KITPLANES, 16 июня, 2017 г.
Автожиры
Часть 3
Barnaby Wainfan
Ссылка
Подобно «классической» машине Бенсена, этот «современный» автожир не имеет горизонтального хвостового оперения.
Последние несколько месяцев мы рассматривали автожиры. В этом месяце мы уделим особое внимание устойчивости по тангажу и управляемости.
В полете автожир держится в воздухе за счет направленной вверх подъемной силы его вращающегося несущего винта. Как мы обсуждали в прошлом месяце, лопасти несущего винта могут совершать маховыедвижения или, в случае качельного несущего винта, качаться, и, соответственно, несущий винт не может передавать момент непосредственно на мачту через ось вращения.
Пилот управляет углом наклона плоскости вращения несущего винта относительно корпуса автожира. Двигая ручку управления, он управляет направлением вектора подъемной силы несущего винта (rotor thrust vector, RTV).
В этой статье я называю «корпусом» автожира все, что подвешено к несущему винту. Корпус типичного автожира не имеет аэродинамических элементов управления (по крену и тангажу), и поэтому пилот только косвенно управляет его положением, наклоняя вектор подъемной силы несущего винта.
Положение и смещение корпуса по тангажу будут определяться положением вектора подъемной силы несущего винта (RTV) относительно центра тяжести (ЦТ) тела, аэродинамическими силами, действующими на сам корпус в зависимости от его формы и угла атаки, а также вектором тяги двигателя и воздушного винта.
Это существенное отличие «современных» автожиров от их ранних моделей. До появления непосредственного управления несущим винтом автожиры управлялись по тангажу по-самолетному, т.е. рулями высоты, расположенными на горизонтальном оперении. Положение оси вращения ротора и, следовательно, плоскости вращения ротора относительно остальной части автожира было фиксированным. Эта схема работала хорошо, пока имелась необходимая поступательная скорость полета, но почти не работала на низких скоростях полета и при крутых спусках с малой поступательной скоростью.
Характеристики устойчивости и управляемости «современной» конфигурации автожира, управляемого путем ориентации вектора подъемной силы несущего винта, сильно отличаются от таких характеристик «классического» автожира. Это особенно относится к аппаратам типа Bensen, не имеющих горизонтального хвостового оперения.
Приведенный ниже анализ представляет собой значительно упрощенный взгляд на квазистатическое управление по тангажу и устойчивость автожира. В нем не учитываются эффекты детальной динамики несущего винта и взмахов лопастей, но он достаточно точен, чтобы проиллюстрировать некоторые важные явления.
Сначала мы рассмотрим автожир без горизонтального хвостового оперения и с линией тяги двигателя/винта, проходящей прямо через центр тяжести, чтобы исключить влияние эксцентриситета тяги. Для дальнейшего упрощения анализа предполагается, что корпус без несущего винта не создает аэродинамического момента по тангажу и имеет по тангажу нейтральную аэродинамическую устойчивость.
Балансировка
Для того чтобы летательный аппарат находился в равновесии, сумма всех моментов, действующих в ЦТ, должна быть равна нулю. В нашем примере автожира вес действует вниз через ЦТ, а тяга несущего винта действует на мачту в направлении, перпендикулярном к плоскости вращения несущего винта.
Для того чтобы летательный аппарат был сбалансирован, несущий винт должен быть ориентирован таким образом, чтобы вектор подъемной силы (RTV) проходил через ЦТ. Установившаяся плоскость вращения несущего винта в горизонтальном полете будет иметь наклон назад относительно направления полета, чтобы создать положительный угол атаки на диске несущего винта. Исходя из этого, ЦТ корпуса будет находиться несколько впереди мачты так, чтобы линия, проведенная из оси несущего винта в ЦТ была перпендикулярна диску несущего винта на крейсерском режиме полета.
В установившемся горизонтальном полете вектор подъемной силы (RTV) проходит непосредственно через центр тяжести (ЦТ). Если ротор наклонить назад от балансировочного положения, линия RTV пройдет впереди ЦТ и появится положительный момент по тангажу, вызывающий поднятие носовой части вверх. Если ротор наклонить вперед от балансировочного положения, то появится отрицательный момент по тангажу и носовая часть наклонится вниз.
Эффект этого проиллюстрирован на рисунке 1, на котором показан момент по тангажу нашего примера автожира при трех различных углах наклона несущего винта (rotor incidence) в зависимости от угла атаки корпуса (
Body Angle of Attack).
