Инерциялық байланыс құбылысы және ұшу қауіпсіздігі
Inertia coupling
Инерциялық байланыс – ұшақтағы қауіпті құбылыс. Жоғары жылдамдықтарда ұшақтың айналуын басқару қиын, тұрақсыздыққа алып келуі мүмкін. Аэродинамика, қанат пішіні маңызды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Аэронавтикада инерциялық байланыс, сондай-ақ инерциялық байланыс және инерциялық ролдік байланыс деп аталады, бұл ұзын, жұқа ұшақта жоғары жылдамдықпен ұшу кезінде туындауы мүмкін қауіпті құбылыс. Онда ұшақтың бір ось айналысына қасақана бұрылуы, ұшақтың конструкциясы басқа күтпеген айналымдарды шектеуге кедерілтіреді. Төмен жылдамдықтарда және тығыз ауада аэродинамикалық күштер ұшақтың жылдамдығы мен бағытын үйлестіріп, қауіпті динамикалық режимге түсуін болдырмайды. Бірақ жоғары жылдамдықтарда немесе сирек ауада қанаттар мен қанаттың артқы бөлігі (эпеннаж) ұшақты тұрақтандыру үшін жеткілікті күш пен моменттерді тудыра алмайды.
In aeronautics, inertia coupling, also referred to as inertial coupling and inertial roll coupling, is a potentially catastrophic phenomenon of high speed flight in a long, thin aircraft, in which an intentional rotation of the aircraft about one axis prevents the aircraft's design from inhibiting other unintended rotations. At low speeds and thick air, aerodynamic forces match aircraft translational velocity to orientation, avoiding the dangerous dynamical regime. But at high speeds or thin air, the wing and empennage may not generate sufficient forces and moments to stabilize the aircraft.
Сипаттама
Инерциялық байланыс ұзын, жіңішке, жоғары тығыздыққа ие фюзеляжға ие ұшақтарда пайда болуға бейім. Ұшақтың массалық таралуын сипаттайтын қарапайым, бірақ дәл ойшау модель – нүктелік массалардың ромбы: алдыңғы және артқы бөліктерде үлкен масса, әр қанатта кішкентай масса. Бұл таралу тудыратын инерция тензоры үлкен крен компонентіне және кішкентай тангаж және кұлдіреу компоненттеріне ие, тангаж компоненті сәл үлкен. Эйлер теңдеулері ұшақтың айналуын анықтайды. Егер ωr, кұлдіреудің бұрыштық жылдамдығы, ұшақпен басқарылса, онда басқа айналулар келесіні қанағаттандыруы керек: мұнда y, p және r – крен, тангаж және кұлдіреу; I – ось бойымен инерция моменті; T – ось бойымен аэродинамикалық күштерден туындаған сыртқы момент; ал нүктелер уақыт бойынша туындыларды білдіреді. Аэродинамикалық күштер болмаған жағдайда, бұл 2 айнымалы жүйе жиілігі болатын қарапайым гармоникалық осциллятор теңдеуі болып табылады: айналатын ғарыш кемесі табиғи түрде тангаж және кренде шағын тербелістерге ұшырайды. Керісінше, егер ұшақ мүлдем кұлдіремесе, оң жақтағы жалғыз мүшелер аэродинамикалық моменттер болады, олар (кішкентай бұрыштарда) ұшақтың бұрыштық бағдары θ-ға еркін ағынмен салыстырылады. Яғни, k тұрақтылары бар, сонда кұлдіремейтін ұшақ келесіні сезінеді.
Inertia coupling tends to occur in aircraft with a long, slender, high density fuselage. A simple, yet accurate mental model describing the aircraft's mass distribution is a rhombus of point masses: one large mass fore and aft, and a small one on each wing. The inertia tensor that this distribution generates has a large yaw component and small pitch and roll components, with the pitch component slightly larger. Euler's equations govern the rotation of an aircraft. When ωr, the angular rate of roll, is controlled by the aircraft, then the other rotations must satisfy where y, p, and r indicate yaw, pitch, and roll; I is the moment of inertia along an axis; T the external torque from aerodynamic forces along an axis; and dots indicate time derivatives. When aerodynamic forces are absent, this 2variable system is the equation of a simple harmonic oscillator with frequency : a rolling space shuttle will naturally undergo small oscillations in pitch and yaw. Conversely, when the craft does not roll at all , the only terms on the right hand side are the aerodynamic torques, which are (at small angles) proportional to the craft's angular orientation θ to the freestream air. That is: there are natural constants k such that an unrolling aircraft experiences
Ұшақ кұлдіретін толық жағдайда, бағдар мен бұрыштық жылдамдық арасындағы байланыс толығымен түзу емес, өйткені ұшақ айналатын координаттық жүйе болып табылады. Кұлдіреу крен мен тангажды және керісінше алмастырады: нөлдік емес кұлдіреу болғанда, уақытты әрқашан қайта бағалауға болады, сондықтан денедің толық теңдеулері екі демпферленген, байланысты гармоникалық осцилляторлардан тұрады: мұнда, бірақ егер k ≈ J екі ось бойында да болса, демпфирование жойылады және жүйе тұрақсыз болады. Өлшемдік тұрғыдан (яғни, масштабталмаған уақыт бойынша) тұрақсыздық k ≈ Jωr талап етеді. Ir кішкентай болғандықтан, кем дегенде бір J 1-ге тең болады. Тығыз ауада k мәндері маңызды емес. Бірақ сирек ауада және дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдықтарда олар төмендейді және жылдам кұлдіреу кезінде ωr-мен салыстырыла алады. Инерциялық кұлдіреу байланысын болдырмау техникаларына бағыттық тұрақтылықты (k) арттыру және кұлдіреу жылдамдығын (ωr) азайту кіреді. Балама ретінде, тұрақсыз ұшақ динамикасын жеңілдетуге болады: тұрақсыз режимдерге өсу үшін уақыт қажет, ал шектеулі шабуыл бұрышымен жеткілікті қысқа мерзімді кұлдіреу кұлдіреуден кейін басқарылатын күйге оралуға мүмкіндік береді.
