических режимах.

При полете на малых углах атаки эти части несущей поверхности, поэтапно вступая в работу, создают антипикирующий восстанавливающий момент, не снижая практически летных характеристик аппарата в нормальном режиме полета. Правда, на старте мощная антипикирующая система потребует от пилота некоторых усилий, чтобы удержать аппарат от взмывания вверх.

Все же, несмотря на все эти конструктивные нововведения, последнее слово в оценке безопасности принадлежит испытанию на антипикирование. Аппарат с манекеном подвешивают носом вниз на высоте 55 м (такова длина стрелы автокрана, используемого при испытании) и производят его сброс. Без большой потери высоты он должен автоматически без управляющих воздействий выйти из пикирования в горизонтальный полет. Аппарат, не выдержавший испытания, не получает сертификата летной годности и запрещается для продажи.

В процессе экспериментов установлено, что для дельтапланов типа «Славутич-УТ» начало флаттера наступает при угле атаки а«10°, соответствующем нижней границе рабочего диапазона углов атаки. Верхняя граница диапазона совпадает с развитием срывных явлений и ограничивается углом атаки, соответствующим значению СУтах, а 45°.

Наиболее склонны к этому опасному явлению аппараты с большим удлинением. Траектория флаттерного пикирования практически не может быть изменена, так как перемещение тела пилота является единственно возможным управляющим воздействием на балансир-ный аппарат, а при входе дельтаплана во флаттер трудно добиться отклонения ручки даже на 10°.

Флаттерное пикирование может произойти при полете на малых углах атаки, при потере скорости и сваливании на крыло: если выполняется горка, то в ее верхней части траектории, когда центробежная сила станет равной весу, то есть разгрузит крыло; если резко взять ручку «на себя» во время полета на малых углах атаки; если при полете в турбулентной атмосфере аппарат вошел в сильный нисходящий поток.
На мембранном крыле дельтаплана при флаттерном пикировании происходят следующие физические явления: перемещение центра давления назад, появление «эффекта маятника» и в результате устойчивое равновесие при флаттерном пикировании.

Перемещение центра давления назад приводит к тому, что пилоту не хватает усилия для преодоления силы собственного веса и переноса его назад. Иногда это явление называют «проблемой силы».
На небольших углах атаки дельтаплан летает достаточно быстро. Если пилот мгновенно не реагирует, то дельтаплан опускает нос. В этом случае влияние перемещения пилота больше «эффекта маятника». При уменьшении угла атаки «эффект маятника» значительно увеличивается. Этот процесс продолжается до положения устойчивого равновесия, то есть равномерного флаттера. Если нос дельтаплана опускается еще ниже, то влияние «эффекта маятника» становится больше влияния перемещения центра тяжести и дельтаплан возвращается в положение равномерного флаттера.
Флаттер — это устойчивое положение равновесия дельтаплана, при котором эффективность управления собственным весом пилота снижается.

Восстанавливающий «эффект маятника» становится выше при большем отношении веса пилота к весу дельтаплана и меньшем предельном сопротивлении воздуха. Существенно влияет на восстановление нормального полета и длина троса подвески пилота.

Например, при отношении веса в системе «дельтаплан — пилот» 1 : 8—1 : 9 флаттер практически не возникает. При угрозе его возникновения максимальные усилия на трапецию управления будут составлять 45 % от веса пилота, что вполне допустимо.
Как бороться с флаттером? Есть несколько путей. Один из них — это создание аэродинамической силы, которая вырвала бы дельтаплан из пикирования. Эта аэродинамическая сила может быть подъемной силой или силой сопротивления.

Приспособления, основанные на силе лобового сопротивления, которые применяются в настоящее время, практически представляют собой парашют. Его устанавливают на центральной балке крыла (лучше — в ней) или на мачте. Эффективность такого приспособления будет тем больше, чем больший момент будет создавать эта сила.

Крепление в конце центральной балки малоэффективно, хотя зарубежные дельтапланеристы применяли и такой вариант. Плечо относительно центра тяжести будет максимальным в том случае, если парашют закреплен на конце мачты. Однако мешок с упаковкой парашюта наверху — это дополнительное сопротивление в полете. Лучше, если парашют расположен в мачте и вводится в действие так же, как в ракетном моделизме.

Приспособления, основанные на подъемной силе, по данным зарубежной литературы, имеют вид треугольных полотнищ на передних и задних тросах. Переднее полотнище работает как стабилизатор в схеме «утка» и создает подъемную силу впереди центра тяжести, а заднее — как стабилизатор в классической схеме, создавая аэродинамическую силу, направленную вниз. Эти полотнища применяются на учебных дельтапланах, но они создают дополнительное лобовое сопротивление и для спортивных крыльев едва ли пригодны.

Можно предложить систему с предкрылком, которая была опробована на моделях. Эта система может вводиться в действие механически, электропи-росистемой или комбинированным способом.
В Швейцарии разработана и опробована система, принцип которой заключается в «разрезании» ундуляционной волны на поверхности крыла, благодаря чему создается подъемная сила в передней части купола. Конструктивно система состоит из капронового шнура, который пропускают сверху купола над поперечной балкой и натягивают, изменяя тем самым профиль крыла. Практика показала, что для натяжения этой системы необходим усилитель — рычажный, зубчатый или другого типа, так как усилия пилота для полного натяжения и удержания шнура в аварийной ситуации не хватает.

