АЭРОМЕХАНИКА САМОЛЕТА

Динамика летательных аппаратов в атмосфере — раздел механики, в котором изучается движение летательных аппаратов в атмосфере (ГОСТ 20058—80). Применительно к самолету, движе­ние которого в значительной степени определяется аэродинамиче­скими силами, вместо по

Аэромеханика самолета рассматривает вопросы, связанные с ис­следованием траекторий движения самолета, его устойчивости и управляемости.

Без знания аэромеханики невозможно спроектировать, изготовить и грамотно эксплуатировать самолет, отвечающий заданным техни­ческим требованиям. Поэтому курс аэромеханики самолета занимает ведущее место в подготовке авиационного инженера по самолето­строению.

В своих методах исследования аэромеханика самолета опира­ется на основные положения теоретической механики, аэродинамики, теории двигателей, теории автоматического управления и других дисциплин. В свою очередь аэромеханика самолета используется при изучении таких дисциплин, как проектирование систем управ­ления полетом самолетов, прочность самолетов, конструирование и проектирование самолетов, техническая эксплуатация самолетов и др.

Методы расчета летных характеристик самолета, его устойчи­вости и управляемости постоянно развиваются и совершенству­ются.

Научная база, позволившая проектировать надежные летатель­ные аппараты тяжелее воздуха, была создана трудами наших сооте­чественников Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и их учеников, трудами ряда иностранных ученых.

Классические работы Н. Е. Жуковского «О прочности движения», «Теоретические основы воздухоплавания», «Динамика аэропланов в элементарном изложении» заложили основу теории полета. Н. Е. Жуковский постоянно заботился о том, чтобы теория была до­стоянием практиков. Он создал стройный метод аэродинамического расчета самолета, известный под названием метода тяг Н. Е. Жу­ковского, который применяется и в настоящее время.

Современная теория устойчивости движения летательных аппара­тов основывается на фундаментальной работе А. М. Ляпунова «Об­щая задача об устойчивости движения».

В годы Советской власти с развитием авиационной промышлен­ности росла и крепл’а авиационная наука. Был создан (1918 г.) Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), другие авиационные научно-исследовательские институты, в конструктор­ских бюро создавались новые самолеты, развивалась советская школа теории полета.

Важное место среди работ по динамике полета самолета зани­мают капитальные труды В.’ П. Ветчинкина «Динамика полета» (1927 г.) и «Динамика самолета» (1933 г.), В. С. Ведрова «Динами­ческая устойчивость самолета» (1938 г.), В. С. Пышнова «Аэродина­мика самолета» (1935—1938 гг. и 1943 г.), «Динамические свойства самолета» (1951 г.) и «Устойчивость и управляемость самолета» (1953 г.), И. В. Остославского и Г. С. Калачева «Продольная устой­чивость и управляемость самолета» (195Д г.), И. В. Остославского «Аэродинамика самолета» (1957 г.) и других авторов.

Последние десятилетия ознаменовались в авиации освоением новых высот и скоростей, созданием нового поколения авиационной техники.

Об успехах в нашей стране теоретических и экспериментальных исследований в области теории полета свидетельствуют достижения советского самолетостроения. Специалисты, работающие в — области динамики самолета, успешно решают задачи, связанные с созданием современных самолетов, обладающих высокими летно-техническими характеристиками и пилотажными свойствами.

Новым вкладом в исследовании механики полета самолета стали работы Л. М. Шкадова, Г, С. Бюшгенса, Р. В. Студнева, Н. М. Лы­сенко, И. М. Пашковского и других ученых.

Динамика полета современных самолетов — это стройная, по­стоянно обновляющаяся научная дисциплина, ‘позволяющая решать задачи анализа и исследования важнейших характеристик самоле­тов на всех этапах их создания, испытаний и эксплуатации.

Полет самолета с точки зрения механики является управляемым движением. Это означает, что при одних и тех же параметрах само­лета и начальных условиях может быть реализовано бесконечное множество возможных траекторий полета в зависимости от управ­ляющих воздействий летчика, программы работы автоматических средств управления, а также от внешних факторов, действующих на самолет в полете. Управляющие воздействия формируются целе­направленно для обеспечения самого полет^ и выполнения полетной задачи. Внешние факторы определяются условиями применения самолета, состоянием воздушной среды и т. п. и целенаправленному изменению не поддаются. До полета они, как правило, известны лишь приближенно, в среднем, и могут меняться как от полета к по­лету (например, при эксплуатации самолета в различных климати­ческих зонах, погодных условиях и т. п.), так и в ходе одного полета (атмосферная турбулентность, колебания температуры воздуха и

т. п.). В первом случае говорят обычно об изменении условий полета, во втором — о возмущающих воздействиях, возникающих в ходе полета.

Если при исследовании движения самолета как условия полета, так и возмущающие воздействия известны, а управляющие воз­действия заданы, то при данных начальных условиях уравне­ния его. движения решаются однозначно и полностью опреде­ляют изменение по времени всех переменных, характеризующих движение самолета. Решение уравнений движения в этом слу­чае обычно называют прямой задачей механики или задачей ана­лиза.