In the full case of a rolling aircraft, the connection between orientation and angular velocity is not entirely straightforward, because the aircraft is a rotating reference frame. The roll inherently exchanges yaw for pitch and vice versa: Assuming nonzero roll, time can always be rescaled so that The full equations of the body are then of two damped, coupled harmonic oscillators: where But if k≈J in either axis, then the damping is eliminated and the system is unstable. In dimensional terms (that is, unscaled time), instability requires k≈Jωr. Since Ir is small, In particular, one J is at least 1. In thick air, k are too large to matter. But in thin air and supersonic speeds, they decrease, and may become comparable to ωr during a rapid roll. Techniques to prevent inertial roll coupling include increased directional stability (k) and reduced roll rate (ωr). Alternatively, the unstable aircraft dynamics may be mitigated: the unstable modes require time to grow, and a sufficiently short duration roll at limited angle of attack may allow recovery to a controlled state post roll.
Ерте тарих
1948 жылы Уильям Филлипс НАКА есебінде зымырандар контекстінде инерциялық ролдік байланысты сипаттады. Инерциялық ролдік байланыс – 1956 жылғы 27 қыркүйектегі ұшу кезінде зымырандық қозғалтқышы бар Bell X 2 ұшағы 3,2 Мах жылдамдыққа жеткенде бірінен соң бірі пайда болған үш түрлі байланыс режимінің бірі болды, нәтижесінде ұшқыш капитан Мел Апт қаза тапты. Симуляторлар Апттың маневрлері бақылаусыз ұшу режимін тудыратынын болжағанмен, сол кезде көптеген ұшқыштар симуляторлар ұшақтың ұшу сипаттамаларын дәл моделейді деп сенбеді. Инерциялық ролдік байланысты тәжірибеде алғашқы рет сезінген екі ұшақ – F 100 Super Sabre және F 102 Delta Dagger (екеуі де 1953 жылы алғаш ұшты). F 100 бағыттық тұрақтылығын арттыру үшін үлкен тік құйрықпен жаңартылды. F-102 қанат және құйрық ауданы ұлғайтылды және күшейтілген басқару жүйесімен жабдықталды. Динамикалық маневрлер кезінде ұшқышқа басқару мүмкіндігін беру үшін F 102A құйрығының ауданы 40%-ға ұлғайтылды. F 101 Voodoo (алғашқы ұшуы 1954 жылы) жағдайында A модельдеріне тұрақтылықты арттыру жүйесі осы мәселені шешуге көмектесу үшін қосымша жабдықталды. Douglas Skyray инерциялық ролдік байланысты басқару үшін конструкциялық өзгерістер енгізе алмады, орнына байланыс әсерлері мәселе тудырмайтын шектеулі маневрлік мүмкіндіктерге ие болды. Lockheed F 104 Starfighter (алғаш рет 1956 жылы ұшқан) инерциялық байланысты азайту үшін тұрақтандырғышы (көлденең құйрық беті) тік қанатының үстіне орнатылды.
In 1948, William Phillips described inertial roll coupling in the context of missiles in an NACA report. Inertial roll coupling was one of three distinct coupling modes that followed one another as the rocket powered Bell X 2 hit Mach 3.2 during a flight on 27 September 1956, killing pilot Captain Mel Apt. Although simulators had predicted that Apt's maneuvers would produce an uncontrollable flight regime, at the time most pilots did not believe that the simulators accurately modeled the plane's flight characteristics. The first two production aircraft to experience inertial roll coupling were the F 100 Super Sabre and F 102 Delta Dagger (both first flown in 1953). The F 100 was modified with a larger vertical tail to increase its directional stability. The F 102 was modified to increase wing and tail areas and was fitted with an augmented control system. To enable pilot control during dynamic motion maneuvers the tail area of the F 102A was increased 40%. In the case of the F 101 Voodoo (first flown in 1954), a stability augmentation system was retrofitted to the A models to help combat this problem. The Douglas Skyray was not able to incorporate any design changes to control inertial roll coupling and instead had restricted maneuver limits at which coupling effects did not cause problems. The Lockheed F 104 Starfighter (first flown in 1956) had its stabilator (horizontal tail surface) mounted atop its vertical fin to reduce inertia coupling.