Самым распространенным средством повышения безопасности полетов на дельтаплане, как, впрочем, на любом аппарате схемы «летающее крыло», является придание профилю купола S-образной формы. На аппаратах с малым удлинением было достаточно постановки S-образного профиля по центральной балке за счет килевого кармана и крепления точек профиля к верхней растяжке мачты. Иногда растяжки ставились не только по центру, но и на ближайшие латы-нервюры. При этом задняя кромка крыла работает как руль высоты, создавая кабрирующий момент. Порою растяжки ставят так, чтобы они создавали двухрежимный профиль. Это целесообразно, так как задняя кромка крыла малого удлинения имеет максимальный момент за счет максимально возможного плеча.

На крыльях большого удлинения плечо в центральной части мало. Максимальное плечо имгнн концевые части крыла. Крутка крыла достигается установкой жестких элементов по концам крыла, которые вынуждают эти части крыла работать как рули высоты на малых углах атаки.
Для нормальной работы таких законцовок крыла в качестве антипикирующего устройства необходимо профилировать носовую часть купола с небольшой кривизной, так как в данном случае большая кривизна носовой части купола значительно снижает эффективность работы антипикирующих устройств. Качество первого серийно выпускаемого у нас в стране аппарата «Славу-тич-УТ», к сожалению, не может удовлетворить пока любителей дельтапланерного спорта. Обладая невысокими летными характеристиками, он к тому же склонен попадать в режим необратимого флаттерного пикирования. Как проходили испытания на флаттерное пикирование в планеризме, описывает летчик-испытатель и писатель Игорь Шелест:

«У «человека из легенды», как называли журналисты Сергея Николаевича Анохина, с горой Клементьева была связана его авиационная юность, первые шаги его героической биографии. Здесь «испытатель от бога» Сергей Анохин провел эксперимент, вошедший навсегда в историю нашей авиации.
В то утро дул хороший южак. В воздухе было не менее тридцати планеров. Еще вечером в столовой прошел слух, что техком решил испытать один из планеров на максимальную скорость, причем допускалась возможность разрушения его в воздухе.

Надо сказать, что в тридцатые годы нередко случались необъяснимые катастрофы: развив максимальную скорость, самолеты почти мгновенно разрушались из-за прогрессирующих вибраций. Явление это назвали флаттером, и слово это приобрело смертельный смысл.

Выпаривая над долиной, я увидел в воздухе самолет. Он шел на подъем: за ним на буксире серебристый «Рот фронт». Воздушный поезд делает большой круг. Когда я набрал 700 метров над горой, самолет и планер шли против ветра на высоте около 2500 метров. Я тоже вывел свой планер против ветра, с параллельного курса были хорошо видны буксировщик и буксируемый.

Планер отцепился, самолет устремился вниз. Прошло не более минуты, и вот планер стал ступенями увеличивать угол планирования — сперва полого, потом круче, еще круче... Вдруг... Что это?! Похоже на взрыв! Мгновенно на месте планера образовалось облако. Оно медленно растет, вытягиваясь вширь и особенно вниз,— серебристое, сверкающее на солнце. Отдельные части планера, обгоняя друг друга, сыпались на землю. Где же Сергей?

Наконец-то! Купол, спасительный белый купол парашюта примерно на тысяче метров раскрылся.
Когда первые участники слета, бросившиеся к подножию северного склона, добрались до Анохина, он уже сидел на обломках фюзеляжа и курил свою трубку. Возле него лежал на ранце свернутый парашют. Последующие два дня все были под впечатлением необычайного испытания. В газетах печатались статьи, посвященные подвигу Анохина. Западная печать назвала полет «игрой со смертью», необычайным испытанием на прочность».

И все же самое лучшее средство против флаттерного пикирования — не попадать в него. Это возможно, если крыло будет устойчиво. Тогда оно само выйдет на планирующий режим из любого положения.

Аппараты с продольной неустойчивостью могут попасть в режим кувыркания.
Установлено, что кувырок происходит в результате потери скорости. При срыве потока центр давления крыла уходит далеко назад, так как с ростом угла атаки подъемная сила падает, а пикирующий момент продолжает расти. Он и заставляет аппарат опустить нос и перейти в пикирование. При этом дельтаплан с пилотом вращаются вокруг горизонтальной оси. В режиме пикирования восстанавливается плавность обтекания, центр давления возвращается на место и уходит дальше вперед. Возникают аэродинамические силы, стремящиеся остановить вращение и вернуть аппарат в исходное положение. Но дельтаплан с пилотом обладают определенным моментом инерции. Поэтому нужно какое-то время, чтобы остановить вращение и начать его в противоположную сторону. Это время тем короче, чем больше силы вращения.

В режиме пикирования, когда угол атаки мал, а скорость еще невелика, восстанавливающие силы могут оказаться недостаточными. Вращение может затянуться настолько, что угол атаки станет меньше некоторого критического, и аэродинамические силы заставят аппарат вращаться в ту же сторону с ускорением. Начнутся кувырки.