При реальном управлении самолетом, как правило, управляю­щие воздействия в явном виде не задают, а формируют в полете исходя из условия получения требуемого, программного характера движения. Так, при полете по маршруту летчику задают высоту по­лета (эшелон), скорость (график движения) и курс. Летчик контро­лирует значения этих параметров движения по приборам и парирует их отклонения от заданных значений, выбирая для этого в каждый момент времени требуемые отклонения управляющих органов в со­ответствии со своими навыками пилотирования самолета. Ту же задачу может решать и автопилот при автоматическом управлении самолетом в соответствии с заложенным в него законом управления. Определение требуемого управления, обеспечивающего заданный или желаемый характер движения, называют иногда обратной зада­чей механики или задачей управления[1].

Решение обратной задачи, имеет ряд особенностей, связанных с наличием возмущений, изменчивостью условий полета. Очевидно, в реальных условиях требуемые управляющие воздействия должны зависеть От конкретных текущих значений неопределенных или слу­чайных факторов, обеспечивать их парирование при отслеживании заданной траектории. При этом диапазон значений таких факторов обычно известен, а их воздействие на движение самолета ограничено. Это позволяет условно гразделить реальное движение и потребные управляющие воздействия на две составляющие. Первая составля­ющая рассчитывается из-условия получения желаемой траектории в некоторых средних условиях, при нулевых возмущениях и номи­нальных параметрах самого самолета,’Движение, рассчитанное для таких идеальных условий, и соответствующие ему управляющие воздействия называются обычно опорными. Характеристики опор­ного движения могут быть рассчитаны заранее для средних или пре­дельных условий полета и зависят только от вида заданной или желаемой траектории. ‘

‘ Вторая составляющая связана с действием возмущений или от­клонений, не учтенных в. опорном движении. В результате фактиче­ское, или, как его называют, возмущенное движение неизбежно от­личается от опорного. Однако такие отличия не могут быть значи­тельными, по крайней мере, при нормальных эксплуатационных условиях, иначе заданное движение не будет реализовано, а задача полета не будет выполнена. Близость фактического движения к заданному обеспечивается либо за счет собственной устойчивости движения самолета, либо за счет’- создания летчиком (или автомати­кой) дополнительных (по отношению к опорному значению) управ­ляющих воздействий, парирующих отклонения. Если принять ги­потезу малых возмущений, то можно весь круг задач, решаемых динамикой полета самолета (как прямых, так и обратных), разбить как бы на два уровня:

динамика опорного движения, динамика возмущенного движения.

При этом в опорном движении, как правило, рассматриваются те характеристики и показатели, на которые кратковременные слу­чайные возмущения влияют, слабо. Такими показателями являются в основном летно-технические характеристики (ЛТХ) самолета, относящиеся к полету в целом или его эт. апам и характеризующие возможности самолета и его соответствие тактико-техническим тре* бованиям. Летно-технические характеристики включают:

диапазоны высот и скоростей, в которых возможны безопасный полет самолета и выполнение определенных полетных задач с учетом ограничения допустимых режимов полета;.

дальность и продолжительность полета, радиус действия в зави­симости от заправки топливом и полезной нагрузки;

маневренные характеристики (радиус или. угловая скорость ви­ража, скороподъемность, время выполнения заданного маневра, действующие при этом на самолет перегрузки и т. п.);

взлетно-посадочные характеристики (включая характеристики при отказе дзигателя на взлете и посадке).

Отдельные показатели, входящие в ЛТХ, называют летными данными или характеристиками самолета.

Помимо этих характеристик в ЛТХ входит ряд технических показателей, описывающих грузоподъемность самолёта, его эксплу­атационные особенности (время наземного обслуживания, класс аэродромов, с которых он может эксплуатироваться, требования к системам обеспечения полета и т. п.), эффективность выполнения задачи полета, уровень безопасности, комфорта и т. п.

При проектировании требуемые значения летных данных опреде­ляются техническим заданием (ТЗ), а их фактические значения находятся на основе расчетов.

Расчет летных характеристик производится либо для некоторых стандартных условий, при которых сравниваются между собой тех­нические решения при проектировании, либо для ряда заданных условий из Диапазона, в котором предположительно будет эксплуа­тироваться самолет при различных вариантах его загрузки и за­правки топливом. Летно-технические характеристики определяются как интегральные (время, затраты топлива, пройденная даль­ность для полета в целом или его этапа) или предельные (потолок, максимальная скорость набора высоты и т. п.) характеристики тра­екторий движения центра масс самолета.

Для нахождения летных данных требуется обычно либо выпол­нить расчет траекторий, соответствующих этапам полета с заданной, чётко определенной программой управления для ряда характерных типовых маневров (прямая задача), либо определить требуемые управляющие воздействия, обеспечивающие заданный режим по­лета (задача управления). Для оценки предельных значений инте­гральных показателей проводится оптимизация программы управ­ления самолетом при маневре (задача оптимизации).

