Введение

Угол между каждым крылом или хвостовой поверхностью в паре.

В авиации диэдральный угол – это угол между левым и правым крыльями (или хвостовыми поверхностями) самолета. Термин "диэдрал" также используется для описания влияния бокового скольжения на крен самолета. Диэдрический угол – это угол наклона крыла или хвостового оперения самолета с фиксированным крылом вверх от горизонтали. "Анэдральный угол" – это название отрицательного диэдрического угла, то есть, когда крыло или хвостовое оперение самолета с фиксированным крылом наклонены вниз от горизонтали. Диэдрический угол оказывает значительное влияние на диэдрический эффект, который получил свое название от него. Диэдрический эффект – это величина кренящего момента, возникающего пропорционально величине бокового скольжения. Диэдрический эффект является критически важным фактором устойчивости самолета относительно оси крена (спиральный режим). Он также важен для понимания характера голландского крена и маневренности самолета относительно оси крена. Продольный диэдрал – относительно малоизвестный термин, связанный с продольной осью самолета. Это угол между осью нулевой подъемной силы крыла и осью нулевой подъемной силы горизонтального хвостового оперения. Продольный диэдрал может влиять на характер управляемости относительно продольной оси и характер колебаний фугоида. Когда термин "диэдрал" используется сам по себе, обычно подразумевается "диэдрический угол". Однако контекст может указывать на то, что подразумевается "диэдрический эффект".

Диэдрический угол против диэдрического эффекта

Диэдрический угол — это угол наклона крыла самолета с фиксированным крылом вверх от горизонтали, или угол наклона любых парных номинально горизонтальных поверхностей на любом воздушном судне. Этот термин также может применяться к крыльям птиц. Диэдрический угол также используется в некоторых типах воздушных змеев, таких как коробчатые змеи. Крылья, у которых угол изменяется более чем в одной точке по всей длине размаха, называются полиэдральными. Диэдрический угол оказывает важное стабилизирующее воздействие на летательные аппараты, поскольку сильно влияет на диэдрический эффект. Диэдрический эффект воздушного судна — это кренящий момент, возникающий из-за ненулевого угла скольжения. Увеличение диэдрического угла самолета увеличивает его диэдрический эффект. Однако на диэдрический эффект также сильно влияют многие другие параметры самолета. К этим важным факторам относятся: стреловидность крыла, положение вертикальной оси центра тяжести, а также высота и размер любых элементов конструкции самолета, изменяющих боковую силу при изменении угла скольжения.

Продольная диэдра

Диэдрический угол на самолете почти всегда подразумевает угол между двумя парными поверхностями, по одной с каждой стороны самолета. Чаще всего речь идет об угле между левым и правым крылом. Однако, в математике диэдр – это угол между любыми двумя плоскостями. Таким образом, в авиации термин "диэдральный" в одном случае используется для обозначения разницы углов между передней и задней поверхностями:

Продольный диэдральный угол – это разница между углом установки корневой хорды крыла и углом установки корневой хорды горизонтального оперения. Продольный диэдральный угол также может определяться как угол между осью нулевой подъемной силы крыла и осью нулевой подъемной силы горизонтального оперения, а не между корневыми хордами этих поверхностей. Это более значимое определение, поскольку направления нулевой подъемной силы важны для настройки и устойчивости, в то время как направления корневых хорд не имеют значения. Данная величина также часто называется декалаж.

История

В геометрии двугранный угол — это угол между двумя плоскостями. Применение термина в авиации несколько отличается от его использования в геометрии. В авиации термин "диэдральный угол" стал обозначать положительный угол наклона вверх между левым и правым крыльями, а термин с приставкой "ан-" (например, "анэдральный угол") — отрицательный угол наклона вниз между крыльями. Аэродинамические стабилизирующие свойства диэдрального угла были описаны в влиятельной статье 1810 года сэра Джорджа Кейли.

Анализ стабильности воздушного судна

В анализе устойчивости самолета диэдрический эффект также является производной устойчивости, называемой Cl, что означает изменение коэффициента крена (Cl) на градус (или радиан) изменения угла скольжения.