Рис. 1: Изменение коэффициента момента по тангажу от угла атаки корпуса автожира (Body Angle of Attack) в зависимости от угла наклона плоскости вращения несущего винта (rotor incidence). Автожир сбалансирован при угле наклона плоскости несущего винта 7,13 градуса. При угле 9,13, носовая часть будет подниматься вверх, а при угле 5,13 -будет наклоняться вниз.
Сначала посмотрим на график НВ отклоненного на 7,13 градуса. Это положение несущего винта, при котором автожир находится в сбалансированном состоянии. Его ЦТ размещен достаточно далеко впереди мачты, чтобы обеспечить балансировку машины при нулевом угле атаки корпуса в крейсерском режиме. Угол 7,13 градуса - это угол наклона назад плоскости вращения НВ, при котором относительно эффективный несущий винт с аэродинамическим качеством L/D = 8, может реализовать свое максимальное аэродинамическое качество.
Как и было показано, момент по тангажу равен нулю при нулевом угле тангажа корпуса. Важно отметить, что он также равен нулю при всех других углах тангажа.
Это связано с тем, что, в отличие от крыла, ротор создает результирующую подъемную силу, перпендикулярную плоскости вращения. При этом вектор подъемной силы (RTV) наклоняется вместе с аппаратом при изменении угла атаки автожира и, следовательно, его положение относительно центра тяжести не меняется.
Это принципиальное различие между автожиром и мотодельтапланом. Подъемная сила крыла действует по существу перпендикулярно воздушному потоку. При изменении угла атаки, даже при изменении лобового сопротивления, суммарный результирующий вектор подъемной силы крыла остается близким к тому же положению, т.е. перпендикулярно воздушному потоку. Например, когда мотодельтаплан поднимает нос, центр тяжести перемещается вперед относительно вектора подъемной силы, что создает стабилизирующий момент, возвращающий нос обратно вниз. На автожире вектор тяги несущего винта наклоняется вместе с аппаратом, и стабилизирующий момент не создается.
Это означает, что идеальный автожир без горизонтального оперения, сбалансированный в полете, имеет нейтральную устойчивость по тангажу. И если на него подействовал возмущающий порыв ветра или было перемещение ручки управления у автожира не создается аэродинамических моментов, возвращающих его к исходному углу атаки. Это показано на рисунке 1 для НВ наклоненного на угол 7,13 градуса (синяя линия). Изменение угла атаки аппарата не приводит к изменению момента по тангажу.
Теперь обратим внимание на две другие линии на рисунке 1. Они представляют ситуацию с НВ, наклоненным от балансировочного положения на (+2) (оранжевая линия) и (-2) градуса (серая линия) соответственно.
Взглянув сначала на верхнюю кривую, мы видим результат того, что пилот потянул ручку управления на себя, чтобы отклонить несущий винт назад и поднять носовую часть. Вектор подъемной силы (RTV) теперь будет наклонен назад относительно головки несущего винта, так что линия его действия пройдет перед ЦТ. Обратите внимание, что при всех углах атаки корпуса существует чистый положительный момент по тангажу на поднятие носовой части вверх. Кроме того, величина момента растет с увеличением угла атаки корпуса. Эти два эффекта означают, что аппарат имеет постоянно действующий момент на поднятие носовой части, а также он неустойчив по тангажу. Если пилот зафиксирует ручку управления в этом положении, автожир будет задирать нос вверх со все возрастающей скоростью. И если ручка будет далее зафиксирована в этом положении автожир так и не будет сбалансирован при большем угле атаки с меньшей скоростью полета.
Посмотрев на нижнюю кривую, мы увидим эффект от дачи ручки от себя и ее удержания в этом положении. Вектор подъемной силы (RTV) теперь наклонен вперед и линия его действия проходит позади ЦТ. Появляется отрицательный момент по тангажу на опускание носа, который растет с увеличением угла атаки корпуса. Это устойчивая тенденция, автожир находится в несбалансированном состоянии опуская нос вниз, пока есть положительная (направленная вверх) подъемная сила несущего винта. Если ручку удерживать в этом положении без крена при положительной перегрузке автожир будет наклоняться вниз со все возрастающей скоростью. В этом графическом анализе существует балансировочная точка при нулевой подъемной силе несущего винта, но это недостижимо в реальном мире, поскольку обороты несущего винта будет падать, и лопасти станут увеличивать маховые движения задолго до того, как будет достигнуто состояние невесомости.