Под маневром обычно подразумевают сравнительно короткий этап полета, целью которого является то или иное изменение пара­метров движения центра масс самолета — скорости, высоты, курса, дальности и т. п. Если для достаточно продолжительного этапа полета задана программа изменения скорости, высоты, угла наклона траектории и т. п., то обычно говорят о выдерживании определен­ного режима полета с заданными параметрами. Важное значение при расчете летных характеристик самолета имеет анализ устано­вившихся режимов полета — режимов, при которых основные кине­матические параметры движения постоянны или меняются доста­точно медленно.

Опорное движение рассматривается не только при расчете летно­технических характеристик самолета, но и при решении большинства задач, связанных с расчетом траекторий и анализом движения центра масс самолета, так как влияние возмущений — на характеристики движения центра масс самолета (так называемое «траекторное» движение) обычно невелико. Без учета возмущений решается обычно и задача оптимизации траекторий по какому-либо интегральному показателю (время, затраты топлива и т. п.).

Особенностью расчета опорного движения является то, что для него в каждый момент времени требуемые значения управляющих воздействий известны или могут быть определены, причем без учета возмущений.

В опорном движении оцениваются также некоторые показатели управляемости — так называемые ‘ балансировочные или статиче­ские характеристики. При этом устанавливается соответствие между требуемыми значениями управляющих воздействий и заданным опорным режимом полета. Определив потребные управляющие воздействия, можно оценить характер их изменения в зависимости от параметров движения, а также соответствие располагаемым зна­чениям, поскольку управляющие воздействия ограничены. Оче­видно, разность между располагаемыми и потребными управляющими воздействиями на любых расчетных режимах полета должна обеспе­чивать парирование возмущений.

Что касается возмущенного движения, то здесь две задачи — проверить, действительно ли отклонения от опорного движения при действии тех или иных возмущений малы (задача устойчивости) и оценить, какие управляющие воздействия требуются для париро­вания возмущений и какие запасы на управление в возму­щенном движении требуется предусмотреть (задача управляе­мости) .

Заметим, что методы решения задач устойчивости и управляе­мости отличаются от методов расчета траекторий и определения ЛТХ самолета. Эти задачи обычно рассматривают отдельно. Следует лишь помнить, что без обеспечения устойчивости и управляемости самолета безопасный полет и выполнение полетного задания вообще невозможны, так что решение задач второго уровня —- необходимое условие для рассмотрения первого. Требования к устойчивости и управляемости самолета поэтому нормируются.[2] Самолет, не удовле­творяющий этим требованиям, к эксплуатации не допускается. С дру­гой стороны, именно летные характеристики самолета определяют тот диапазон режимов полета, для которого нужно исследовать устойчивость и управляемость, так что решение этих задач взаимо­связано.

И расчет траекторий, и анализ устойчивости и управляемости самолета могут проводиться для различных условий его эксплу­атации.

Под условиями эксплуатации самолета при этом понимаются обычно параметры состояния воздушной среды, включая возможные ее активные воздействия (порывы ветра, обледенение и т. п.), по­годные условия, состояние ВПП, условия загрузки самолета, а также характеристики движения самого самолета — режимы полета, режимы работы двигателей, конфигурация самолета, т. е. положение его шасси (выпущено или убрано), механизации крыла (убрана, находится во взлетном, предпосадочном или. посадочном положении,) для самолетов с изменяемой стреловидностью — угол стреловидности и т. п.

При выборе расчетных случаев различают основную, эксплуата­ционную и предельную область условий эксплуатации.

Основная область это режимы полета, которые реализуются практически в каждом полете и на которых выполняется основная задача полета и условия, возникающие достаточно часто.

К эксплуатационной области относятся режимы и условия по­лета, которые могут возникнуть при нормальной массовой эксплу­атации самолета.

Наконец, предельная область — режимы и условия полета, которые достигаются только в особых случаях. Выход за границу предельной области недопустим и ведет к нарушению условий бе­зопасности полета.

Спроектированный с учетом требований безопасности для вы­полнения определенных задач в расчетных условиях самолет затем проходит цикл летных испытаний, в процессе которых осуществля­ется доводка его характеристик в соответствии с техническими

требованиями и нормами и уточняются допустимые при эксплуатации режимы и условия полета.

На основе расчетов и испытаний составляется ^«Руководство по летной эксплуатации» (РЛЭ), регламентирующее способы и ус­ловия эксплуатации самолета. В’процессе эксплуатации расчеты траекторий, оценка устойчивости и управляемости осуществляются при модификации самолета, расширении сферы его использования, для повышения эффективности применения в новых условиях или с учетом накопленного опыта.

Таким образом, подходы и методы динамики полета (аэромеха­ники) используются для решения технических задач, возникающих на всех стадиях жизненного цикла самолета.