ОСНОВИ АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ

частина ІI

ДИНАМІКА ПОЛЬОТІВ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ		УКЛАДАЧІ

3. НЕУСТАЛЕНИЙ РУХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

3.1. Маневрені властивості вертольота

3.1.1. Основні поняття та визначення

3.1.2. Характеристики маневреності: потрібне і наявне перевантаження

3.1.3. Маневрування швидкістю в горизонтальному польоті

3.1.4. Маневрування у вертикальній площині

3.1.5. Маневрування у горизонтальній площині

3.1.6. Просторове маневрування

3.1.1. Основні поняття та визначення

До неусталеного руху вертольота належать: перехідні режиму польоту, маневрування швидкістю та за висотою польоту у вертикальній та горизонтальній площині, а також зліт і посадка, на різних етапах яких має місце неусталений рух вертольота.

Основною особливістю неусталеного руху є рух із прискоренням, як результат на вертоліт діють інерційні сили, отже, має місце перевантаження.

	Рівняння неусталеного руху, які визначають прискорення, мають вигляд:
де: - – поздовжнє, вертикальне та бічне прискорення; - – миттєва швидкість; - – миттєвий кут нахилу траєкторії; - – миттєвий курсовий кут.

3.1.2. Характеристики маневреності: потрібне і наявне перевантаження

Перевантаженням є відношення прискорення руху до прискорення вільного падіння:

	Максимальне значення перевантаження , яке відповідає максимальній потужності двигунів, якщо , називається наявним (граничним) перевантаженням.
Перевантаження , яке отримується через зміну кута атаки, якщо , називається маневреним перевантаженням

	Рівняння неусталеного руху в перевантаженнях:
де: - швидкісне (тангенціальне) перевантаження; - нормальне перевантаження.

Нормальне перевантаження залежить від значення загального кроку та швидкості польоту (рис. 3.1.1).

Рис. 3.1.1. Залежність наявного нормального перевантаження вертольота, якщо n_x=0

Кількісними характеристиками маневреності вертольота є, наприклад: чисельні значення радіуса, кутової швидкості і часу виконання розвороту, час набору висоти за один виток спіралі тощо.

3.1.3. Маневрування швидкістю в горизонтальному польоті

До маневрів у горизонтальному польоті належать розгін і гальмування.

Горизонтальний розгін – це прямолінійний маневр вертольота в горизонтальної площині, з метою збільшення швидкості польоту

Для виконання горизонтального розгону необхідно збільшити тягу НГ і зменшити кут тангажу (відхилити вертоліт уперед). При цьому значення кута нахилу вертольота визначається умовою збереження постійності висоти польоту (рис. 3.1.2):

Рівняння руху в перевантаженнях для горизонтального польоту мають вигляд:

Рис. 3.1.2. Схема сил на горизонтальному розгоні

Що більший запас потужності на початковому режимі, то більшу тягу НГ можна отримати і нахилити вертоліт на більший кут, тобто створити більше перевантаження (). Після збільшення потужності подальший розгін виконують за постійного значення загального кута НГ, а постійну висоту польоту пілот підтримує, змінюючи кут тангажу важелем циклічного кроку (РЦШ) в міру збільшення швидкості польоту.

Максимальний темп розгону буде на злітній потужності, при цьому час розгону в заданому діапазоні швидкостей буде мінімальним.

Максимальний темп розгону досягається на малих швидкостях. У міру приближення до кінцевої швидкості темп суттєво зніжується, а час маневру швидко збільшується.

У процесі введення вертольота в розгін унаслідок зменшення кута атаки і збільшення загального кроку НГ його частота обертання зменшується. Отже, розгін в усьому діапазоні швидкостей здійснюється за мінімально допустимої частоти обертання НГ, і це визначає гранично можливий темп горизонтального розгону.

