Фугоид: колебания самолета с постоянным углом атаки

Введение

Движение самолета с постоянным углом атаки, но изменяющимся тангажом.

В авиации фугоид (/'f//juː//ɡ//ɔɪ//d//audio=En us phugoid. oga/) – это колебательное движение воздушного судна, при котором самолет поочередно поднимается и снижается, увеличивая и уменьшая скорость при движении "вверх" и "вниз". Это один из основных режимов динамики полета самолета (другие включают короткий период, затухание рыскания, голландский крен и спиральную расходимость).

Подробное описание

У фугоида почти постоянный угол атаки, но изменяющаяся тангаж, вызванный повторяющимся обменом между скоростью и высотой. Он может быть вызван одиночным отклонением руля высоты (коротким, резким отклонением с последующим возвращением в нейтральное положение), приводящим к увеличению тангажа без изменения настройки от крейсерского режима. По мере уменьшения скорости нос опускается ниже горизонта. Скорость увеличивается, и нос поднимается над горизонтом. Периоды могут варьироваться от менее 30 секунд для легких самолетов до нескольких минут для больших самолетов. Микролегкие самолеты обычно демонстрируют период фугоида 15–25 секунд, и предполагается, что у птиц и моделей самолетов наблюдается сближение между режимами фугоида и колебаний короткого периода. Классическая модель для периода фугоида может быть упрощена до приблизительно (0,85, умноженное на скорость в узлах) секунд, но это справедливо в основном для больших самолетов. Фугоиды часто демонстрируются студентам-пилотам как пример продольной устойчивости самолета и важности правильной центровки. При возникновении фугоида он считается нежелательным, а в легких самолетах (обычно с более коротким периодом) может быть причиной колебаний, вызванных действиями пилота. Фугоид, при умеренной амплитуде, протекает при практически постоянном угле атаки, хотя на практике угол атаки фактически изменяется на несколько десятых градуса. Это означает, что критический угол атаки никогда не превышается, и возможно (на участке цикла с нагрузкой менее 1g) лететь со скоростями ниже известной скорости сваливания. Модели свободного полета с выраженной неустойчивостью фугоида обычно сваливаются или заходят в петлю, в зависимости от тяги. Неустойчивый или расходящийся фугоид в основном вызывается большой разницей между углами установки крыла и хвостового оперения. Стабильный, затухающий фугоид можно получить, установив стабилизатор меньшего размера на более длинном хвостовом оперении или, в ущерб устойчивости по тангажу и рысканию, сместив центр тяжести назад. Аэродинамически эффективные самолеты обычно имеют низкую демпфирующую способность фугоида. Термин "фугоид" был введен Фредериком У. Ланчестером, британским аэродинамиком, который впервые описал это явление. Он образовал это слово из греческих слов φυγή и εἶδος, означающих "подобный полету", но признал, что такое происхождение не совсем уместно, поскольку φυγή означало полет в смысле "бегства" (как в слове "беглец"), а не полет летательного аппарата.

The phugoid has a nearly constant angle of attack but varying pitch, caused by a repeated exchange of airspeed and altitude. It can be excited by an elevator singlet (a short, sharp deflection followed by a return to the centered position) resulting in a pitch increase with no change in trim from the cruise condition. As speed decays, the nose drops below the horizon. Speed increases, and the nose climbs above the horizon. Periods can vary from under 30 seconds for light aircraft to minutes for larger aircraft. Microlight aircraft typically show a phugoid period of 15–25 seconds, and it has been suggested that birds and model airplanes show convergence between the phugoid and short period modes. A classical model for the phugoid period can be simplified to about (0.85 times the speed in knots) seconds, but this only really works for larger aircraft. Phugoids are often demonstrated to student pilots as an example of the speed stability of the aircraft and the importance of proper trimming. When it occurs, it is considered a nuisance, and in lighter airplanes (typically showing a shorter period) it can be a cause of pilot induced oscillation. The phugoid, for moderate amplitude, occurs at an effectively constant angle of attack, although in practice the angle of attack actually varies by a few tenths of a degree. This means that the stalling angle of attack is never exceeded, and it is possible (in the <1g section of the cycle) to fly at speeds below the known stalling speed. Free flight models with badly unstable phugoid typically stall or loop, depending on thrust. An unstable or divergent phugoid is caused, mainly, by a large difference between the incidence angles of the wing and tail. A stable, decreasing phugoid can be attained by building a smaller stabilizer on a longer tail, or, at the expense of pitch and yaw "static" stability, by shifting the center of gravity to the rear. Aerodynamically efficient aircraft typically have low phugoid damping. The term "phugoid" was coined by Frederick W. Lanchester, the British aerodynamicist who first characterized the phenomenon. He derived the word from the Greek words φυγή and εἶδος to mean "flight like" but recognized the diminished appropriateness of the derivation given that φυγή meant flight in the sense of "escape" (as in the word "fugitive") rather than vehicle flight.

