Центр тяжести: откуда берётся равновесие самолёта?

На предыдущем шаге мы увидели, что самолёт вращается вокруг трёх осей и что эти оси пересекаются в центре тяжести. На этом шаге объясним, почему эта точка так важна.

Что такое центр тяжести?

У каждой части самолёта есть вес. Центр тяжести (ЦТ) — это среднее положение всех этих весов. Если бы вы могли удержать самолёт одним пальцем точно в этой точке, он остался бы в равновесии, не заваливаясь ни вперёд, ни назад.

Как поясняет NASA, когда рули создают силу, самолёт вращается вокруг этой точки. Поведение самолёта во многом определяется тем, где находится ЦТ относительно крыла.

Как рассчитать центр тяжести?

Расчёт простой: выбирается опорная точка, здесь — кончик носа. Вес каждой части умножается на её расстояние от опорной точки. Сумма этих произведений делится на общий вес.

ЦТ = Σ(вес × расстояние) / Σ(вес)

В примере двигатель весит 150 г (5 см), аккумулятор 200 г (15 см), фюзеляж с крылом 400 г (30 см), хвостовое оперение 50 г (85 см). Общий вес — 800 г, сумма произведений — 20 000 г·см. Центр тяжести находится в 25 см позади носа.

Теперь сдвинем аккумулятор массой 200 г, стоящий в 15 см от носа, на 5 см вперёд — на 10 см. Его произведение уменьшится с 200 × 15 = 3000 до 200 × 10 = 2000, а сумма станет 19 000. Новый ЦТ: 19 000 / 800 = 23,75 см. То есть сдвиг аккумулятора массой 200 г на 5 см переносит центр тяжести на 1,25 см вперёд. Это и самый простой способ балансировки модели: изменить положение аккумулятора.

Если ЦТ слишком впереди

• Самолёт становится более устойчивым; при возмущении он сильнее стремится сам вернуться к горизонтальному полёту.
• Но поднимать нос становится труднее. Оперению приходится создавать большую силу вниз, чтобы поднять нос.
• Эта дополнительная сила на оперении увеличивает нагрузку, которую должно нести крыло. Согласно руководству FAA, это повышает скорость сваливания.
• При посадке может быть труднее поднять нос и мягко коснуться земли.

Если ЦТ слишком сзади

• Самолёт становится менее устойчивым; он очень чутко реагирует на рули и требует постоянных поправок.
• Если ЦТ уходит за определённую границу, самолёт становится неустойчивым и может потерять управляемость.
• Выводить его из сваливания и штопора становится труднее.

Балансировка модели самолёта

1. Найдите положение ЦТ, указанное производителем. В инструкциях к наборам и готовым моделям центр тяжести указывается как расстояние от передней кромки крыла. Как общее правило, эта точка обычно находится примерно между четвертью и третью средней аэродинамической хорды (САХ) от передней кромки. На трапециевидных или стреловидных крыльях измерение от корневой хорды даёт неверный результат; всегда ориентируйтесь на инструкцию к своей модели.
2. Подготовьте самолёт к полёту. Аккумулятор, винт и всё оборудование должны быть установлены. Не должно быть ничего, чего не будет на борту в полёте.
3. Поднимите модель двумя пальцами в точке ЦТ. Если самолёт держится ровно или слегка носом вниз, балансировка правильная. Если хвост опускается, ЦТ слишком сзади.
4. Отрегулируйте. Сначала попробуйте сдвинуть аккумулятор. Если этого недостаточно, добавьте небольшой груз в нос. Если оказывается, что груз нужно добавлять в хвост, прежде чем это делать, ещё раз сверьтесь с инструкцией.

Попробуйте сами

Детали из примера уже внесены в инструмент. Взвесьте детали своей модели и введите их расстояния от носа; инструмент рассчитает центр тяжести, на каком проценте хорды он находится и насколько нужно сдвинуть аккумулятор.

Следующий шаг

В уравнении подъёмной силы мы увидели, что плотность воздуха имеет значение. На следующем шаге познакомимся с атмосферой: почему с высотой воздух становится «тоньше» и как жаркий летний день влияет на лётные характеристики?