	Характер поведінки вертольота в процесі розгону швидкості залежить від діапазону швидкості (рис. 3.1.3):
• на I-му режимі (V>Vек) збільшення швидкості від VI до VI +ΔV потрібна потужність збільшується, тому пілоту для забезпечення умови H=const, необхідно збільшувати потужність, що підводиться до НГ (не допускаючи падіння частоти обертання НГ нижче мінімально дозволеної);
• на II-му режимі (V<Vек) збільшення швидкості від VII до VII +ΔV потрібна потужність зменшується, тому потужність, що підводиться до НГ, необхідно зменшувати пропорційно збільшенню швидкості.

Рис. 3.1.3. Характер зміни потужності залежно від швидкості польоту на режимах розгону і гальмування

Горизонтальне гальмування – це прямолінійний політ з метою зменшення швидкості польоту

Рівняння руху мають такий самий вигляд, як і у випадку розгону, але в цьому випадку поздовжнє перевантаження буде негативним. Це означає, що , а за великих значень кута атаки , тобто вони спрямовані проти руху (рис. 3.1.4).

Рис. 3.1.4. Схема сил на горизонтальному гальмуванні

	Виконання гальмування значно відрізняється на 1-му і 2-му режимах польоту:
• в діапазоні швидкостей 1-го режиму (від Vmax до Vек) ефективність НГ зі створення сили тяги (перевантаження) через збільшення кута атаки більше балансувальною, що дає змогу виконувати гальмування за суттєвого зменшення потужності двигунів; за зменшення загального кроку і збільшення кута атаки відбувається збільшення частоти обертання НГ (розкручування), темп збільшення частоти обертання НГ залежить від темпу зменшення загального кроку і темпу збільшення кута атаки (кута тангажу). Тому зменшення загального кроку і темп відхилення важеля керування «на себе» має бути таким, щоб частота обертання НГ не вийшла за обмеження;
• за гальмування на 2-му режимі польоту розрахункова тяга НГ та його ефективність зі створення тяги суттєво зменшується в міру зменшення швидкості, тому для витримки постійності висоти за гальмування на 2-му режимі необхідно збільшувати потужність двигунів (збільшувати загальний крок) у міру зменшення швидкості.

Також за зменшення швидкості проявляється тенденція вертольота до лівого крену і розвертання праворуч, що зумовлено змінами бічного балансування вертольота залежно від швидкості польоту.

3.1.4. Маневрування у вертикальній площині

До маневрів у вертикальній площині належать:

• введення в набір висоти з режиму горизонтального польоту;

• виведення з режиму набору висоти в горизонтальний політ;

• введення в зниження (пікірування) з режиму горизонтального польоту;

• виведення з режиму зниження в горизонтальний політ.

Пікірування з кутом нахилу траєкторії з кутом до 30⁰ називається положистим, а з кутом більше 30⁰ – стрімким.

На рис. 3.1.5 показано схеми сил за введення в набір висоти і виведення з набору в горизонтальний політ (фігура «гірка»).

Гірка – фігура пілотажу у вертикальній площині, в процесі виконання якої вертоліт виконує набір висоти з кутом нахилу траєкторії, який перебільшує кут сталого набору висоти

Рис. 3.1.5. Схема виконання фігури пілотажу «гірка»

Рівняння руху вертольота під час виконання «гірки» випливають із загальних рівнянь несталого руху за умов –

З цих рівнянь випливають формули радіуса, кутової швидкості і зміни висоти:

Пікірування – фігура пілотажу у вертикальній площині, під час виконання якої вертоліт знижується за нахиленою траєкторією зі збільшенням швидкості польоту

Через те що пікірування є ніби дзеркальним відображенням гірки, то рівняння руху будуть такими самими. Пікірування складається із введення, зниження за нахиленою траєкторією і виведення. Виведення з пікірування є найбільш відповідальним етапом маневру, особливо на малих висотах, тому що під дією інерційних сил виникає так зване «осідання» – додаткова втрата висоти. Осідання в процесі виведення з пікірування зворотно пропорційно прирощуванню нормального перевантаження і прямо пропорційно квадрату вертикальної швидкості зниження перед початком виведення з пікірування – . Схему виконання пікірування наведено на рис. 3.1.6.