Обеспечение стабильности

Целью диэдрального эффекта является обеспечение устойчивости по каналу крена. Это важный фактор устойчивости спирального режима, который иногда называют "устойчивостью по крену". Диэдральный эффект не способствует непосредственному возврату в положение "горизонтальных крыльев", но косвенно помогает восстановить это положение через свое влияние на спиральный режим движения, описанный ниже.

Размещение крыла

Конструкторы самолетов могут увеличивать угол диэдра, чтобы обеспечить больший зазор между законцовками крыльев и взлетно-посадочной полосой. Это особенно важно для самолетов со стреловидным крылом, у которых законцовки крыльев могут касаться взлетно-посадочной полосы при взлете или посадке. В военных самолетах пространство, создаваемое углом диэдра, может использоваться для крепления вооружения и подвесных баков на узлах крепления крыла, особенно на самолетах с низкорасположенным крылом. Увеличенный эффект диэдра, возникающий из-за такого конструктивного решения, может потребовать компенсации, например, уменьшением угла диэдра на горизонтальном оперении.

Использование диэдрического угла для регулирования диэдрического эффекта

При проектировании самолета с фиксированным крылом (или любого самолета с горизонтальными поверхностями) изменение диэдрического угла обычно является относительно простым способом регулировки общего диэдрического эффекта. Это делается для компенсации влияния других конструктивных элементов на диэдрический эффект. Эти элементы (такие как стреловидность крыла, точка вертикального крепления крыла и т.д.) может быть сложнее изменить, чем диэдрический угол. В результате, различные типы самолетов с фиксированным крылом могут иметь разные значения диэдрического угла. Например, диэдрический угол обычно больше у самолетов с низкорасположенным крылом, чем у аналогичных самолетов с высокорасположенным крылом. Это объясняется тем, что высокое расположение крыла (или низкое расположение вертикального центра тяжести относительно крыла) само по себе создает больший диэдрический эффект. Поэтому для достижения необходимого диэдрического эффекта требуется меньший диэдрический угол.

Частые путаницы

Диэдрический эффект определяется просто как момент крена, вызванный боковым скольжением и ничем иным. Моменты крена, вызванные другими факторами, которые могут быть связаны с боковым скольжением, имеют другие названия. Диэдрический эффект не вызывается скоростью рыскания и не вызывается скоростью изменения бокового скольжения. Поскольку пилоты замечают диэдрический эффект при использовании руля направления, многие пилоты и другие специалисты объясняют, что момент крена возникает из-за того, что одно крыло движется по воздуху быстрее, а другое – медленнее. Действительно, это реальные эффекты, но они не являются диэдрическим эффектом, который вызывается самим углом бокового скольжения, а не переходом в это состояние. Эти другие эффекты соответственно называются "момент крена, вызванный скоростью рыскания" и "момент крена, вызванный скоростью бокового скольжения". Диэдрический эффект сам по себе не является устойчивостью крена. Устойчивость крена более однозначно называется "устойчивость спирального режима", а диэдрический эффект является одним из факторов, способствующих ей.

Как двугранный угол создает двугранный эффект и стабилизирует спиральный режим

Диэдрический угол вносит вклад в общий диэдрический эффект самолета. В свою очередь, диэдрический эффект способствует устойчивости в спиральном режиме. Устойчивый спиральный режим приведет к тому, что самолет в конечном итоге вернется к номинальному углу крена "горизонтальное положение крыльев", когда угол наклона крыльев изменяется. Если возмущение заставляет самолет отклоняться от нормального горизонтального положения крыльев, как показано на рисунке 1, самолет начнет немного смещаться вбок в сторону нижней крыла. На рисунке 2 траектория полета самолета начала отклоняться влево, в то время как нос самолета все еще направлен в исходном направлении. Это означает, что встречный поток воздуха теперь приходит немного с левой стороны от носа. Самолет теперь имеет угол скольжения в дополнение к углу крена. На рисунке 2 показано, как самолет представлен встречному потоку воздуха.

