Характеристики бокового возмущенного движения

Расширение диапазона высот и скоростей полета приводит к значительному изменению характеристик боковой устойчивости и

управляемости самолета по режимам полета.

В большинстве случаев боковое возмущенное движение самолета может быть представлено совокупностью трех составляющих движения:

—боковое колебательное движение;

—апериодическое движение крена;

—апериодическое спиральное движение.

В связи с этим характеристическое уравнение бокового движения можно представить в виде:

* = {Р “Акр )(Р-Асп)(/>2+2 0 (6.19)

где: А кр, А сп —корни движения крена и спирального движения;

$і, сої —декремент затухания и недемпфированная частота бокового колебательного движения.

Боковое возмущенное движение современных пассажирских и транспортных самолетов без систем автоматического улучшения устойчивости и управляемости практически на всех режимах полета имеет слабое затухание колебаний, а на малых скоростях полета вследствие взаимосвязи движений крена и рыскания возможно возникновение колебательной неустойчивости самолета. Апе­риодические составляющие бокового возмущенного движения са­молета характеризуются:

—небольшой постоянной времени движения крена (Т іф=1/А кр) практически на всех эксплуатационных режимах полета вследствие большой величины демпфирующего момента крена ( );

—наличием спиральной устойчивости самолета на малых скоростях полета из-за излишней степени поперечной статической устойчивости (wj).

Известно, что наибольшие трудности в обеспечении удовлетвори­тельных характеристик боковой устойчивости самолета представляет получение хороших характеристик колебательного движения — времени его затухания, которое определяется по времени уменьшения амплитуды колебаний до 5% начальной величины. На самолетах прошлого поколения, на которых не применялись автоматические устройства в системе штурвального (ручного) управления, удовлетворительные характеристики бокового возмущенного

движения обеспечивались за счет выбора поперечного "Vя крыла и площади вертикального оперения, что приводило к значительному утяжелению конструкции самолета, и в настоящее время—это экономически невыгодно. Поэтому на современных самолетах удов­летворительные характеристики бокового возмущенного движения на всех эксплуатационных режимах полета обеспечиваются путем использования автоматических устройств (демпферов рыскания и крена с перекрестной связью и др.).

Проведенные исследования показали, что установка демпфера крена значительно улучшает характеристики боковой устойчивости и управляемости, особенно при полете на малых скоростях. Однако использование демпфера крена приводит к некоторому уменьшению располагаемых моментов для поперечного управления и, сле­довательно, к уменьшению максимальных значений угловых ско­ростей крена и к уменьшению частоты боковых колебаний, что нежелательно, Кроме того, на самолетах, использующих только интерцепторы как органы поперечного управления, использование демпфера крена может привести к увеличению аэродинамического сопротивления самолета, особенно при полете в турбулентной атмосфере, что также нежелательно. Как показывают исследования, на современных пассажирских и транспортных самолетах с крыльями большого удлинения представляется возможным обеспечить хорошие характеристики боковой устойчивости и управляемости и без использования демпфера крена.

На рис. 6.24 приведены постоянные времени движения крена Ткр и частоты собственных боковых колебании і ряда современных самолетов с крыльями большого удлинения (А=9,5 "г 10,5) для режима захода на посадку. Из этого графика следует, что с увелче — нием массы самолета уменьшается собственная частота боковых колебаний и увеличивается постоянная времени движения крена.

Для этих самолетов на режиме захода на посадку величина постоянной времени крена не превышает Т кр^ Ь0~^ 1,1с, т. е. критерий, определяющий движение самолета по крену, получается удовлетворительный и без использования демпфера крена; хорошие характеристики колебательной и спиральной устойчивости самолета с
крыльями большого удлинения могут быть обеспечены путем соответствующего выбора закона работы демпфера рыскания.

На тяжелых пассажирских и транспортных самолетах вследствие неблагоприятного влияния весовой составляющей {g/ V) на боковое возмущенное движение и большой величины отношения

обычный демпфер рыскания становится малоэффективным,

особенно при полете самолета с отклоненной механизацией.

передаточная функция может быть представлена в виде:

■ <цу _ М6у (/> ~ Ао) (Р 2Н~2 со?. )

а, (^-Л крХ^-ЛспХ^+г ьр+аъ >

Исследования показали, что отношение квадратов частот нуля и полюса сої/col этой передаточной функции является важным параметром, определяющим эффективность работы демпфера рыскания. Приближенное выражение этого отношения имеет вид:

(б.2і:

1-Му

ІХу Шх 1у 1х)

Производные шгх и ш1у определяются в полусвязанной системе координат.

Расчеты показывают, что для неманевренных самолетов на всех режимах полета значение отношения ал лежит в пределах от нуля до единицы. Если величина этого отношения мала и близка к нулю, то применение демпфера рыскания приводит к значительному улучшению затухания бокового возмущенного движения, а если величина его близка к единице, то применение демпфера рыскания мало увеличивает демпфирование боковых колебаний, т. е. эффективность работы демпфера рыскания мала. Такая малая эффективность работы обычного демпфера рыскания проявляется на современных магист­ральных самолетах на малых скоростях полета и на режимах взлета и посадки.

Очень хорошим средством увеличения эффективности работы демпфера рыскания на малых скоростях полета является использование дополнительного сигнала по углу крена, который компенсирует неблагоприятное влияние весовой составляющей ё/ V на боковое возмущенное движение. В этом случае закон работы демпфера рыскания будет:

Д Sн~ К с» • ajy-~Kv ‘У (6.22)

где Kv=g/V[l/cl

Как уже отмечалось (см. рис.6.24), для пассажирских и транс­портных самолетов при полете на режимах взлета и посадки (малые скорости полета) характерны низкие собственные частоты боковых колебаний и достаточно большие величины собственного демпфирования движения крена. Это является причиной того, что изменение угловой скорости рыскания и угла крена в боковом возмущенном движении близки по фазе. Поэтому дополнинтльный сигнал по углу крена в законе работы демпфера рыскания является весьма эффективным средством улучшения работы демпфера рыскания, особенно на малых скоростях полета самолета.

