Niekorzystne zbaczanie - Adverse yaw

Niekorzystne zbaczanie to naturalna i niepożądana tendencja samolotu do zbaczania w kierunku przeciwnym do przechyłu . Jest to spowodowane różnicą siły nośnej i oporu każdego skrzydła. Efekt ten można znacznie zminimalizować za pomocą lotek celowo zaprojektowanych tak, aby tworzyły opór podczas odchylania w górę i/lub mechanizmów, które automatycznie stosują pewną ilość skoordynowanego steru kierunku . Ponieważ główne przyczyny niekorzystnego zbaczania zmieniają się w zależności od siły nośnej, żaden mechanizm o stałym przełożeniu nie rozwiąże w pełni problemu we wszystkich warunkach lotu, a zatem każdy ręcznie obsługiwany samolot będzie wymagał od pilota pewnego wkładu steru w celu utrzymania skoordynowanego lotu .

Historia

Niekorzystne zbaczanie po raz pierwszy doświadczyli bracia Wright, kiedy nie byli w stanie wykonać kontrolowanych skrętów w swoim szybowcu z 1901 roku, który nie miał pionowej powierzchni sterowej. Orville Wright opisał później brak kontroli kierunkowej szybowca.

Powoduje

Niekorzystne zbaczanie jest efektem wtórnym pochylenia wektorów siły nośnej na skrzydle z powodu jego prędkości toczenia i zastosowania lotek. Niektóre podręczniki szkoleniowe dla pilotów skupiają się głównie na dodatkowym oporze powodowanym przez odchyloną w dół lotkę i zawierają jedynie krótkie lub pośrednie wzmianki o efektach przechyłu. W rzeczywistości kołysanie skrzydeł zwykle powoduje większy efekt niż lotki. Zakładając prędkość przechyłu w prawo, jak na diagramie, przyczyny wyjaśniono w następujący sposób:

Ugięcie wektora nośnego podczas walcowania

Podczas pozytywnego ruchu kołysania lewe skrzydło porusza się w górę. Gdyby samolot był w jakiś sposób zawieszony w powietrzu bez żadnego ruchu poza dodatnim kołysaniem, to z punktu widzenia lewego skrzydła powietrze będzie napływało z góry i uderzało w górną powierzchnię skrzydła. W ten sposób lewe skrzydło będzie doświadczać niewielkiej ilości nadchodzącego strumienia powietrza tylko z ruchu kołysania. Można to konceptualizować jako wektor wychodzący z lewego skrzydła i skierowany w kierunku nadlatującego powietrza podczas dodatniego przechyłu, tj. prostopadle w górę od powierzchni lewego skrzydła. Gdyby ten samolot toczący się dodatkowo poruszał się do przodu w locie, wówczas wektor skierowany w stronę nadlatującego powietrza będzie w większości skierowany do przodu ze względu na lot do przodu, ale także nieco w górę ze względu na ruch toczenia. To jest przerywany wektor pochodzący z lewego skrzydła na schemacie.

Tak więc, w przypadku lewego skrzydła samolotu poruszającego się do przodu, dodatnie przechylenie powoduje lekkie odchylenie nadlatującego powietrza w górę. Odpowiednio, efektywny kąt natarcia lewego skrzydła jest zmniejszony z powodu pozytywnego przechyłu. Z definicji winda jest prostopadła do nadchodzącego strumienia. Odchylenie w górę nadlatującego powietrza powoduje, że wektor siły nośnej jest odchylany do tyłu . I odwrotnie, gdy prawe skrzydło schodzi w dół, jego wektor skierowany w stronę nadlatującego powietrza jest odchylany w dół, a jego wektor nośny jest odchylany do przodu . Wychylenie siły nośnej do tyłu dla lewego skrzydła i wychylenie siły nośnej do przodu dla prawego skrzydła skutkuje niekorzystnym momentem odchylenia w lewo, przeciwnie do zamierzonego skrętu w prawo. Ten niekorzystny moment odchylenia występuje tylko wtedy, gdy samolot kołysze się w stosunku do otaczającego powietrza i znika, gdy kąt przechylenia samolotu jest stały.

Indukowany opór

Rozpoczęcie przewrotu w prawo wymaga chwilowo większego uniesienia w lewo niż w prawo. Powoduje to również większy opór indukowany w lewo niż w prawo, co dodatkowo zwiększa niekorzystne zbaczanie, ale tylko na krótko. Po ustaleniu stałej prędkości przechyłu, niewyważenie lewa/prawa winda słabnie, podczas gdy inne mechanizmy opisane powyżej utrzymują się.

