Введение
Производные стабильности, а также производные управления, являются мерами того, как изменяются определенные силы и моменты на воздушном судне, как и другие параметры, связанные с изменением стабильности (такие параметры, как скорость полета, высота, угол атаки и т. Д.). Для определенных условий полета "очистка" в этих параметрах происходят изменения и колебания. Для анализа этих изменений и колебаний используются уравнения движения. Для линейной (упрощенной) формулы движения используются производные стабильности и управления, чтобы можно было легче анализировать стабильность транспортного средства. Деривативы стабильности и управления меняются по мере изменения условий полета. Совокупность производных стабильности и управления, поскольку они изменяются в течение ряда условий полета, называется аэромоделью. Аэромодели используются в инженерных симуляторах полетов для анализа стабильности, а в симуляторах полетов в реальном времени для обучения и развлечений.
Дериватив стабильности против контрольного дериватива
Производные стабильности и производные управления связаны, потому что они оба являются мерами сил и моментов на транспортном средстве, поскольку другие параметры меняются. Часто эти слова используются вместе и сокращаются в термине "производные инструменты S&C". Они отличаются тем, что производные стабильности измеряют влияние изменений в условиях полета, в то время как производные управления измеряют влияние изменений в положениях на контрольной поверхности. Производный стабильности измеряет, насколько изменяется сила или момент, действующий на транспортное средство, когда происходит небольшое изменение параметра условий полета, такого как угол атаки, скорость полета, высота и т. Д. (Такие параметры называются "состояниями"). Производные элементы управления измеряют, насколько изменяется сила или момент, действующий на транспортное средство, когда происходит небольшое изменение отклонения поверхности управления, такой как аэроны, лифт и руль.
Stability derivative measures how much change occurs in a force or moment acting on the vehicle when there is a small change in a flight condition parameter such as angle of attack, airspeed, altitude, etc. (Such parameters are called "states".) Control derivative measures how much change occurs in a force or moment acting on the vehicle when there is a small change in the deflection of a control surface such as the ailerons, elevator, and rudder.
Линеаризация (упрощение) анализа стабильности
Деривативы стабильности и управления меняются по мере изменения условий полета. То есть силы и моменты на транспортном средстве редко являются простыми (линейными) функциями его состояний. Из-за этого динамику атмосферных летательных аппаратов может быть трудно проанализировать. Ниже приведены два метода, используемые для решения этой сложности. Небольшие колебания при в остальном стабильных условиях полета Один из способов упростить анализ - рассмотреть только небольшие колебания при в остальном стабильных условиях полета. Совокупность условий полета (таких как высота, скорость полета, угол атаки) называются "условия трима", когда они постоянны и не меняются. Когда условия полета стабильны, производные стабильности и управления постоянны и могут быть более легко проанализированы математически. Анализ в одном наборе условий полета затем применяется к ряду различных условий полета. Применение в симуляторах для анализа стабильности В симуляторе полета можно "поискать" новые значения для стабильности и производных управления по мере изменения условий. Таким образом, "линейные приближения" не так велики, и стабильность может быть оценена в маневрах, которые охватывают больший диапазон условий полета. Симуляторы полетов, используемые для анализа, такие как этот, называются "инженерными симуляторами". Набор значений для стабильности и управления производными (поскольку они меняются в различных условиях полета) называется аэромоделью.
Использование в симуляторах полетов
В дополнение к инженерным симуляторам, аэромодели часто используются в симуляторах полетов в режиме реального времени для домашнего использования и профессиональной подготовки к полетам.
Наименования осей транспортных средств
Воздушные суда используют систему координат для определения важных параметров, используемых при анализе стабильности. Все оси проходят через центр тяжести (называемый "CG"): ось "X" или "x" проходит от задней части тела к передней, называется осью ролика. "Y" или "y" ось проходит слева направо вдоль крыла, называется осью наклона. "Z" или "z" проходит от верха до низа, называется осью Yaw. В зависимости от ситуации используются два немного разных выравнивания этих осей: "оси фиксированного корпуса" и "оси стабильности".
"X" or "x" axis runs from back to front along the body, called the Roll Axis. "Y" or "y" axis runs left to right along the wing, called the Pitch Axis. "Z" or "z" runs from top to bottom, called the Yaw Axis. Two slightly different alignments of these axes are used depending on the situation: "body fixed axes", and "stability axes".
Оси, прикрепленные к корпусу
Фиксированные оси кузова, или "оси кузова", определены и закреплены относительно кузова транспортного средства. : ось корпуса X выровнена вдоль корпуса транспортного средства и обычно положительна по отношению к нормальному направлению движения. Осе корпуса Y находится под прямым углом к оси корпуса x и ориентирована вдоль крыльев транспортного средства. Если нет крыльев (как в случае с ракетой), то "горизонтальное" направление определяется таким образом, что это полезно. Осевая Y корпуса обычно принимается положительной к правой стороне транспортного средства. Осе корпуса Z перпендикулярно плоскости корпуса крыла (XY) и обычно указывает вниз.
X body axis is aligned along the vehicle body and is usually positive toward the normal direction of motion. Y body axis is at a right angle to the x body axis and is oriented along the wings of the vehicle. If there are no wings (as with a missile), a "horizontal" direction is defined in a way that is useful. The Y body axis is usually taken to be positive to right side of the vehicle. Z body axis is perpendicular to wing body (XY) plane and usually points downward.
