Вплив обертання пропелера на рискання і тангажу

Наши партнеры ArtmMisto

Думаю, ви вже знаєте, що обертання пропелера якимось чином впливає на стан літака в просторі, що вплив це зазвичай небажано і з ним необхідно щось робити. Зазвичай, в якості причини цього впливу називають «момент гвинта», але часто додають щось і про «обдув хвоста». Іноді згадується також «правило гвинта» - хоча це, на мій погляд, вже зовсім за гранню добра і зла. :) А курсанти звичайно кивають і вдають, що їм все зрозуміло.

Якщо ви з тих, кому вже все зрозуміло - не затримуйтеся на цій сторінці. Для інших я спробую пояснити це як-небудь попонятнее, на пальцях.

ВАЖЛИВО: обертання пропелера забезпечує відразу чотири різних за своєю природою ефекту, що впливають на стан літака в просторі. Два з них більш помітні на землі, а два інших - в повітрі. Ось вони:

1. момент гвинта
2. Обдув вертикального оперення
3. Асиметрія тяги гвинта
4. Гіроскопічний момент (прецесія)

Момент гвинта (Torque) - це реакція літака на розкручування свого ж власного гвинта. Третій закон Ньютона в дії. Ми розкручуємо гвинт в одну сторону, а він, в помсту, «розкручує» нас у зворотний. На щастя, ми важче і завжди перемагаємо. Але все ж трохи крениться.

Людям, які мали справу з автомобільними моторами, неважко пригадати, що при різкій дачі газу, двигун, що працював до цього на холостому ходу, помітно відхиляється в сторону на своїх еластичних подушках. Те ж саме робить і двигун літака, якому дали злітний режим, і його реакція передається на фюзеляж. Тільки у літака цей ефект посилюється як масою гвинта, так і істотним опором повітря, їм обурюватися.

Рис. 1: Момент гвинта (Torque)

Як же цей реактивний момент позначається на напрямку руху літака? Найбільше його вплив помітно не в повітрі, а на землі, в момент дачі злітної режиму. Літак трохи крениться, що призводить до нерівномірного обтисненню пневматиків, а це, в свою чергу, сприяє відведенню в сторону більш навантаженого колеса. Тільки-то і всього.

Обдув вертикального оперення (Slipstream) - це друга і куди більш значна причина відведення літака в сторону на розбігу. Саме тому «на розбігу Цессна тягне вліво» (один з реальних пошукових запитів, що призвели когось на мій сайт). Російські яки, до речі, тягне вправо, тому що у них повітряний гвинт обертається в іншу сторону.

Чому так відбувається? Та все дуже просто. Напевно, ви звертали увагу, що літак в цілому досить симетрична штуковина? Симетричний фюзеляж, два однакових крила і симетричний горизонтальний стабілізатор. Але є один елемент, що виділяється своєю асиметрією - це стабілізатор вертикальний, стирчить тільки вгору. Взагалі-то, і він міг би бути симетричним: аеродинаміці це не шкодить, але злітно-посадочні характеристики погіршуються. Такий літак чіпляв б хвостом за землю на зльоті і посадці. Ясно, що це нікуди не годиться, тому вертикальний стабілізатор (c кермом напрямку) завжди тільки один, зверху.

У той же час, повітря, що відкидається пропелером назад до хвоста, рухається прямолінійно, а сильно закручується, обертаючись НАВКОЛО літака. Одна частина цього повітря «натискає» на вертикальний стабілізатор, відхиляючи хвіст в сторону, а інша частина безперешкодно пролітає під хвостом знизу. Ось ця різниця тисків на вертикальний стабілізатор і забезпечує відведення літака в сторону.

Рис. 2: Обдув вертикального оперення (Slipstream)

Само собою, що чим більше тяги розвиває двигун, тим більше повітря відкидається назад і тим сильніше вплив на вертикальний стабілізатор. Саме це відбувається на зльоті, коли тяга максимальна. Гірше того, при малій повітряної швидкості на першому етапі розбігу ефективність керма напряму ще зовсім невелика, і для корекції відведення літака доводиться тиснути на педаль мало не до упору. У міру збільшення швидкості на розбігу ефективність керма зростає і натискання на педаль поступово послаблюють.

Послабити тиск на педаль важливо і в іншому випадку: коли літак ще знаходиться в повітрі на вирівнюванні і постановка малого газу призводить до раптового зникнення ефекту обдування вертикального стабілізатора. Якщо цього не зробити, то літак вільнет в сторону в цей вельми невідповідний момент. Іноді, особливо при посадках з боковим вітром, доводиться навіть давати протилежну ногу, щоб уникнути торкання ЗПС з бічної навантаженням на шасі. Але це не можна робити чисто механічно: натискання на педаль має рівно таким, щоб вісь літака стала паралельна осі смуги - і не більше того.

Оскільки вплив обдування вертикального оперення складається з впливом моменту гвинта (див. Вище), то ці ефекти часто плутають або згадують лише один з них: «обдув» або «момент». Проте, технічно, це два різних ефекту.

Асиметрія тяги гвинта. Цей ефект тим помітніше, чим більше кут кабрірування літака. Набір висоти після зльоту - найкращий приклад такої ситуації. В даному випадку асиметрія тяги завжди призводить до сильного ковзанню літака і вимагає підвищеної уваги і активної протидії з боку льотчика.

Чому ж виникає цей ефект? Адже повітряний гвинт - симетричний? Тут мені, можливо, доведеться зруйнувати чиєсь хибне уявлення про рух літака в наборі висоти. Зазвичай люди забувають, що «відносний вітер» (relative wind) далеко не завжди паралельний поздовжньої осі літака. Насправді, в наборі висоти літак летить не «носом вперед» а, скоріше, «черевом вперед». Так виходить і з-за великого кута атаки при малій повітряної швидкості, і через те, що вектор тяги в наборі завжди спрямований трохи вгору, щоб тягнути літак «в гірку».