Przeciągnij profil

Odchylenie lotek w dół po lewej stronie zwiększa pochylenie płata , co zwykle zwiększa opór profilu . Odwrotnie, wychylenie lotek w górę po prawej stronie zmniejszy pochylenie i opór profilu. Nierównowaga oporu w profilu przyczynia się do niekorzystnego odchylenia. Lotka Frise zmniejsza opór niewyważenia, jak opisano poniżej.

Minimalizowanie niekorzystnego odchylenia

Istnieje szereg cech konstrukcyjnych statku powietrznego, które można wykorzystać do zmniejszenia niekorzystnego odchylenia, aby zmniejszyć obciążenie pilota:

Stabilność odchylenia

Silna stabilność kierunkowa to pierwszy sposób na ograniczenie niekorzystnego odchylenia. Ma na to wpływ pionowy moment ogonowy (obszar i ramię dźwigni wokół środka ciężkości).

Współczynnik podnoszenia

Ponieważ przechylanie wektorów siły nośnej w lewo/prawo jest główną przyczyną niekorzystnego zbaczania z kursu, ważnym parametrem jest wielkość tych wektorów siły nośnej lub bardziej szczegółowo współczynnik siły nośnej samolotu . Lot z niskim współczynnikiem nośności (lub dużą prędkością w porównaniu z prędkością minimalną) powoduje mniej niekorzystnego odchylenia.

Mieszanie lotek ze sterem

Zgodnie z zamierzeniami ster jest najpotężniejszym i najskuteczniejszym sposobem kontrolowania odchylenia, ale mechaniczne sprzężenie go z lotkami jest niepraktyczne. Sprzężenie elektroniczne jest powszechne w samolotach typu fly-by-wire.

Różnicowe ugięcie lotek

Geometria większości połączeń lotek może być skonfigurowana tak, aby odchylać ruch bardziej w górę niż w dół. Poprzez nadmierne odchylanie skierowanej do góry lotki, opór profilu jest raczej zwiększony niż zmniejszony, a opór separacji dodatkowo pomaga w wytwarzaniu oporu na wewnętrznym skrzydle, wytwarzając siłę odchylenia w kierunku skrętu. Chociaż nie tak wydajny jak mieszanie steru, mechanizm różnicowy lotek jest bardzo łatwy do wdrożenia w prawie każdym samolocie i oferuje znaczną korzyść polegającą na zmniejszeniu tendencji skrzydła do przeciągnięcia najpierw na czubku poprzez ograniczenie wychylenia lotek w dół i związanego z tym efektywnego wzrostu kąta ataku.

Większość samolotów korzysta z tej metody łagodzenia niekorzystnego odchylenia – szczególnie widocznego w przypadku jednego z pierwszych znanych samolotów, który kiedykolwiek z nich korzystał, dwupłatowca szkoleniowego de Havilland Tiger Moth z lat 30. – ze względu na prostą implementację i korzyści w zakresie bezpieczeństwa.

Lotki Frise

Lotki Frise są zaprojektowane tak, aby po przyłożeniu górnych lotek część przedniej krawędzi lotki wystawała w dół w kierunku przepływu powietrza, powodując zwiększony opór tego (schodzącego w dół) skrzydła. To zniweluje opór wytwarzany przez drugą lotkę, zmniejszając w ten sposób niekorzystne zbaczanie.

Niestety, oprócz zmniejszenia niekorzystnego zbaczania, lotki Frise zwiększą ogólny opór samolotu znacznie bardziej niż zastosowanie korekty steru kierunku. W związku z tym są mniej popularne w samolotach, w których ważne jest minimalizowanie oporu (np. w szybowcu ).

Uwaga: Lotki Frise zostały zaprojektowane głównie w celu zmniejszenia sił kontroli przechyłu. W przeciwieństwie do ilustracji, krawędź natarcia lotek jest w rzeczywistości zaokrąglona, ​​aby zapobiec separacji przepływu i trzepotaniu przy ujemnych odchyleniach. Zapobiega to powstawaniu istotnych różnicowych sił oporu.

Spoilery rolkowe

W dużych samolotach, w których użycie steru jest nieodpowiednie przy dużych prędkościach lub lotki są zbyt małe przy niskich prędkościach, można zastosować spoilery przechyłu (zwane również spoileronami ) w celu zminimalizowania niekorzystnego odchylenia lub zwiększenia momentu przechyłu. Aby funkcjonować jako kontrola boczna, spoiler jest podnoszony na opadającym skrzydle (górnej lotce) i pozostaje schowany na drugim skrzydle. Podniesiony spoiler zwiększa opór, dzięki czemu odchylenie jest w tym samym kierunku co rolka.

Referencje i uwagi

Zbieranie danych testowych zrównoważonych lotek, FM Rogallo, Naca WR-L 419