Stateczność samolotu - Polski Serwis Naukowy

Stateczność samolotu - właściwość samolotu polegająca na powracaniu do warunków równowagi statycznej, w przypadku gdy został z tych warunków wytrącony. Drgania statecznego samolotu wytrąconego z warunków równowagi statycznej są drganiami tłumionymi o zmniejszającej się amplitudzie drgań wraz z upływem czasu.

Tłumienie (gaśnięcie) drgań, to stopniowe zmniejszenie się amplitudy drgań swobodnych wraz z upływem czasu, związane ze stratami energii układu drgającego. Tłumienie obserwowane jest zarówno w układach mechanicznych jak elektrycznych. W przypadku fal biegnących tłumienie prowadzi do zmniejszania się amplitudy fali wraz ze wzrostem odległości od źródła, co wynika z rozpraszania energii w otoczeniu falowodu.

Przeciążenie to stan, w jakim znajduje się ciało poddane działaniu sił zewnętrznych innych, niż siła grawitacji, których wypadkowa powoduje przyspieszenie inne niż wynikające z siły grawitacji. Przyjęto wyrażać przeciążenie jako krotność standardowego przyspieszenia ziemskiego. Tak zdefiniowane przeciążenie jest wektorem, mającym kierunek i zwrot.

Pojęciem stateczności samolotu zajmują się działy mechaniki lotu oraz aeroelastyczności.

Zachowanie samolotu w locie

Oscylacje szybkie

Oscylacje fugoidalne

Holendrowanie

Ruchy kątowe samolotu

Ze względu na dużą ilość stopni swobody samolotu (związaną z jego ruchem postępowym, obrotowym, odkształceniami oraz ruchomością powierzchni sterowych) zachowanie samolotu w locie opisane jest nieliniowymi równaniami różniczkowymi, które nie posiadają rozwiązań analitycznych, a jedynie rozwiązania numeryczne (uzyskiwane metodami numerycznymi tylko dla konkretnych przypadków). Opis głównych postaci zachowań samolotu w locie jest jednak możliwy, jeśli przyjmie się:

Środek masy ciała lub układu ciał jest punktem, w którym skupiona jest cała masa w opisie układu jako masy punktowej. Pojęcie to jest wykorzystywane także w geometrii.

Metody numeryczne – metody rozwiązywania problemów matematycznych za pomocą operacji na liczbach. Otrzymywane tą drogą wyniki są na ogół przybliżone, jednak dokładność obliczeń może być z góry określona i dobiera się ją zależnie od potrzeb.

nieodkształcalność konstrukcji

nieruchomość powierzchni sterowych

założenie, że odchylenia są niewielkie.

Po przyjęciu tych uproszczeń liczba stopni swobody samolotu zmniejsza się do sześciu, wskutek czego możliwe jest otrzymanie głównych postaci ruchu, które zachodzą również w rzeczywistości:

Powierzchnie sterowe - ruchome elementy zewnętrzne samolotu, pozwalające na sterowanie jego lotem. Zmieniając kierunek przepływu strumienia powietrza zmieniają siły i momenty aerodynamiczne, powodując obrót względem osi wzdłużnej, poprzecznej i pionowej samolotu.

Amplituda w ruchu drgającym i w ruchu falowym jest to największe wychylenie z położenia równowagi. Jednostka amplitudy zależy od rodzaju ruchu drgającego: dla drgań mechanicznych jednostką może być metr, jednostka gęstości lub ciśnienia (np. dla fali podłużnej); dla fali elektromagnetycznej tą jednostką będzie V/m.

oscylacje szybkie - oscylacje kąta nachylenia o okresie kilku sekund, silnie tłumione, odczuwane jako wynik działania turbulencji atmosferycznych. Środek masy odchyla się nieznacznie od linii prostej, zmienia się kąt natarcia i przeciążenie

oscylacje fugoidalne - oscylacje kąta nachylenia o okresie kilkudziesięciu sekund. Kąt natarcia nie ulega zmianie, zmienia się natomiast szybkość i wysokość. Postać ruchu słabo tłumiona

holendrowanie - oscylacje nachylenia z jednoczesnym odchyleniem od kursu

niestateczność spiralna - holendrowanie połączone z nagłą utratą wysokości.

