Введение
Динамическая устойчивость летательного аппарата характеризует его поведение после возмущения, возникшего в результате установившегося, не колебательного полета.
Продольные режимы
Колебательные движения можно описать двумя параметрами: периодом, необходимым для одного полного колебания, и временем затухания до половины амплитуды, или временем удвоения амплитуды при динамически неустойчивом движении. Продольное движение состоит из двух различных колебаний – колебания большого периода, называемого фугоидным, и колебания малого периода, называемого колебанием короткого периода.
Фугоидные (более длительные) колебания
Более длительный режим, называемый "фугоидным режимом", характеризуется значительными колебаниями скорости воздушного потока, угла тангажа и высоты, при этом угол атаки практически не изменяется. Фугоидные колебания представляют собой медленный обмен кинетической энергией (скоростью) и потенциальной энергией (высотой) вокруг некоторого уровня равновесной энергии, когда самолет пытается вернуться в устойчивое состояние горизонтального полета, из которого он был выведен. Движение настолько медленное, что влияние инерционных и демпфирующих сил весьма незначительно. Однако, несмотря на слабость демпфирующих сил, период колебаний настолько велик, что пилот обычно автоматически компенсирует это движение, даже не осознавая существования колебаний. Обычно период составляет от 20 до 60 секунд. Как правило, пилот может контролировать эти колебания.
Короткопериодические колебания
Без специального названия, режим с более коротким периодом просто называется "режим короткого периода". Движение представляет собой быстрое тангаж самолета относительно центра тяжести, по сути, изменение угла атаки. Режим короткого периода – это колебание с периодом всего в несколько секунд, которое обычно сильно демпфируется наличием подъемных поверхностей, расположенных на значительном удалении от центра тяжести самолета, таких как горизонтальное оперение или предкрылок. Время, необходимое для уменьшения амплитуды вдвое, обычно составляет около 1 секунды. Способность к быстрой самоамплификации при кратковременном отклонении ручки управления является одним из многих критериев общей сертификации самолета.
Режимы бокового направления
Поперечно-направленные режимы включают в себя кренящие и рыскающие движения. Движения по одной из этих осей почти всегда связаны с другой, поэтому эти режимы обычно рассматриваются как "поперечно-направленные режимы". Существует три типа возможных поперечно-направленных динамических движений: режим затухания крена, спиральный режим и режим "голландский крен".
Режим проседания рулона
Режим гашения крена – это просто демпфирование вращательного движения. Прямой аэродинамический момент, стремящийся непосредственно вернуть крылья в горизонтальное положение, не создается, то есть отсутствует возвращающая "сила/момент пружины", пропорциональная углу крена. Однако момент демпфирования (пропорциональный скорости крена) создается за счет вращения длинных крыльев. Это предотвращает нарастание больших скоростей крена при вводе управления креном или гасит скорость крена (а не угол) до нуля при отсутствии управляющего воздействия на крен. Устойчивость в режиме крена может быть улучшена за счет диэдрических эффектов, обусловленных конструктивными особенностями, такими как высокорасположенные крылья, углы диэдра или углы стреловидности.
Режим голландского ролика
Второе боковое движение – это колебательное комбинированное движение рыскания и крена, называемое «голландский крен», возможно, из-за сходства с одноименным движением на коньках, выполняемым голландскими конькобежцами; происхождение названия неясно. Голландский крен можно описать как рыскание и крен вправо, за которым следует возврат к положению равновесия, затем перерегулирование этого положения и рыскание и крен влево, затем возврат за положение равновесия и так далее. Период обычно составляет от 3 до 15 секунд, но может варьироваться от нескольких секунд для легких самолетов до минуты и более для авиалайнеров. Демпфирование увеличивается при высокой направленной устойчивости и небольшом поперечном угле и уменьшается при низкой направленной устойчивости и большом поперечном угле. Хотя обычно устойчив на обычном самолете, это движение может быть настолько слабо демпфировано, что эффект становится очень неприятным и нежелательным. На самолетах со стреловидным крылом голландский крен устраняется установкой демпфера рыскания, по сути, специального автопилота, который гасит любые колебания рыскания посредством коррекции руля направления. Некоторые самолеты со стреловидным крылом имеют неустойчивый голландский крен. Если голландский крен очень слабо демпфирован или неустойчив, демпфер рыскания становится требованием безопасности, а не удобством для пилота и пассажиров. Требуется установка двух демпферов рыскания, а отказ одного из них является причиной для ограничения полета на малых высотах и, возможно, на более низких числах Маха, где стабильность голландского крена улучшается.
Спиральная дивергенция
Спиральное движение присуще самолетам по своей природе. Большинство самолетов, настроенных на прямой и горизонтальный полет, при фиксированном положении органов управления, со временем войдут в затягивающуюся спираль. Непреднамеренное вхождение в спираль может привести к катастрофическим последствиям. Спираль – это не сваливание; она начинается не с потери несущей способности или от вращающего момента, а со случайного отклонения, приводящего к увеличению крена и скорости. Без немедленного вмешательства пилота это может привести к разрушению конструкции самолета из-за чрезмерной аэродинамической нагрузки или столкновения с землей. На начальном этапе самолет не проявляет явных признаков изменения. Ощущение "вниз" у пилота сохраняется относительно нижней части самолета, хотя самолет фактически все больше отклоняется от вертикали. В условиях VFR пилот автоматически корректирует небольшие отклонения от горизонта, ориентируясь на естественный горизонт, но в условиях IMC или в темноте эти отклонения могут остаться незамеченными: крен будет увеличиваться, а подъемная сила, потеряв вертикальное направление, станет недостаточной для поддержания самолета в воздухе. Нос самолета опускается, скорость растет, и начинается спиральное движение.
Слишком много топлива
Колебания могут возникать в продольном или поперечном направлении из-за плеска топлива – явления, которое, как известно, влияло на такие самолеты, как Douglas A4D, Lockheed P-80, Boeing KC-135, Cessna T-37 и North American YF-100. Его влияние минимально при полностью заполненных или почти пустых топливных баках: полный бак обладает большой массой, но незначительным перемещением, в то время как почти пустой бак – большим перемещением, но малой массой. Плеск топлива можно уменьшить, установив перегородки в топливных баках, однако это увеличивает массу и уменьшает объем топлива.