Рис. 3.1.6. Схема виконання пікірування

3.1.5. Маневрування у горизонтальній площині

3.1.5.1. Правильний віраж

Віраж – фігура пілотажу, під час виконання якої вертоліт розвертається в горизонтальної площині на 360^0, частина віражу називається розворотом

Віраж із креном до 45⁰ – неглибокий, з креном більше ніж 45⁰ – глибокий.

Правильний віраж – це віраж, який виконують зі сталими швидкістю і кутом крену без ковзання. Траєкторія правильного віражу – коло зі сталим радіусом (R) (рис. 3.1.7).

Якщо правильний віраж виконують з граничним для цієї швидкості значенням нормального перевантаження, то називається граничним віражем з перевантаження.

Рис. 3.1.7. Схема сил на правильному віражі

Рівняння руху на правильному віражі мають вигляд:

Виходячи з рівнянь руху на правильному віражі, можливо визначити його характеристики:

• радіус віражу:

• кутова швидкість розвороту:

• час розвороту на 360°:

3.1.5.2. Неправильний віраж

Неправильний віраж, на відміну від правильного, виконується з ковзанням. Ковзання може бути як внутрішнім, так і зовнішнім. Наявність ковзання зумовлює появу бічного перевантаження (n_z). Це призводить до відхилення повної аеродинамічної сили НГ (R_нг) від площини симетрії на кут крену:

Зовнішнє ковзання збільшує нахил R_нг у бік розвороту і водночас збільшує потрібне значення нормального перевантаження без зниження за цього кута крену:

Це потребує або збільшення потужності, або зміни швидкості для забезпечення нового значення наявного перевантаження. Зовнішнє ковзання погіршує пілотування вертольота і знижує безпеку польоту за виконання маневру на малих висотах.

За внутрішнього ковзання кут нахилу результуючої сили (R_нг) у бік розвороту зменшується, тому зменшується потрібне значення нормального перевантаження за заданого кута крену. Тому внутрішнє ковзання більш сприятливе з погляду безпеки польоту.

3.1.6. Просторове маневрування

Найбільш поширеним просторовим маневром є спіраль – маневр, який поєднує розвертання вертольота з набором висоти або зниженням. У першому випадку спіраль називають висхідною, в другому – низхідною.

Так само, як і віраж, спіраль може бути неглибокою – з кутом крену до 45⁰, або глибокою – з кутом крену більше ніж 45⁰.

Основними кінематичними характеристиками спіралі є:

• R – радіус розвертання;

• ω_сп – кутова швидкість розвертання;

• H_сп – крок спіралі – набір висоти за один виток, H_сп.

Якщо кінематичні характеристики траєкторії в процесі виконання спіралі не змінюються, то вона називається сталою.

Схему сил на висхідній спіралі наведено на рис. 3.1.8. Рівняння спіралі отримуємо з рівнянь руху віражу, підставивши в них умови сталої спіралі:

.

Рівняння руху в перевантаженнях матиме вигляд:

Рис. 3.1.8. Схема сил та кінематичні характеристики спіралі

Формули для розрахунків характеристик спіралі:

• радіус спіралі в горизонтальній площині ;

• кутова швидкість розвороту в горизонтальній площині ;

• час розвороту на 360⁰ за курсом ;

• вертикальна швидкість на спіралі ;

• крок спіралі .

У низхідній спіралі кут нахилу траєкторії, а також поздовжнє перевантаження будуть негативними.

Як порівняти з правильним віражем потужність двигунів, яка потрібна для виконання висхідної спіралі, має бути більше за таких саме значень кута крену і швидкості, тому що, крім розвороту, виконується і набір висоти. На рис. 3.1.9 наведено залежність вертикальної швидкості від кута крену за постійних значень швидкості і загального кроку.

Рис. 3.1.9. Залежність V_y від γ на спіралі якщо V=const і φ_зк=const:

1 – набір висоти; 2 – горизонтальний політ (віраж); 3 – авторотація

Попередня тема

На початок

Наступна тема