Рис. 3. Причина асиметричності тяги гвинта

При цьому завжди виходить, що спадна лопать пропелера має більший кут атаки, ніж висхідна. Якщо вам важко це уявити, то просто повірте, що це так.

Оскільки кути атаки лопатей виходять різними, то і тяга, що розвивається лопатями, - теж різна. В результаті, літак веде вбік, точніше він ковзає, летить боком, що потенційно небезпечно при великому куті атаки в наборі. Тут треба стежити за кулькою «В обидва» і тиснути на педаль - іншого виходу немає.

При переході до горизонтального польоту натискання на педаль треба послабити, оскільки асиметрія тяги гвинта в цьому режимі істотно зменшується. Вона може і зовсім зникнути, якщо вісь обертання гвинта повністю співпаде з напрямком відносного вітру. Останнє цілком можливо в реальному польоті, тому що крило зазвичай встановлюється під деяким кутом до поздовжньої осі фюзеляжу. Тобто літак може летіти абсолютно горизонтально (і з симетричною тягою), а кут атаки крила при цьому становитиме, скажімо, 3 градуси, що досить для підтримки горизонтального польоту.

Рис. 4: Абсолютно симетрична тяга як окремий випадок

Гіроскопічний момент або прецесія (Gyroscopic Precession) - напевно, найскладніший для розуміння, проте дуже цікавий фізичний феномен. По суті, повітряний гвинт - це найбільший гіроскоп, встановлений на літаку. До нього застосовні всі закони, яким підкоряються гіроскопи, зокрема - прецесія. Кожен раз, при спробі відхилити вісь гіроскопа в який-небудь площині, гіроскоп прагне самостійно відхилитися в іншій площині, перпендикулярній першій. Проблема в тому, що абсолютно неможливо запам'ятати, в яку саме сторону в другій площині намагається відхилитися гіроскоп. :)

Щоб зрозуміти суть процесу з пояснення, даного в радянській «Практичної аеродинаміці», мені довелося прочитати його раз десять. Але оскільки кращого пояснення я все одно написати не зможу, привожу його повністю, тримайтеся:

Рис. 5: До поясненню гироскопического дії повітряного гвинта лівого обертання на літаках Як-52 і Як-55

«Припустимо, що маса повітряного гвинта лівого обертання літаків Як-52 і Як-55 зосереджена в двох вантажах 1 і 2 (Рис. 5).

У момент, коли повітряний гвинт знаходився у вертикальному положенні, льотчик відхилив ручку управління на себе, що призвело до підняття щодо горизонту капота літака. Підняття капота літака призведе до виникнення швидкості вантажів і щодо поперечної осі Z, додатково до наявної вже окружної швидкості щодо поздовжньої осі X.

Коли вантажі займуть горизонтальне положення, то за інерцією вони будуть прагнути зберегти придбану швидкість і при піднятті капота відносно горизонту. В результаті дії цих швидкостей вантажів (спрямованих в протилежні сторони-вантажу 1 'назад, вантажу 2' вперед) виникає момент, званий гіроскопічним моментом повітряного гвинта Му.гір, під дією його літак починає розгортатися вліво (при повітряному гвинті лівого обертання) ».

Чим хороша західна школа - вона вміє просто і на пальцях пояснювати всім, навіть повним ідіотам, речі, які в Росії ставлять в тупик далеко не дурних студентів МАІ. Так що ось вам на допомогу буржуазна картинка:

Рис. 6: Гіроскопічний ефект гвинта літака

Зате радянська школа завжди докопається до найдрібніших деталей - і ось воно! Прекрасна діаграма (вид з кабіни), яка допомагає льотчику запам'ятати, в якому саме напрямку буде діяти гіроскопічний ефект при зміні положення капота:

Рис. 7: гіроскопічні дію повітряного гвинта лівого обертання на літаках Як-52 і Як-55

«Реакція літака, що виникає при відхиленні керма через дії гіроскопічного моменту повітряного гвинта, залежить від напрямку переміщення капота літака (Рис.7).

Таким чином, напрямок переміщення капота літака відносно горизонту при дії гіроскопічного моменту повітряного гвинта знаходиться шляхом переміщення його на 90 ° навколо осі повітряного гвинта в сторону обертання ».

Ось, власне, і вся премудрість. Тільки пам'ятайте: діаграма вище - це вид саме з кабіни, а не вид на літак спереду. І майте на увазі, що в Цессна та інших західних літаках, гвинт обертається в іншу сторону, значить, і відводити літак буде в зворотному напрямку, «в сторону обертання».

Гіроскопічний момент, також як і асиметрія тяги гвинта, штука досить неприємна. Вона особливо заважає в віражах, коли вісь обертання гвинта безперервно відхиляється протягом тривалого часу. На ЯК-18Т, наприклад, в правому розвороті літак весь час закидає вгору метрів на 20, а в лівому - завжди втрачає висоту. Також гироскопический момент вельми помітний на літаках з хвостовим колесом, де на розбігу необхідно спочатку відірвати хвіст від землі рухом штурвала від себе. Вісь обертання пропелера відхиляється на вельми великий кут, і ось тут-то літак і виляє в сторону. Не самий вдалий момент, треба відзначити. На щастя, літаки з носовою стійкою позбавлені цієї особливості. Проте, в повітрі різка зміна тангажу може привести до сильного ковзанню - будьте напоготові!

Що ж ... Сподіваюся, що з впливом пропелера на поведінку однодвігательний літака ми розібралися. Про особливості многодвигательного літака я з часом розповім окремо.