На рис 6.25 приведены траектории корней характеристического
уравнения бокового движения самолета при изменении передаточного числа KWy демпфера рыскания при двух законах работы. Из анализа корневых траекторий, построенных для режима захода самолета на посадку (fl’~6°), следует, что при выбранном в качестве примера передаточном числе демпфера рыскания КШу =3с декремент затухания колебаний бокового возмущенного движения при обычном законе работы демпфера рыскания (Адц = Кajy • аь>) равен.£= —0,22, а при использовании дополнительного сигнала по углу крена декремент затухания колебаний увеличивается до і — 0,39; вследствие этого время затухания бокового возмущенного движения самолета уменьшается примерно в 1,8 раза.

Зо£Сод_на по с о Эк і/

<у — б’ о£-£о*

Рис.6.25. Траектории корней характеристического уравнения бокового движения самолета при изменении передаточного числа демпфера рыскания (заход на посадку и режимы полета на больших углах атаки)

При использовании закона работы демпфера рыскания (6.22) с увеличением передаточного числа КШя заметно увеличивается декремент затухания боковых колебаний самолета даже при выходе самолета на очень большие углы атаки (ff~ 20°). Следовательно, использование в законе работы демпфера рыскания дополнительно сигнала по углу крена позволяет значительно повысить эффективность его работы и тем самым обеспечить хорошие

характеристики затухания колебаний бокового возмущенного движения неманевренного самолета на всех эксплуатационных режимах полета, включая большие углы атаки. При этом достаточное быстродействие самолета по крену (кр~Іс) обеспечивается собственным аэродинамическим демпфированием крыла самолета.

На современных неманевренных самолетах с демпфером рыскания для улучшения характеристик боковой управляемости

применяют фильтр Тр+Ї^так называемь, й “виражный механизм”),

однако введение этого фильтра уменьшает демпфирование боковых колебаний самолета, что нежелательно. Для устранения этого недостатка и сохранения свойства “виражного механизма целесообразно в демпфере рыскания использовать фильтр с передаточной функцией

Tip 1

Wmax

где літах — максимальная частота боковых колебаний самолета на крейсерском режиме полета,

ctimin — минимальная частота боковых колебаний самолета на малых скоростях полета. Для магистральных самолетов она может быть принята 0,35-^0,40 l/c

Таким образом, закон работы демпфера рыскания на малых скоростях полета для дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов можно записать в виде:

■где коэффициент /^1 — 1,15.

Обычно в автоматике системы штурвального управления

і

современных самолетов используют сигналы с датчиков угловых скоростей. Поэтому в законе работы демпфера рыскания целесообразно заменить сигнал угла крена на сигнал угловой скорости крена ь>х, используя известную связь у ~а>х. Тогда закон работы демпфера рыскания можно записать в виде:

Щ_ L

Шу КШу* СОх

Tip+1 1

Ті

(Ті/>+1)(Т2/>+1)

Для обеспечения хороших характеристик боковой устойчивости самолета на взлетных и посадочных режимах передаточное число демпфера рыскания КШу обычно близко к КШу ~ 2,5 — г Зс. При этом передаточное число Kv можно не регулировать по скорости полета и считать его постоянным и равным 0,12 l/c.

На больших скоростях полета влияние весовой составляющей (g/V) на боковое возмущенное движение самолета мало, поэтому для полета самолета в крейсерской конфигурации можно исключить сигнал угловой скорости крена по сигналу положения закрылков, и тогда закон работы демпфера рыскания будет иметь вид:

OJy * OJy

Щ_ L

Tip+1 Tzp—

При этом, как показали исследованя, передаточное число демпфера рыскания КшУ на этих режимах, можно несколько уменьшить.

На рис.625 и 6.26 приведены траектории корней характеристичес­кого уравнения бокового возмущенного движения для пассажирского тяжелого самолета с рассматриваемыми законами (6.24) и (6.25) работы демпфера рыскания (без демпфера крена) при различных передаточных числах Ко». Из рассмотрения этих корневых траекторий следует, что у самолета с демпфером рыскания, работающим по закону (6.24), с увеличением передаточного числа КыУ значительно возрастает декремент затухания бокового

возмущенного движения (f) практически без изменения частоты боковых колебаний самолета. При К соу=3,0 для взлетных и посадочных режимов и Ка>у~ 1,0 для полета самолета в крейсерской конфигурации обеспечиваются хорошие характеристики затухания бокового возмущенного движения без использования демпфера крена: время затухания боковых

3

колебаний самолета /зат= —

Юс; постоянная времени крена Ткр^ 1с; постоянная времени спирального движения Тсп ^ 40с и

период боковых колебаний Т=

Для современных пассажирских самолетов должно быть проверено наличие спиральной устойчивости, т. е. Ас*<0. Большая степень неустойчивости спирального движения недопустима вследствие быстрого ухода самолета от исходного режима полета. В отечественных рекомендациях, указывается, что время удвоения угла крена должно быть tym. > 20 с. Тогда постоянная времени спирального движения должна быть

Іуду ^ 0,7

Из характеристического уравнения бокового возмущенного движения Л4+Л3Л3+^42А2+Л1Л+Ло=0 можно приближенно

(6.26)

Апериодическая неустойчивость бокового движения определяется знаком и величиной А). Наибольшая степень спиральной неустойчивости проявляется на малых скоростях полета, так как на

этих режимах полета весовой членит оказывает очень большое

влияние.