Влияние веса на устойчивость и управляемость. Влияние распределения нагрузки

Перегрузка также влияет на устойчивость ЛА. Будучи вполне устойчивым и управляемым при нормальной нагрузке, при перегрузке ЛА может вести себя совершенно иначе. Хотя управляемость в первую очередь зависит от распределения веса, увеличение полного по­лётного веса ЛА также оказывает на неё отрицательное воздействие, вне зависимости от расположения ЦТ. При превышении полного полётного веса управляемость многих сертифицированных ЛА может снизиться до неудовлетворительного уровня.

Влияние распределения нагрузки. Влияние местоположения ЦТ на нагрузку, оказываемую на крыло ЛА во время полёта, чрезвычайно существенно во время набора высоты и крейсерского полёта. ЛА, нагруженный в передней части, «тяжелее» и, следовательно, медленнее, чем такой же ЛА, ЦТ которого сдвинут дальше по направлению к хвосту. Нарис. 4-55 показано, почему это так.

При передней загрузке для выполнения горизонтального крейсерского полёта, в большинстве случаев, необходима балансировка пикирующего момента. Это означает, что поверхности хвостового оперения устанавливаются в положение, при котором они создают дополнительную, направленную вниз нагрузку на хвостовую часть фюзеляжа, что увеличивает нагрузку на крыло и требует дополнительной подъёмной силы для сохранения высоты. УА крыла увеличивается, повышая лобовое сопротивление, что, в свою очередь, увеличивает скорость сваливания.

При задней загрузке, когда пикирующий момент сбалансирован, поверхности хвостового оперения создают меньшее давление вниз. Это освобождает крыло от определённой части нагрузки и несколько уменьшает величину подъёмной силы, необходимой для поддержания высоты. В результате УА крыла уменьшается, что уменьшает и лобовое сопротивление, позволяя увеличить крейсерскую скорость. Теоретически, нейтральная нагрузка на хвостовое оперение в крейсерском режиме способна обеспечить наилучшие лётно-технические характеристики и крейсерскую скорость ЛА, но при этом также снижается устойчивость. Современные ЛА проектируются таким образом, что для обеспечения их устойчивости и управляемости требуется действующая на хвостовое оперение нагрузка, направленная сверху вниз.

Нулевые показания индикатора триммера не обязательно означают «нейтральную балансировку», поскольку снос потока с крыльев и фюзеляжа оказывает воздействие на хвостовое оперение. Распределение полезной нагрузки в значительной степени влияет на полётные характеристики ЛА, даже когда ЦТ находится в допустимом диапазоне центровки и максимальный взлётный вес не превышен. Среди этих характеристик — управляемость, устойчивость и действующая нагрузка на крыло.

В целом, ЛА теряет управляемость, особенно при полёте на низкой скорости, по мере того, как ЦТ перемещается по направлению к хвосту. ЛА, который способен к чистому выходу из затяжного штопора, может полностью потерять эту способность, если его ЦТ переместится всего на несколько сантиметров к хвосту. Обычно авиаконструкторы устанавливают предел задней центровки на расстоянии одного дюйма (2,54 см) от граничного положения ЦТ, при котором ещё возможен нормальный выход из одновиткового штопора. При сертификации ЛА по категории, допускающей выполнение преднамеренного штопора, предел центровок обычно расположен на несколько сантиметров дальше, чем для обычной категории.

Существует ещё один влияющий на управляемость фактор, который приобрёл дополнительную важность при проектировании современных крупноразмерных ЛА. Это влияние длинного плеча момента на расположение тяжёлого бортового оборудования и груза. Один и тот же ЛА может быть загружен до максимального взлётного веса с сохранением ЦТ в пределах центровки двумя различными способами: если сосредоточить топливо, пассажиров и груз в непосредственной близости от конструктивного ЦТ, и если распределить топливо по крыльевым бакам, а груз — по отсекам впереди и позади кабины пилотов.

В обоих случаях общий вес и расположение ЦТ будут одними и теми же. При этом в случае распределённой нагрузки для маневрирования или сохранения горизонтального полёта потребуются большие управляющие усилия, чем в первом случае. Более длинные плечи моментов (от точки приложения сил до местоположения груза и топлива) должны преодолеваться действиями плоскостей управления. ЛА с полностью заполненными крыльевыми топливными баками ведёт себя пассивно в режиме крена, в то время как ЛА с полностью заполненными носовыми и хвостовыми грузовыми отсеками хуже реагирует на движения руля высоты.

