Stateczność samolotu

Z Wikipedii

Samolot jest strukturą przestrzenną, odkształcalną (pod wpływem obciążeń) i odkształcaną (w celu sterowania), która wraz z oddziaływującym nań przepływem powietrza tworzy układ o określonych właściwościach dynamicznych. Do podstawowych właściwości tego układu należy jego zachowanie się w wyniku działania zakłóceń lub/i sterowania, czyli sterowność i stateczność ruchu.

Zagadnieniami tymi zajmują się działy nauk stosowanych zwane mechaniką lotu oraz aeroelastycznością.

Układ ze strukturą odkształcalną i odkształcaną ma wiele stopni swobody i opisany jest nieliniowymi równaniami różniczkowymi, nie mającymi ogólnych rozwiązań analitycznych. Mogą być one jednak rozwiązywane numerycznie dla poszczególnych przypadków.

Główne postacie statecznych i niestatecznych zachowań samolotu mogą być jednak jakościowo (a w przypadku klasycznych konstrukcji także dość dokładnie ilościowo) analizowane przy stosowaniu uproszczeń, takich jak:

• przyjęcie nieodkształcalności konstrukcji
• przyjęcie nieruchomości powierzchni sterowych (stateczność ”z trzymanym drążkiem”) lub nieaktywności powierzchni sterowych (stateczność „z puszczonym drążkiem’)
• założenie, że odchylenia są niewielkie

Prowadzi to do ograniczenie liczby stopni swobody do sześciu a także pozwala na rozdzielenie w opisie matematycznym ruchów symetrycznych (pochylenie) od niesymetrycznych (przechylenie i odchylenie).

Uzasadniona jest także linearyzacja równań.

W wyniku otrzymuje się następujące postacie ruchu, zachodzące też w rzeczywistości:

• oscylacje szybkie kąta nachylenia, o okresie kilku sekund, silnie tłumione i dlatego zanikające, odczuwane jak wynik oddziaływania turbulencji atmosferycznych. Środek masy odchyla się nieznacznie od linii prostej, zmienia się kąt natarcia i przeciążenie.
• oscylacje fugoidalne, czyli wolne (o okresie kilkudziesięciu sekund) zmiany kąta nachylenia przy stałym kącie natarcia, ale zmieniającej się szybkości i wysokości. Ta postać ruchu jest słabo albo wcale nie tłumiona, ale ze względu na wolny przebieg nie wymaga szczególnej koncentracji od pilota i jest wręcz niezauważana, oscylacje są wytłumiane odruchowo odpowiednim sterowaniem.
• holendrowanie, sprzężone przechylanie z odchylaniem od kursu
• niestateczność spiralna, gdy przechylenie sprzężone jest z odchylaniem od kursu w jedną stronę, połączonym z gwałtowną utratą wysokości.

Warunkiem koniecznym stateczności kąta natarcia, odpowiadającej szybkim oscylacjom tłumionym, jest tak zwana stateczność statyczna.

Na rys.5 przedtawiono uproszczoną sytuację ustalonego lotu poziomego; warunki równowagi i stateczności w rozumieniu zachowania się samolotu bezpośrednio po wytrąceniu z tego stanu to:

Warunek równowagi:

Pz + Pzh= mg

Pz x a= Pzh x (a+b)

Warunek stateczności statycznej:

co określa maksymalne przesunięcie środka masy do tyłu zapewniające jeszcze stateczność statyczną i sprowadza się do wymagania, aby moment względem środka masy od powiększenia siły nośnej na skrzydle i na usterzeniu wysokości działał w kierunku zmniejszenia kąta natarcia.

Oznaczenia:

Pz – siła nośna skrzydła

Pzh – siła nośna usterzenia wysokości

'a' i 'b' określają położenie sił nośnych na skrzydle i usterzeniu względem środka masy.

α – kąt natarcia

Lot samolotu niestatecznego statycznie jest bez interwencji pilota niemożliwy i prowadzi do przeciągnięcia lub zniszczenia przez przeciążenie. Jeżeli powiększanie pochylenia jest wolne – zdwojenie zachodzi w czasie rzędu 10 sekund, pilotaż jest możliwy, ale męczący. Stosuje się wtedy systemy automatycznej stabilizacji zapewniające sztuczną stateczność, zyskując w zamian polepszenie sterowności samolotu, jego zdolności do szybkiego manewru z większym przeciążeniem, co jest istotne dla samolotów bojowych. Samolot bardzo stateczny ma ograniczoną zwrotność. Statecznośc można ograniczyć lub doprowadzić do niestateczności w pochyleniu przesuwając do tyłu środek masy. Robi się tak niekiedy w czasie lotów doświadczalnych - na przykład mocując balast w tylnej części kadłuba.