Крутящий момент и Р-фактор. Спиральный эффект. Гироскопическое действие

С точки зрения пилота, крутящий момент (стремление ЛА к левому повороту) состоит из четырёх элементов, которые вызывают или создают изгибающее или вращающее движение вокруг по меньшей мере одной из трёх осей ЛА. Эти четыре элемента:
реактивный момент двигателя и воздушного винта;
спиральный эффект спутной струи;
гироскопическое действие воздушного винта;
асимметричная нагрузка на воздушный винт (Р-фактор).

Возникновение реактивного момента связано с Третьим законом Ньютона — каждое действие вызывает равное и противонаправленное противодействие. В применении к ЛА это означает, что, в то время как внутренние части двигателя и воздушный винт вра­щаются в одном направлении, равная по величине сила пытается повернуть ЛА в противоположном направлении (рис. 4-39).

Когда ЛА находится в воздухе, эта сила действует вдоль продольной оси, стремясь накренить ЛА. В прошлом, чтобы уравновесить стремление к крену, некоторые самолёты конструировали таким образом, чтобы крыло, на которое оказывается большее давление вниз, создавало большую подъёмную силу. В современных ЛА в конструкции двигателя предусматриваются элементы, противодействующие эффекту крутящего момента.

ЗАМЕЧАНИЕ. Большинство двигателей для самолётов американского производства вращают воздушный винт по часовой стрелке, если смотреть со стороны кресла пилота. Европейские двигатели (в том числе и российские) в большинстве своём вращают винт против часовой стрелки. С несущими винтами вертолётов всё наоборот. В американских вертолётах винт вращается против часовой стрелки, в европейских — по часовой. В выше­приведенных рассуждениях рассматривается двигатель, вращающий воздушный винт по часовой стрелке.

Обычно при проектировании ЛА изначально предусматриваются факторы, которые полностью уравнове­шивают кренящую силу на крейсерской скорости, поскольку большую часть времени ЛА двигается именно на этой скорости. Однако триммеры элерона препятствуют такому уравновешиванию в других скоростных режимах.

Когда во время разбега при взлёте шасси ЛА ещё движутся по земле, реактивный момент вызывает добавочное вращение ЛА вокруг вертикальной оси. Реактивный момент создаёт силу, которая давит на левую сторону ЛА, стремясь опустить её. Поэтому на левую стойку шасси приходится больший вес, чем на правую. В результате левое колесо испытывает большее наземное трение (или сопротивление), чем правое, что вызывает дополнитель­ное стремление к повороту влево. Величина этого момента зависит от многих переменных. Вот некоторые из них:
размер и мощность двигателя;
размер и угловая скорость воздушного винта;
размер самого ЛА;
состояние поверхности земли.

Этот момент рыскания во время разбега при взлёте должен гаситься путевой балансировкой или пилотом (с помощью руля направления).

Спиральный эффект. Высокоскоростное вращение воздушного винта придаёт спутной струе спиральное (винтовое, штопорное) вращение. При высокой угловой скорости воздушного винта и низкой поступательной скорости (например, во время взлёта или сваливания при большом УА), закручивающийся спиралью воздушный поток бывает очень плотным и может вызвать значительное боковое усилие, приложенное к вертикальному хвостовому оперению ЛА (рис. 4-40).

Ударяя в вертикальное хвостовое оперение ЛА, закручивающаяся спутная струя вызывает момент вращения, стремящийся повернуть ЛА вокруг вертикальной оси. Чем больше плотность спирали, тем значительнее эта сила. Однако при увеличении поступательной скорости спираль удлиняется, и сила её воздействия уменьшается. Спиральная спутная струя также создаёт кренящий момент, поворачивающий ЛА вокруг продольной оси.

Обратите внимание, что кренящий момент, создаваемый спиральной воздушной струёй, направлен вправо, в то время как реактивный кренящий момент — влево, и фактически эти моменты уравновешивают друг друга. Но эти силы существенно различаются по величине, и пилот обязан постоянно предпринимать надлежащие меры, чтобы корректировать ситуацию. Необходимо противодействовать этим силам вне зависимости от того, какая из них преобладает в данный момент.

Гироскопическое действие. Перед тем, как говорить о гироскопическом действии воздушного винта, необходимо рассмотреть общий принцип гироскопа. Практическое применение гироскопа основано на двух фундаментальных особенностях гироскопического действия: неизменность пространственного положения и прецессия. Нас интересует, прежде всего, прецессия. Прецессия — это явление, при котором ось вращающегося воздушного винта отклоняется, когда к его втулке приложена отклоняющая сила. Как видно на рис. 4-41, когда эта сила приложена, результирующее воздействие направлено под прямым углом вперед и в направлении вращения.

Вращающийся воздушный винт самолёта представляет собой очень хороший гироскоп и поэтому подвержен этому явлению. Если приложить к воздушному винту силу, стремящуюся отклонить его от плоскости вращения, результирующая сила будет направлена под прямым углом вперед и в направлении вращения, создавая моменты тангажа или рыскания, либо сочетание обоих моментов (в зависимости от точки приложения силы). Считается, что эта разновидность крутящего эффекта в большей степени присуща ЛА с хвостовым колесом и чаще всего возникает во время разбега при взлёте (когда хвост ЛА приподнят) (рис. 4-42).

Такое изменение в положении по тангажу вызывает те же последствия, что и приложение силы к верхней части плоскости вращения воздушного винта. Результирующая сила, направленная под прямым углом вперед, вызывает момент рыскания, стремясь повернуть ЛА влево вокруг вертикальной оси. Величина момента зависит от нескольких переменных, одной из которой является быстрота подъёма хвоста ЛА (величина приложенной к нему силы). Прецессия, или гироскопическое действие, возникает, когда сила приложена к любой точке втулки на плоскости вращения воздушного винта. Результирующая сила по-прежнему направлена от точки приложения в направлении вращения. В зависимости от того, куда приложена сила, может начаться рыскание влево или вправо, тангаж вверх или вниз, либо сочетание рыскания и тангажа.