(Л11) тема 3. Літак та його системи

3.1. Системи координат. Кутові характеристики, рівновага, стійкість і керованість літака [1], c. 58-66

Для визначення положення ЛА у просторі використовуються швидкісна, зв’язана та земна системи координатних осей (СКО). Розглянемо їх.

Швидкісна система координатних осей (ОX_aY_aZ_a) використовується для вивчення аеродинамічних сил та при розв’язанні задач аеродинамічного розрахунку літака (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Швидкісна СКО.

Початок швидкісної системи координатних осей розміщено в центрі мас літака. Головною віссю є швидкісна вісь ОХ_а, направлена по вектору швидкості літака. Вісь піднімальної сили OY_a направлена вгору перпендикулярно швидкісній осі та лежить у площі симетрії літака. Бічна вісь OZ_a направлена вправо перпендикулярно осям ОХ_а та OY_a. Координатні площини в швидкісній СКО мають наступні назви:

ОX_aY_a – площина потоку;

ОX_aZ_a – площина ковзання;

ОY_aZ_a – лобова площина.

Зв’язана СКО (ОXYZ) використовується для розрахунку літака на міцність, а також при вивченні стійкості та керованості літака (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Зв’язана СКО.

Початок зв’язаної СКО береться в центрі мас літака. Вісі координат зв’язані з літаком та разом з ним змінюють своє положення у просторі. Вісі зв’язаної СКО мають наступні напрями: ОХ - повздовжня вісь направлена вперед паралельно хордам крила; OY – нормальна вісь направлена вгору перпендикулярно вісі ОХ та лежить в площині симетрії літака; OZ – поперечна вісь направлена в бік правого крила перпендикулярно площині YX.

Координатні площини зв’язаної системи координат мають наступні назви: ОXY – площина симетрії літака; ОXZ – площина крила (головна площина); ОYZ – поперечна площина.

Земна СКО (ОX_gY_gZ_g) застосовується при вивченні переміщень літака відносно Землі (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Земна СКО.

Початок земної СКО береться у довільній точці поверхні Землі. Напрямок осей обирається у відповідності з умовами задачі, але так, щоб вони складали праву систему декартових координат.

Положення літака у потоці повітря визначається кутами атаки та ковзання.

Кутом атаки літака α називається кут між повздовжньою віссю літака ОХ та проекцією вектора швидкості повітряного потоку (повітряної швидкості) на площину симетрії літака (V_ух) (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Кут атаки.

Кутом ковзання β називається кут між напрямом повітряного потоку, зв’язаного з віссю ОХ_а (вектором повітряної швидкості), та площиною симетрії літака (рис. 3.5). Кут ковзання показує зв'язок повздовжньої осі ОХ зв'язаної системи координат зі швидкісною віссю ОХ_а швидкісної системи координат.

Рис. 3.5. Кут ковзання.

Положення літака у просторі (зв’язок між земної ОX_gY_gZ_g та зв’язаної ОXYZ системами координатних осей) визначається кутами рискання, тангажу и крену.

Кутом рискання ψ називається кут між проекцією траєкторії (віссю OX_g у земній системі координат) та проекцією повздовжньої осі літака ОХ на горизонтальну площину (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Кут рискання.

Кутом тангажу υ називається кут між повздовжньою віссю літака ОХ та горизонтальною площиною ОX_gZ_g (рис. 3.7). Кут тангажу може змінюватись від мінус 90 градусів до плюс 90 градусів (–90°≤υ≤ +90°).

Рис. 3.7. Кут тангажу.

“JAGUAR”

Aj – 37

Кутом крену γ називається кут між нормальною віссю літака OY та вертикальною площиною, що проходить через повздовжню вісь літака OX (рис. 3.8), тобто кут між віссю OY зв’язаної СКО и віссю ОY_g земної СКО.

Рис. 3.8. Кут крену.

Aj – 37

Стан літака у польоті, при якому діючі на нього сили та їх моменти не примушують його обертання та не порушують рівномірного та прямолінійного руху, називається рівновагою. Зазвичай рівновагу розглядають відносно трьох осей системи координат, початок якої знаходиться в центрі мас літака (рис. 3.2 – зв’язана система координатних осей ОXYZ, у якої повздовжня вісь ОХ направлена уздовж фюзеляжу; вертикальна вісь ОY перпендикулярна вісі ОХ і лежить у площині симетрії літака; поперечна вісь ОZ проходить по розмаху правого крила перпендикулярно площині ОXY).

Моменти сил, що прагнуть повернути літак навколо осі ОХ, називають моментами крену або поперечними; навколо осі ОY – моментами рискання або шляховими; навколо осі ОZ – моментами тангажу або кабруючими, якщо вони прагнуть збільшити кут атаки, та пікіруючими, якщо вони зменшують кут атаки.

Рівновага може бути стійкою або нестійкою. Здатність літака самостійно, без втручання пілота, відновлювати стан рівноваги після завершення дії збурюючих зусиль називається стійкістю. Якщо літак не має такої здатності, то він називається нестійким. Літак повинен бути стійким при всіх режимах польоту та, як показує практика, якщо він стійкий у сталому горизонтальному польоті, то зберігає цю здатність і в інших режимах.

Стійкість літака тісно пов’язана з його керованістю. Керованість літака – це його здатність реагувати на дії пілота, який впливає на літак за допомогою органів керування. Висока степінь керованості не є гарним показником, тому що у такому випадку літак буде реагувати на незначне відхилення рулів та керування ним буде особливо ускладнено. Керованість літака не слід плутати з маневреністю. Якщо керованість характеризується обертом літака навколо центра мас, то маневреність оцінюється переміщеннями центра мас у просторі.

Рівновага, стійкість та керованість розглядаються відносно осей зв’язаної СКО:

- повздовжній осі ОХ - поперечні рівновага, стійкість і керованість;

- вертикальній осі ОY - шляхові рівновага, стійкість і керованість;

- поперечній осі ОZ - повздовжні рівновага, стійкість і керованість.