Устойчивость: почему самолёт выравнивается сам?

Хорошо отрегулированная учебная модель после порыва ветра сама возвращается в горизонтальный полёт, даже если пилот ничего не делает. Пилотажная же модель, если отпустить ручки, склонна оставаться в том положении, в которое попала. Это различие называется устойчивостью.

Статическая устойчивость: первоначальная тенденция

Руководство FAA определяет статическую устойчивость как первоначальную тенденцию самолёта при нарушении его равновесия. Возможны три случая:

• Положительная статическая устойчивость: самолёт стремится вернуться в прежнее состояние. Как шарик на дне чаши.
• Нейтральная статическая устойчивость: самолёт остаётся в новом состоянии. Как шарик на ровном столе.
• Отрицательная статическая устойчивость: самолёт ещё дальше уходит от исходного состояния. Как шарик на вершине холма.

Положительная статическая устойчивостьНейтральнаяОтрицательнаяпосле толчка возвращаетсяостаётся на новом местепосле толчка удаляетсяЗатухающие колебанияНезатухающие колебанияНарастающие колебанияположительная динамическая устойчивостьнейтральная динамическая устойчивостьотрицательная динамическая устойчивость

Динамическая устойчивость: что происходит со временем?

Статическая устойчивость говорит только о первоначальной тенденции. Самолёт, стремящийся вернуться в прежнее состояние, может проскочить цель и начать колебаться. Динамическая устойчивость — это то, как это движение меняется со временем:

• Положительная: колебания уменьшаются и затухают.
• Нейтральная: колебания продолжаются с той же амплитудой.
• Отрицательная: колебания нарастают.

Для положительной динамической устойчивости сначала нужна положительная статическая устойчивость, но одной её недостаточно. Нужен ещё эффект, который демпфирует движение.

Продольная устойчивость: центр тяжести и горизонтальное оперение

Устойчивость по тангажу (нос вверх–вниз) тесно связана с тем, что мы рассматривали на шаге 6: центр тяжести (CG). У каждого самолёта есть нейтральная точка: если бы центр тяжести находился в ней, самолёт был бы нейтрально устойчив по тангажу. Чем дальше центр тяжести впереди нейтральной точки, тем устойчивее самолёт. Отношение этого расстояния к средней аэродинамической хорде называется запасом статической устойчивости.

Посмотрим, как это работает. Когда порыв поднимает нос, угол атаки увеличивается и у крыла, и у горизонтального оперения. Поскольку оперение находится далеко от центра тяжести, прирост его подъёмной силы создаёт большой момент и снова опускает нос. Одновременно оперение демпфирует движение: когда нос быстро поднимается и опускается, оперение движется в воздухе вверх-вниз, и это движение порождает силу, противодействующую ему самому.

Устойчивость по крену: поперечное V

У самолётов, крылья которых при взгляде спереди слегка подняты буквой «V», есть поперечное V (dihedral). На странице NASA о геометрии крыла отмечается, что поперечное V придаёт самолёту устойчивость по крену.

Когда порыв кренит самолёт, подъёмная сила тоже наклоняется вбок, и самолёт начинает скользить в сторону опущенного крыла. При этом скольжении, благодаря поперечному V, опущенное крыло встречает поток под бо́льшим углом атаки и создаёт больше подъёмной силы. В результате возникает эффект, снова выравнивающий крылья. У высокопланов похожий эффект даёт расположение центра тяжести ниже крыла (FAA описывает это как «keel effect»).

Вот почему у учебных моделей заметное поперечное V. Пилотажные же модели обычно делают без поперечного V, чтобы при отпущенных ручках они сохраняли заданный крен.

Путевая устойчивость: вертикальное оперение

Вертикальное оперение работает как флюгер. Когда порыв разворачивает нос самолёта вбок, вертикальное оперение встречает поток сбоку и снова разворачивает нос по потоку. Руководство FAA сравнивает это с поведением флюгера.

Всегда ли устойчивость хороша?

Очень устойчивый самолёт сопротивляется возмущениям, но и на управление реагирует неохотно. У учебных самолётов на первом месте устойчивость, у пилотажных — манёвренность. При проектировании между ними ищут баланс.

Попробуйте сами

Порыв поднимает нос самолёта на 8°. Сначала оставьте запас статической устойчивости равным 10, затем уменьшите его до 0 и до −5. После этого переключите ось на «Крен» и меняйте угол поперечного V. Сравните поведение кривой на графике и самолёта в 3D-виде.

Следующий шаг

Возвращаемся к лётным характеристикам устойчивого самолёта: как далеко планирует самолёт с выключенным мотором? Сколько избыточной мощности нужно для набора высоты?