Задняя граница предела центровок, большей частью, определяется соображениями устойчивости. В основных требованиях лётной годности для той или иной категории ЛА указывается, что в полёте с определённой воздушной скоростью ЛА должен гасить вер­тикальное перемещение носа за определённое число колебаний. Если груз будет сдвинут слишком далеко к хвосту, ЛА может оказаться не в состоянии сделать это. Напротив, если его нос внезапно резко поднимется, ЛА может начать попеременно пикировать и кабрировать, причём амплитуда этих движений будет возрастать с каждым колебанием. Такая неустойчивость не только создаст неприятные ощущения у пассажиров и членов экипажа — в определённых условиях она может представлять опасность, делая ЛА неуправляемым.

Чем дальше к хвосту перемещается ЦТ, тем труднее становится вывод ЛА из сваливания. Это особенно важно при выходе из штопора, поскольку при перемещении ЦТ назад до определённой точки штопор становится «плоским». При плоском штопоре центробежная сила, приложенная к ЦТ, который сдвинут в хвостовую часть ЛА, толкает хвост в сторону от оси вращения, не позволяя опустить нос и выйти из штопора.

ЛА, загруженный до задней границы допустимого диапазона центровок, при поворотах, сваливании и во время посадки ведёт себя иначе, чем загруженный до передней границы диапазона центровок.

Передняя граница предела центровок определяется на основе нескольких факторов. По соображениям безопасности требуется, чтобы устройство балансировки (триммер или регулируемый стабилизатор) мог поддерживать ЛА в режиме нормального планирова­ния при выключенном двигателе. ЛА обычной схемы должен быть способен совершить посадку на критическом УА с выключенным двигателем. Смысл этого требования — в возможности посадки на минимальной скорости в непредвиденных ситуациях. ЛА с хво­стовым колесом, загруженные с перетяжелением на нос, трудны в управлении во время руления, особенно при сильном ветре. Они с лёгкостью капотируют при использовании тормоза, а во время посадки почти всегда «козлят», стремясь опустить нос при замедлении и выравнивании перед посадкой. Сложности с управлением на земле могут возникнуть и у ЛА с носовым колесом, особенно во время пробега и взлёта.

Итак, подведём итоги обсуждения того, как распределение веса влияет на летно-технические характеристики ЛА. Местоположение ЦТ влияет на подъёмную силу и УА крыла; на величину и направление силы, действующей на хвостовое оперение; и на угол отклонения стабилизатора, необходимый для обеспечения равновесия ЛА. Последнее очень важно из-за тесной связи с величиной управляющей силы, прилагаемой к рулю высоты.

При смещении ЦТ к носу ЛА его скорость сваливания растёт. Это связано с тем, что критический угол сваливания может быть достигнут при более высокой скорости из-за увеличения нагрузки на крыло.

Управляющая сила, прилагаемая к рулю высоты, растёт по мере смещения ЦТ вперёд, поскольку для уравновешивания ЛА требуется всё большее отклонение стабилизатора.

Крейсерская скорость выше у того ЛА, ЦТ которого смещён дальше назад, из-за снижения лобового сопротивления. Лобовое сопротивление снижается, поскольку для поддержки ЛА в воздухе и преодоления тенденции к пикированию нужны меньшие УА и угол отклонения вниз стабилизатора.

По мере смещения ЦТ назад ЛА становится менее устойчивым. Это связано с тем, что сдвиг ЦТ назад вызывает увеличение УА. Поэтому вклад крыла в обеспечение устойчивости ЛА снижается, в то время как вклад хвостового оперения остаётся не­изменным. При достижении точки, в которой доли крыла и хвостового оперения уравновешиваются, возникает нейтральная устойчивость. Любое дальнейшее перемещение ЦТ назад приводит к тому, что ЛА становится неустойчивым.

Смещение ЦТ вперёд увеличивает потребность в направленном вниз давлении на руль высоты. В результате руль высоты может утратить возможность препятствовать стремлению ЛА к пикированию. Для управления ЛА в таком положении на скоростях, близких к скорости сваливания, к рулю высоты приходится прикладывать значительную управляющую силу.

Подробное обсуждение и дополнительная информация по теме веса и центровки содержатся в главе 9, «Вес и центровка».

Материал взят из «Энциклопедия пилота».