Выдержки из актов летных происшествий. «Во время проведения соревнований чемпионата УССР пилот совершал нормальный полет. Неожиданно дельтаплан совершил несколько кувырков с разрушением правого полукрыла. Дальнейшее падение происходило неупорядоченно. Пилот не мог предпринять каких-либо действий из-за полной потери ориентировки и большой скорости падения. Парашют отсутствовал».

Дельтадром Дрокино Красноярского края. Пилот выполнял очередной испытательный полет на новом дельтаплане собственной конструкции с высоты 127 м. Спустя несколько секунд после старта дельтаплан «клюнул» носом. Пилот стал плавно выводить его из пикирования. При этом возник крен вправо, развилось скольжение на правое крыло и началась раскачка. В конечной фазе дельтаплан перешел в крутое пикирование с последующим кувырком через нос. Дельтаплан разрушился. Падение с высоты 50 м».

Тенденцию дельтаплана к переворачиванию можно установить еще при прохождении испытаний на сертификацию. Но опасность «кувырка» остается. С каждым годом аппараты становятся все более чувствительны к продольной устойчивости. Возможен переворот любого высококачественного спортивного дельтаплана,. Это может произойти при совокупности двух условий: экстремальной термической активности и неправильных действиях пилота.

Рассмотрим, к примеру, действия пилота, выполняющего «горку». При подходе к верхней точке траектории пилот постепенно начинает брать ручку на себя. В верхней точке дельтаплан зависает и пилот еще более притягивает ручку к себе. На нисходящей части полета, когда дельтаплан набирает скорость, пилот, боясь переворачивания аппарата, резко отдает ручку от себя. Этим самым он перемешает свой вес за центр тяжести аппарата, создавая все необходимые условия для переворота: центробежная сила вырывает трапецию из рук, пилот вдавливается в купол. Конструкция, как правило, не выдерживает возникающих перегрузок и ломается.

Как же правильно поступать в такой ситуации? После зависания в высшей точке траектории пилот должен полностью взять ручку на себя. Вращение прекратится и дельтаплан перейдет в отвесное пикирование, которое хотя и неприятно для пилота, но для прошедшего сертификацию аппарата не представляет опасности. Чтобы правильно действовать в подобной ситуации, надо заранее себя психологически подготовить. Для этого нужно провести соответствующую тренировку. В нормальном полете надо довести аппарат до срывного режима и, когда он проявит стремление опустить нос, не препятствовать этому, а помочь взятием ручки на себя. Важно заставить себя держать ручку в таком положении, пока дельтаплан сам не выйдет в нормальный режим полета. Повторение этого упражнения снимет волнение, сопутствующее первой попытке. Это упражнение надо выполнять с парашютом на достаточной высоте и в условиях отсутствия турбулентности. Если пилот научится справляться со страхом, вполне понятным в такой ситуации, то он сможет правильно действовать в нужный момент. Внимание! В сомнительном случае — ручка полностью на себя!

На современных дельтапланах значительно уменьшена крутка и угол стреловидности, а значит и запас устойчивости. Наличие только одних концевых (антипикирующих устройств) не гарантирует не только от кувырков, но и от затягивания в пикирование. Практика показала, что необходима подвязка к мачте задних концов первых нервюр, а хвостовики нервюр должны быть гибкими для создания 5-образного профиля.

Требования к статической боковой устойчивости обычно менее жестки, чем к продольной и заключаются в том, что неустойчивое спиральное движение должно иметь период, вдвое превышающий недопустимый минимум (обычно 4 с за полный виток спирали).

Боковая устойчивость состоит из путевой и поперечной устойчивости. Путевая (флюгерная) статическая устойчивость — это способность дельтаплана самостоятельно противодействовать изменению угла скольжения. Флюгерной эта устойчивость называется потому, что в данном случае дельтаплан ведет себя как флюгер. Дельтаплан будет обладать статической путевой устойчивостью, если его боковой фокус находится позади центра тяжести. Чтобы увеличить расстояние между ЦТ и боковым фокусом, на некоторых дельтапланах ставятся килевые поверхности. Боковая неустойчивость может привести к штопору. 

Смотрите также

Junkers Ju.322 MAMMUT Тяжелый десантный и транспортный планер
Когда в июле 1940г. люфтваффе и бpитанские коpолевские ВВС сошлись в пеpвых боях "битвы за Англию" Гитлеp уже сменил пpиоpитеты. Опеpация "Моpской лев" по высадке на Бpитанские ост ...

Авария советского дирижабля "Красная звезда"
Авария советского дирижабля "Красная звезда" (бывш. "Астра")  - 06.02.1921 Очередной полет дирижабля "Красная звезда" (бывш. "Астра") закончился аварие ...

Дирижабль братьев Лебоди
Дирижабль — братьев Поля и Пьера Лебоди (Франция, 1902) Во Франции в 1902 году, братьями Полем и Пьером Лебоди построен первый полужёсткий дирижабль объёмом 2,3 тыс. м3, дл. 53 м, купленный вое ...