Понятия устойчивости и управляемости самолета

Полет самолета происходит под действием аэродинамической силы, силы тяги двигателей и силы тяжести. Для обеспечения полета и выполнения полетной задачи самолет должен адекватно реагировать на управляющие воздействия - целенаправленные изменения аэродинамической силы и силы тяги, т.е. быть управляемым.

Небольшие не связанные с управлением заранее неизвестные отклонения (возмущения) аэродинамической силы и силы тяги от расчетных значений, также изменяют движение самолета. Для выполнения полета самолет должен противостоять этим возмущениям, т.е. быть устойчивым.

Устойчивость и управляемость являются важными свойствами самолета, определяющими возможность и безопасность полета, требуемые усилия пилота и автоматических устройств при управлении, уровень комфорта экипажа и пассажиров в полете.

При исследовании устойчивости и управляемости самолет рассматривается как материальное тело и его движение описывается уравнениями движения центра масс и вращения вокруг центра масс. Движение центра масс самолета и его вращение относительно центра масс связаны. Однако совместное изучение этих движений весьма затруднительно ввиду большого числа уравнений, описывающих общее движение самолета.

В реальном движении как правило выполняются следующие условия: во-первых, отклонение органов управления практически мгновенно приводит к изменению аэродинамических сил, действующих на самолет, во-вторых, возникающие при этом управляющие силы существенно меньше основных аэродинамических сил.

Эти условия позволяют считать, что угловое движение самолета, в отличие от движения его центра масс, можно изменить достаточно быстро и, следовательно, движение (вращение) самолета относительно центра масс и движение центра масс по траектории можно рассматривать отдельно.

Движение самолета, найденное для заданных расчетных условий без учета возмущений, называется невозмущенным (опорным). Многие опорные режимы, реализуемые в полете, таковы, что угловое ускорение невелико или равно нулю. В этом случае можно принять

, , (1.1)

где - момент инерции самолета относительно мгновенной оси вращения, - вектор угловой скорости самолета, - вектор моментов, действующих на самолет относительно его центра масс.

Режимы полета, в которых выполняются условия (1.1), называются балансировочными, а отклонения органов управления, обеспечивающие выполнение этих условий называются балансировочными отклонениями органов управления.

В полете на самолет кроме основных действуют малые возмущающие силы, связанные с ветровыми и турбулентными возмущениями атмосферы, изменением конфигурации самолета, пульсацией тяги и другими причинами. Поэтому реальное движение самолета является возмущенным и отличается от невозмущенного. Возмущающие силы заранее неизвестны и носят случайный характер, поэтому в уравнениях движения точно задать все силы, действующие на самолет в полете, практически невозможно.

Определения устойчивости и управляемости движения самолета даются в нормах летной годности самолета (НЛГС-З).

Устойчивостью называется свойство самолета восстанавливать без участия летчика кинематические параметры невозмущенного движения и возвращаться к исходному режиму после прекращения действия на самолет возмущений.

Это определение предполагает устойчивость "в малом", т.е. устойчивость по отношению к бесконечно малым возмущениям. Устойчивость "в большом" это устойчивость по отношению к ограниченным, конечным возмущениям. Исследование устойчивости "в большом" имеет смысл, если невозмущенное движение устойчиво "в малом".

В дальнейшем будем рассматривать устойчивость "в малом", так как при значительных возмущениях в управление вмешивается пилот или автоматика.

При выполнении отдельных этапов полета необходимо, чтобы можно было целенаправленно воздействовать на характер движения самолета, то есть управлять самолетом.

При управлении самолетом решаются следующие задачи:

- обеспечение требуемых значений кинематических параметров, необходимых для реализации заданного опорного движения, и изменение этих параметров при переходе с одного опорного режима на другой;

- парирование возмущающих воздействий и сохранение заданных или близких к ним параметров движения при действии возмущения.

Эти задачи могут быть решены, если самолет надлежащим образом реагирует, отзывается на управляющие воздействия, то есть обладают управляемостью.

Управляемостью называется свойство самолета отвечать соответствующими линейными и угловыми перемещениями в пространстве на отклонение рычагов управления (штурвала, педалей).

Управление самолетом существенно упрощается, если опорное движение устойчиво.

В зависимости от канала управления рассматривают:

- продольную управляемость (относительно оси связанной системы координат [1, 2] ) или управляемость по тангажу;

- путевую управляемость (относительно оси ) - по рысканию;

- поперечную управляемость (относительно оси ) - по крену.

Требования к характеристикам (показателям) устойчивости и управляемости нормируются для самолетов различных классов: маневренных, ограниченно маневренных, неманевренные со взлетной массой до 100 т и свыше 100 т.

Существует условное деление устойчивости движения самолета на статическую и динамическую.

Статическая устойчивость самолета характеризует равновесие сил и моментов в опорном установившемся движении.

Статически устойчивым по тому или иному параметру движения называют самолет, у которого отклонение этого параметра от опорного значения сразу же после прекращения действия возмущений приводит к появлению силы (в поступательном движении) или момента (в угловом), направленных на уменьшение этого отклонения.

Если силы и моменты направлены на увеличение начального отклонения, то самолет статически неустойчив.

К количественным показателям, оценивающим статическую устойчивость самолета, относятся степени продольной, путевой и поперечной статической устойчивости.

Статическая устойчивость является важным фактором при оценке динамической устойчивости самолета, однако ее не гарантирует, поскольку при определении динамической устойчивости оценивается не начальная тенденция к устранению возмущения, а конечное состояние - наличие асимптотической устойчивости или неустойчивости в смысле А.М. Ляпунова [1]. При оценке динамической устойчивости важно не только конечное состояние (устойчив или неустойчив), но и показатели процесса затухания отклонений от невозмущенного движения:

* время затухания отклонений параметров движения;

* характер возмущенного движения ( колебательный, апериодический);

* максимальные значения отклонений;

* период (частота) колебаний (если процесс колебательный) и др.

Управляемость самолета также делится на статическую и динамическую.

Статическая управляемость связана с балансировкой самолета в установившихся режимах полета. Основными количественными показателями статической управляемости являются производные отклонений рычагов управления и усилий, прикладываемых к ним, по параметрам движения, характеризующим реакцию самолета на действия пилота и автоматики, максимальные значения отклонения рычагов управления и усилий на них, возможность балансировки на предельных режимах полета и т.п.

При оценке динамической управляемости рассматривается характер изменения параметров движения самолета на отклонение органов управления от их балансировочных значений для перехода от одного установившегося движения к другому, для выполнения неустановившихся маневров и для парирования возмущений. Получить необходимые характеристики устойчивости и управляемости позволяет включение в систему управления специальных автоматических устройств, поскольку только средствами аэродинамической компоновки нельзя обеспечить необходимую устойчивость и хорошую управляемость современного скоростного самолета во всем диапазоне высот и скоростей полета.