Авиационные аварии

В 1972 году самолет Aero Transporti Italiani Fokker F 27 Friendship, следовавший рейсом из Рима Фьюмичино в Фоджу, при наборе высоты до 13 500 футов, попал в зону неблагоприятных погодных условий с локальной грозовой активностью. На высоте около 15 000 футов самолет внезапно потерял 1200 футов высоты и его скорость снизилась. Развились фугаидные колебания, восстановить контроль над которыми пилотам не удалось. Самолет столкнулся с землей на скорости 340 узлов, что привело к гибели трех членов экипажа и всех пятнадцати пассажиров. В 1975 году в результате катастрофы в Таншоннут C 5, самолет USAF C 5 68 0218 с поврежденными органами управления полетом из-за отказа задней грузовой/герметизирующей двери, столкнулся с фугаидными колебаниями, когда экипаж пытался вернуться на базу, и совершил аварийную посадку на рисовом поле вблизи аэропорта. Из 328 человек на борту 153 погибли, что делает эту катастрофу самой смертоносной, связанной с военным самолетом США. В 1985 году рейс 123 авиакомпании Japan Airlines потерял все гидравлические системы управления после того, как его вертикальный стабилизатор оторвался из-за разрушения задней герметизирующей переборки, и перешел в фугаидное движение. Хотя экипажу удалось поддерживать почти горизонтальный полет за счет мощности двигателей, самолет потерял высоту над горным хребтом к северо-западу от Токио, прежде чем врезаться в гору Такамагахара. С 520 погибшими это остается крупнейшей авиационной катастрофой в истории. В 1989 году рейс 232 авиакомпании United Airlines потерпел неконтролируемый отказ двигателя №2 (хвостового), что привело к полному отказу гидравлической системы. Экипаж управлял самолетом, используя только тягу двигателей. Подавление фугаидной тенденции было особенно сложным. Пилоты достигли аэропорта Сиу-Гейтвей, но потерпели крушение при попытке посадки. Все четыре члена экипажа кабины пилотов (один из которых был капитаном DC 10, летевшим в качестве пассажира) и большинство пассажиров выжили. Другим самолетом, потерявшим всю гидравлику и испытавшим фугаид, был Airbus A300B4, эксплуатируемый DHL, который был поражен ракетой класса "земля-воздух", выпущенной иракскими боевиками в 2003 году в Багдаде во время попытки сбить самолет DHL. Это был первый случай, когда экипажу удалось безопасно посадить транспортный самолет, регулируя только тягу двигателей. Крушение самолета Helios на солнечной энергии в 2003 году было спровоцировано реакцией на ошибочно диагностированные фугаидные колебания, которые в конечном итоге привели к превышению конструкционных нагрузок на планер. Чесли "Салли" Салленбергер, капитан рейса 1549 US Airways, совершившего вынужденную посадку на реку Гудзон 15 января 2009 года, заявил в беседе с Google, что посадка могла быть менее жесткой, если бы антифугаидное программное обеспечение, установленное на Airbus A320 214, не помешало ему вручную добиться максимальной подъемной силы в течение четырех секунд перед столкновением с водой.

In 1972, an Aero Transporti Italiani Fokker F 27 Friendship, en route from Rome Fiumicino to Foggia, climbing through 13,500 feet, entered an area of poor weather with local thunderstorm activity. At almost 15,000 feet the aircraft suddenly lost 1200 feet of altitude and its speed dropped. It developed phugoid oscillations from which the pilots could not recover. The aircraft struck the ground at a speed of 340 knots, causing the death of the three crew members and all fifteen passengers. In the 1975 Tan Son Nhut C 5 accident, USAF C 5 68 0218 with flight controls damaged by failure of the rear cargo/pressure door, encountered phugoid oscillations while the crew was attempting a return to base, and crash landed in a rice paddy adjacent to the airport. Of the 328 people on board, 153 died, making it the deadliest accident involving a US military aircraft. In 1985, Japan Airlines Flight 123 lost all hydraulic controls after its vertical stabiliser blew off due to an aft pressure bulkhead failure, and went into phugoid motion. While the crew were able to maintain near level flight through the use of engine power, the plane lost height over a mountain range northwest of Tokyo before crashing into Mount Takamagahara. With 520 deaths, it remains the deadliest single aircraft disaster in history. In 1989, United Airlines Flight 232 suffered an uncontained engine failure in the #2 (tail) engine, which caused total hydraulic system failure. The crew flew the aircraft with throttle only. Suppressing the phugoid tendency was particularly difficult. The pilots reached Sioux Gateway Airport but crashed during the landing attempt. All four cockpit crewmembers (one an assisting DC 10 captain on the flight as a passenger) and a majority of the passengers survived. Another aircraft that lost all hydraulics and experienced phugoid was a DHL operated Airbus A300B4 that was hit by a surface to air missile fired by Iraqi militants in the 2003 Baghdad DHL attempted shootdown incident. This was the first time that a crew landed an air transport aircraft safely by only adjusting engine thrust. The 2003 crash of the Helios solar powered aircraft was precipitated by reacting to an inappropriately diagnosed phugoid oscillation that ultimately made the aircraft structure exceed design loads. Chesley "Sully" Sullenberger, Captain of US Airways Flight 1549 that ditched in the Hudson River on January 15, 2009, said in a Google talk that the landing could have been less violent had the anti phugoid software installed on the Airbus A320 214 not prevented him from manually getting maximum lift during the four seconds before water impact.