Как диэдрический угол создает момент качения от бокового скольжения (диэдрический эффект)

На рисунке 2 условия бокового скольжения приводят к большему углу атаки на крыле, отклоненному вперед, и меньшему углу атаки на крыле, отклоненном назад. Это изменение угла атаки при боковом скольжении видно на рисунке 2. Поскольку больший угол атаки создает большую подъемную силу (в обычном случае, когда крыло не находится вблизи сваливания), переднее крыло будет создавать большую подъемную силу, а заднее – меньшую. Эта разница в подъемной силе между крыльями создает момент крена, и она вызвана боковым скольжением. Это вклад в общий диэдрический эффект самолета.

Как диэдрический эффект стабилизирует спиральный режим

Крен, создаваемый боковым скольжением (обозначенный как "P"), стремится вернуть самолет в горизонтальное положение. Больший угол поперечного V пытается сильнее вернуть крылья в "выравнивающее" положение, а меньший угол поперечного V – менее сильно. Угол поперечного V помогает стабилизировать спиральный режим, стремясь вернуть крылья в горизонтальное положение пропорционально величине нарастающего бокового скольжения. Однако это не вся картина. Одновременно с нарастанием угла бокового скольжения, вертикальный киль пытается повернуть нос самолета обратно по ветру, подобно флюгеру, минимизируя величину бокового скольжения. Если бокового скольжения нет, то не может быть и восстанавливающего кренящего момента. Если бокового скольжения меньше, то и восстанавливающий кренящий момент меньше. Устойчивость по рысканию, создаваемая вертикальным килем, противодействует тенденции угла поперечного V возвращать крылья в горизонтальное положение, ограничивая боковое скольжение. Спиральный режим – это тенденция медленно отклоняться от горизонтального положения или, наоборот, медленно возвращаться к нему. Если спиральный режим устойчив, самолет будет медленно возвращаться в горизонтальное положение, если же он неустойчив – самолет будет медленно отклоняться от горизонтального положения. Угол поперечного V и устойчивость по рысканию – два основных фактора, влияющих на устойчивость спирального режима, хотя существуют и другие факторы, оказывающие на нее менее сильное влияние.

Другие факторы, способствующие диэдрическому эффекту

Факторы конструкции, помимо угла поперечного V, также влияют на поперечную устойчивость. Каждый из них в большей или меньшей степени увеличивает или уменьшает общую поперечную устойчивость самолета.

Отмена

Откат крыла также увеличивает эффект диэдра, примерно на 1° эффективного диэдра на каждые 10° отката. Это одна из причин использования анэдральной схемы на самолетах с большим углом стреловидности, а также на некоторых авиалайнерах, в том числе на самолетах с низкорасположенным крылом, таких как Ту-134 и Ту-154. Небольшие немецкие бипланы Bücker Flugzeugbau 1930-1945 годов, двухместный учебно-тренировочный Bucker Jungmann и более известный акробатический биплан Bücker Jungmeister, имели примерно 11° отката крыла, что придавало обеим конструкциям определенную степень диэдрального эффекта, в дополнение к небольшому диэдру, изначально заложенному в конструкцию обоих бипланов.

Вертикальное положение центра массы

Центр массы, обычно называемый центром тяжести или "CG", является точкой равновесия самолета. Если самолет (или любой объект) подвешен в этой точке и ему позволено вращаться, он будет сбалансирован. Расположение CG по длине самолета имеет первостепенное значение для его общей устойчивости, но и вертикальное положение также играет важную роль. Вертикальное положение CG влияет на величину диэдрического эффекта. При опускании "вертикального CG" диэдрический эффект увеличивается. Это происходит из-за того, что центр подъемной силы и сопротивления находится дальше от CG и имеет большее плечо момента. Таким образом, те же силы, которые изменяются при боковом скольжении (прежде всего боковая сила, но также подъемная сила и сопротивление), создают больший момент относительно CG самолета. Этот эффект иногда называют маятниковым. Ярким примером влияния вертикального CG на диэдрический эффект является параплан. Диэдрический эффект, создаваемый очень низким вертикальным CG, более чем компенсирует отрицательный диэдрический эффект, возникающий из-за сильного анэдра крыла, которое неизбежно имеет выраженную нисходящую кривизну.

Расположение крыла

Расположение крыла на самолете с фиксированным крылом также влияет на его диэдрический эффект. Высокорасположенное крыло обеспечивает примерно на 5° больший эффективный диэдрический угол, чем низкорасположенное крыло.