Warunki równowagi i stateczności

Stateczność statyczna

Samolot porusza się ustalonym lotem poziomym, jeżeli są spełnione warunki równowagi, tj. suma wszystkich sił zewnętrznych działających na samolot oraz momentów tych sił względem środka ciężkości samolotu jest równa zero:

Moment siły (moment obrotowy) siły F względem punktu O jest to iloczyn wektorowy promienia wodzącego r, o początku w punkcie O i końcu w punkcie przyłożenia siły, oraz siły F:

Kąt natarcia - jest to (umowny) kąt pomiędzy kierunkiem strugi napływającego powietrza, a cięciwą powierzchni nośnej (skrzydła) lub płata wirnika. Kąt natarcia ma kluczowy wpływ na powstawanie siły nośnej działającej na skrzydło i odpowiedzialnej za unoszenie się samolotu w powietrzu.

$P_z - P_{zh} - m \cdot g = 0$

Suma sił nośnych skrzydeł oraz steru wysokości i ciężaru samolotu jest równa zeru

$P_{zh} \cdot (a + b) - P_z \cdot a = 0$

Suma momentów sił nośnych skrzydeł oraz steru wysokości i ciężaru samolotu względem środka ciężkości jest równa zeru.

Warunek stateczności statycznej określa maksymalne przesunięcie środka masy do tyłu zapewniające jeszcze stateczność statyczną i sprowadza się do wymagania, aby moment względem środka masy od powiększenia siły nośnej na skrzydle i na usterzeniu wysokości działał w kierunku zmniejszenia kąta natarcia:

Siła nośna – siła działająca na ciało poruszające się w ośrodku ciągłym, skierowana do góry i równoważąca siłę ciężkości. Najbardziej reprezentatywnym przykładem wykorzystania siły nośnej jest siła nośna skrzydła samolotu.

Okres (w fizyce) czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego. Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Okres dotyczyć może również innych zjawisk fizycznych (np. prądu przemiennego), które mają charakter oscylacji (powtarzających się zmian jakiejś wielkości). W takim najogólniejszym znaczeniu, okresem nazywamy najmniejszy czas potrzebny na powtórzenie się wzoru oscylacji. Dla fali oznacza to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami. Z innymi parametrami ruchu okresowego wiążą go następujące zależności:

${d P_z \over d \alpha} \cdot a < {d P_{zh} \over d \alpha} \cdot (a + b)$

Gdzie: $P_z$ - siła nośna skrzydła $P_{zh}$ - siła nośna usterzenia wysokości $a$ i $b$ - odległości rzutów sił nośnych na poziomą oś przechodzącą przez środek masy od środka masy $\alpha$ - kąt natarcia

Samolot niestateczny statycznie

Samolot bardzo stateczny ma ograniczoną zwrotność, dlatego czasami (najczęściej w samolotach bojowych) przesuwa się środek masy samolotu do tyłu, co ogranicza jego stateczność lub prowadzi do niestateczności w celu poprawy zdolności szybkiego manewru. Lot samolotu celowo pozbawionego stateczności statycznej jest niemożliwy bez interwencji pilota i prowadzi do przeciągnięcia lub zniszczenia przez przeciążenie, dlatego stosuje się wówczas systemy automatycznej stabilizacji zapewniające sztuczną stateczność. Dzięki zastosowaniu tych rozwiązań samolot jest zarówno zwrotny, jak i sterowny.

Turbulencja, przepływ burzliwy - w mechanice ośrodków ciągłych, reologii i aerodynamice - określenie bardzo skomplikowanego, nielaminarnego ruchu płynów. Ogólniej termin ten oznacza złożone zachowanie dowolnego układu fizycznego, czasem zachowanie chaotyczne. Ruch turbulentny płynu przejawia się w występowaniu wirów i innych struktur koherentnych, zjawisku oderwania strugi, zjawisku mieszania. Dziedzinami nauki, które analizują zjawiska związane z turbulencją, są: hydrodynamika, aerodynamika i reologia. Model matematyczny turbulencji próbuje się tworzyć na bazie teorii układów dynamicznych i teorii chaosu.