Оси стабильности
Самолеты (обычно не ракеты) работают с номинально постоянным углом атаки. Угол носа (ось X) не совпадает с направлением встречного воздуха. Разница в этих направлениях - угол атаки. Таким образом, для многих целей параметры определяются в терминах слегка измененной системы осей, называемых "осями стабильности". Система осей стабильности используется для выравнивания оси X с направлением встречного потока. По сути, система осей корпуса вращается вокруг оси корпуса Y по углу прицепа, а затем "рефиксируется" к корпусу самолета: ось стабильности X выровнена в направлении встречного воздуха в устойчивом полете. (Если есть боковой скольжение, то оно проецируется в плоскость, сделанную осьми тела X и Z). Y ося стабильности такая же, как и Y ося фиксированного тела. Осе устойчивости Z перпендикулярно плоскости, составленной осями устойчивости X и осями корпуса Y.
X stability axis is aligned into the direction of the oncoming air in steady flight. (It is projected into the plane made by the X and Z body axes if there is sideslip). Y stability axis is the same as the Y body fixed axis. Z stability axis is perpendicular to the plane made by the X stability axis and the Y body axis.
Моменты и угловые скорости вокруг каждой из осей
L используется для обозначения "момента качения", который находится вокруг оси X. Относится ли она к оси тела X или оси стабильности X зависит от контекста (например, подписчика). M используется для обозначения "момента наклона", который находится вокруг оси Y. N используется для обозначения названия "момента зева", который находится вокруг оси Z. Относится ли она к оси тела Z или оси стабильности Z, зависит от контекста (например, подписчика). "P" или "p" используется для угловой скорости вокруг оси X ("скорость прокачки вокруг оси прокачки"). Относится ли она к оси тела X или оси стабильности X зависит от контекста (например, подписчика). "Q" или "q" используется для угловой скорости вокруг оси Y ("скорость наклона вокруг оси наклона"). "R" или "r" используется для угловой скорости вокруг оси Z ("скорость поворота вокруг оси поворота"). Относится ли она к оси тела Z или оси стабильности Z, зависит от контекста (например, подписчика).
Взносы по производным инструментам стабильности
Каждый производный показатель стабильности определяется положением, размером, формой и ориентацией компонентов ракеты. В воздушных судах направленная стабильность определяет такие особенности, как диэдра основных плоскостей, размер плавника и площадь хвостовой плоскости, но большое количество важных производных стабильности исключает подробное обсуждение в этой статье. Ракета характеризуется только тремя производными стабильности, и, следовательно, обеспечивает полезное введение в более сложную динамику самолета. Во-первых, тело под углом атаки создает подъемную силу в противоположном направлении движения тела. Поэтому всегда отрицательно. При низких углах атаки подъем генерируется в основном крыльями, плавниками и носовой областью тела. Общий подъем действует на расстоянии впереди центра тяжести (он имеет отрицательное значение на рисунке), это, по-ракетному, центр давления. Если подъем действует впереди центра тяжести, момент прогибания будет отрицательным и будет стремиться увеличить угол атаки, увеличивая как подъем, так и момент. Из этого следует, что центр давления должен лежать за центром тяжести для статической стабильности. является статической границей и должна быть отрицательной для продольной статической стабильности. В качестве альтернативы, положительный угол атаки должен генерировать положительный момент зева на статически стабильной ракете, т.е. должен быть положительным. Обычно используется маневренная ракета с почти нулевой статической маржой (т.е. нейтральной статической стабильностью). Необходимость в положительном объясняет, почему стрелы и дротики имеют полеты, а неуправляемые ракеты имеют плавники. Эффект угловой скорости заключается в том, чтобы уменьшить подъем носа и увеличить подъем хвоста, которые в некотором смысле противодействуют вращению. всегда отрицательная. Существует вклад с крыла, но поскольку ракеты имеют тенденцию иметь небольшие статические границы (обычно меньше калибра), это обычно небольшое. Также вклад плавника больше, чем вклад носа, поэтому есть чистая сила, но это обычно незначительно по сравнению с и обычно игнорируется.
Комментарии
Из переменных состояния были выбраны угол атаки и скорость наклона r, и были опущены скоростные возмущения u, вместе с связанными производными, например. Это может показаться произвольным. Однако, поскольку временная шкала изменения скорости намного больше, чем у изменения угла атаки, ее влияние незначительно, что касается направленной стабильности транспортного средства. Аналогичным образом, эффект от качения на движение поворота также игнорируется, потому что ракеты обычно имеют низкие конфигурации соотношения сторон и инерция качения намного меньше, чем инерция поворота, следовательно, ожидается, что петля качения будет намного быстрее, чем реакция поворота, и игнорируется. Эти упрощения проблемы, основанные на априорных знаниях, представляют подход инженера. Математики предпочитают держать проблему как можно более общей и упрощать ее только в конце анализа, если вообще. Динамика самолётов более сложна, чем динамика ракет, главным образом потому, что упрощения, такие как разделение быстрых и медленных режимов, и сходство между движениями шага и поворота, не очевидны из уравнений движения и, следовательно, откладываются до поздней стадии анализа. Подзвуковые транспортные самолеты имеют высокие форматные параметры, поэтому не могут рассматриваться как разъединенные. Однако это лишь вопрос степени; основные идеи, необходимые для понимания динамики самолета, охвачены в этом более простом анализе движения ракеты.
Контрольные производные
Изгиб поверхностей управления изменяет распределение давления по транспортному средству, и с этим нужно бороться, включая возмущения в силах и моментах, вызванные изгибом управления. Обычно отклонение плавника обозначается (зета). Включая эти термины, уравнения движения становятся: Включая производные управления позволяет изучать реакцию транспортного средства, а уравнения движения используются для проектирования автопилота.
Including the control derivatives enables the response of the vehicle to be studied, and the equations of motion used to design the autopilot.
Примеры
CL, называемый диэдрическим эффектом, является производным стабильности, который измеряет изменения в момент качения по мере изменения угла бокового скольжения. "L" означает момент качения, а "L" - угол бокового скольжения.