Следствие
Последствия этих особенностей продольных летных характеристик при пилотировании огромны. На устойчивом самолете пилот управляет углом атаки ручкой управления. Если самолет летит в сбалансированном установившемся режиме и пилот хочет лететь медленнее, ручка управления перемещается назад в новое положение и удерживается там. Самолет в ответ увеличивает тангаж и переходит в новое сбалансированное состояние с большим углом атаки. Чтобы лететь быстрее, ручку отдают вперед, и снова самолет реагирует, уменьшает тангаж до своего нового балансировочного угла атаки и стабилизируется на нем. Балансировочное положение ручки постоянно перемещается назад по мере уменьшения скорости полета, и каждое положение ручки однозначно балансирует самолет на определенном угле атаки.
Ничто из вышеперечисленного не подходит для пилотирования автожира.
Пилот самолета или мотодельтаплана управляет балансировочным углом атаки положением ручки управления или поперечины трапеции.
Пилот автожира управляет ручкой управления скоростью изменения угла тангажа. Автожир сбалансирован только при одном положении ручки управления, когда вектор подъемной силы (RTV) проходит непосредственно через центр тяжести. В этом положении моменты равны нулю, и пилот не может управлять углом тангажа. Поскольку автожир нейтрально устойчив, если появилось какое-либо изменение угла тангажа, а ручка управления находится в балансировочном положении, это изменение угла тангажа будет продолжаться. Чтобы остановить его, пилот должен отклонить несущий винт, чтобы создать противоположное действие по тангажу, а затем вернуть ручку в балансировочное положение, когда величина изменения тангажа станет нулевой.
Изменение воздушной скорости автожира многоступенчатый процесс. Пилот должен сначала переместить ручку управления в направлении желаемого изменения угла тангажа. Это заставит автожир войти в режим постоянно увеличения угла тангажа. По мере того, как угол тангажа приблизится к желаемому, ручку нужно переместить в противоположном направлении, минуя балансировочное положение, чтобы создать противоположное усилие и остановить изменение угла тангажа. Когда скорость изменения тангажа достигает нуля (в идеале при желаемом положении аппарата), пилот должен переместить ручку управления в балансировочное положение, чтобы зафиксировать новое положение аппарата.
В полете, пилот должен непрерывно перемещать ручку управления серией небольших движений, сначала в одну сторону, затем в другую, чтобы поддерживать величину изменения угла тангажа близкой к нулю и сохранять необходимое положение аппарата. Поскольку автожир нейтрально устойчив, скорость изменения тангажа не исчезнет сама по себе, и пилоту будет необходимо постоянными активными движениями ручки поддерживать устойчивость автожира.
Это может привести к неприятностям несколькими способами.
Во-первых, инстинкты пилота самолетчика неприменимы к автожиру. Пилот самолета, который не понимает разницы в принципах управления, при переходе с самолета на автожир, в конечном итоге, скорее всего, переусердствует с управлением, отслеживая положение аппарата.
Во-вторых, по мере увеличения скорости полета величина изменения угла тангажа, определяемая заданным перемещением ручки управления, будет увеличиваться пропорционально квадрату скорости полета. Это означает, что по мере увеличения скорости полета управление по тангажу будет быстро становиться более чувствительным. Машина, которая реагирует относительно медленно в полете с малой скоростью, будет реагировать гораздо быстрее в крейсерском режиме. По мере увеличения чувствительности управления по тангажу скорость реакции пилота при переходе на необходимый угол тангажа должна соответственно увеличиваться, и пилоту будет все труднее за этим угнаться.
Если реакции пилота отстанут от реакции аппарата, действия пилота приведут к колебаниям по тангажу, которые могут быстро достичь такой степени, что в крайнем положении носом вниз несущий винт будет наклонен назад достаточно далеко и может задеть хвост или пропеллер, что приведет к катастрофе.
Таким образом, пилот с небольшим опытом полетов на автожире или пилот, осваивающий более высокую скорость полета, чем ту, на которой он летал раньше, может быстро попасть в беду.
До сих пор мы рассматривали только идеализированную машину без горизонтального хвостового оперения и с линией тяги двигателя, проходящей через центр тяжести. В следующем месяце мы начнем исследовать, как другие особенности конфигурации автожира влияют на его летные качества.