Dwuścienny (aeronautyka) - Dihedral (aeronautics)

Odchylenie do góry skrzydeł i ustnika samolotu, jak widać na tym Boeing 737 , nazywa się kątem dwuściennym.
Schemat dwuściennego i anedrycznego kąta skrzydła samolotu
Pomiar kąta dwuściennego

W lotnictwie dwuścienny to kąt między lewym i prawym skrzydłem (lub powierzchnią ogona) samolotu. „Dwuścienny” jest również używany do opisania wpływu poślizgu bocznego na kołysanie samolotu.

Kąt dwuścienny to kąt skierowany do góry od poziomu skrzydeł lub ogona samolotu stałopłatowego . „Kąt kątowy” to nazwa nadana ujemnemu kątowi dwuściennemu, to znaczy, gdy występuje kąt skierowany w dół od poziomu skrzydeł lub statecznika samolotu ze stałopłatem.

Kąt dwuścienny ma silny wpływ na efekt dwuścienny , który został nazwany jego imieniem. Efekt dwuścienny to wielkość wytworzonego momentu obrotowego proporcjonalna do wielkości ślizgu bocznego . Efekt dwuścienny jest krytycznym czynnikiem wpływającym na stabilność samolotu wokół osi obrotu ( tryb spiralny ). Odnosi się to również do natury wahań kołysania holenderskiego samolotu i manewrowości wokół osi przechyłu .

Dwuścienny podłużny to stosunkowo mało zrozumiały termin odnoszący się do osi skoku samolotu. Jest to kąt pomiędzy osią zerowego unoszenia skrzydła a zerową osią unoszenia ogona poziomego. Podłużna dwuścienny może wpływać na charakter sterowalności wokół osi tonu i charakteru danej samolotu phugoid -mode oscylacji.

Kiedy termin „dwuścienny” (statku powietrznego) jest używany sam w sobie, zwykle ma on oznaczać „ kąt dwuścienny ”. Jednak kontekst może inaczej wskazywać, że „ efekt dwuścienny ” jest zamierzonym znaczeniem.

Dwuścienny kąt porównaniu dwuściennej efekt

Kąt dwuścienny to kąt skierowany do góry od poziomu skrzydeł stałopłatu lub dowolnej sparowanej nominalnie poziomej powierzchni dowolnego statku powietrznego . Termin ten może również odnosić się do skrzydeł ptaka . Kąt dwuścienny jest również używany w niektórych typach latawców, takich jak latawce pudełkowe. Skrzydła z więcej niż jedną zmianą kąta na całej rozpiętości są określane jako wielościenne .

Kąt dwuścienny ma ważne działanie stabilizujące na ciała latające, ponieważ ma silny wpływ na efekt dwuścienny.

Dwuścienny efekt samolotu to moment toczny wynikający z niezerowego kąta ślizgu pojazdu . Zwiększenie dwuściennego kąta samolotu zwiększa jego dwuścienny efekt. Jednak wiele innych parametrów samolotu ma również silny wpływ na efekt dwuścienny. Niektóre z tych ważnych czynników to: odchylenie skrzydeł , pionowy środek ciężkości oraz wysokość i rozmiar czegokolwiek na statku powietrznym, który zmienia swoją siłę boczną wraz ze zmianą poślizgu bocznego .

Dwuścienny podłużny

Kąt dwuścienny na samolocie prawie zawsze oznacza kąt między dwiema sparowanymi powierzchniami, po jednej z każdej strony samolotu . Nawet wtedy prawie zawsze znajduje się między lewym i prawym skrzydłem . Jednak matematycznie dwuścienny oznacza kąt między dowolnymi dwiema płaszczyznami. Tak więc w aeronautyce w jednym przypadku termin „dwuścienny” jest stosowany na oznaczenie różnicy kątów między dwiema powierzchniami z przodu do tyłu :

Dwuścienna podłużna jest różnicą między kątem padania cięciwy stopki skrzydła a kątem padania cięciwy poziomej stopki ogona.

Dwuścienny podłużny może również oznaczać kąt między osią zerowego unoszenia skrzydła a zerową osią unoszenia ogona poziomego zamiast między pasami podstawy dwóch powierzchni. Jest to bardziej sensowne użycie, ponieważ kierunki zerowej siły nośnej odnoszą się do podłużnego przycięcia i stabilności, podczas gdy kierunki akordów prymy nie.

Historia

W geometrii kąt dwuścienny to kąt między dwiema płaszczyznami. Wykorzystanie lotnictwa różni się nieco od użycia w geometrii. W lotnictwie, użycie „ di Hedral” rozwinęła się na myśli pozytywne, aż kąt między lewych i prawych skrzydłach, natomiast wykorzystanie z przedrostkiem „An-” (jak w „ Hedral”) rozwinęła się na myśli negatywne, w dół kąta między skrzydła.

Właściwości stabilizujące aerodynamikę kąta dwuściennego zostały opisane we wpływowym artykule Sir George'a Cayleya z 1810 roku .

Wykorzystuje kąt dwuścienny i efekt dwuścienny

Analiza stateczności statku powietrznego

W analizie stateczności statku powietrznego efekt dwuścienny jest również pochodną stateczności zwaną C l, oznaczającą zmianę współczynnika momentu toczącego („ C l ”) na stopień (lub radian) zmiany kąta znoszenia („ ”).

Zapewnienie stabilności

Celem efektu dwuściennego jest przyczynienie się do stabilności w osi walca. Jest to ważny czynnik wpływający na stabilność trybu spiralnego, który jest czasami nazywany „stabilnością przechyłu”. Efekt dwuścienny nie przyczynia się bezpośrednio do przywrócenia „poziomu skrzydeł”, ale pośrednio pomaga przywrócić „poziom skrzydeł” poprzez wpływ na spiralny tryb ruchu opisany poniżej.

Prześwit skrzydeł

Projektanci statków powietrznych mogą zwiększyć kąt dwuścienny, aby zapewnić większy prześwit między końcami skrzydeł a drogą startową. Ma to szczególne znaczenie w przypadku samolotów ze skośnymi skrzydłami , których końcówki skrzydeł mogą uderzać o pas startowy podczas obrotu / przyziemienia. W samolotach wojskowych przestrzeń kątowa dwuścienna może być wykorzystywana do mocowania materiałów i zbiorników zrzutowych na twardych punktach skrzydeł, zwłaszcza w samolotach z niskimi skrzydłami. Zwiększony efekt dwuścienny spowodowany tym wyborem projektu może wymagać skompensowania, być może poprzez zmniejszenie kąta dwuściennego na ogonie poziomym.

Używanie kąta dwuściennego do regulacji efektu dwuściennego

Podczas projektowania stałopłatu (lub dowolnego samolotu z poziomymi powierzchniami) zmiana kąta dwuściennego jest zwykle stosunkowo prostym sposobem dostosowania ogólnego efektu dwuściennego. Ma to na celu skompensowanie wpływu innych elementów projektu na efekt dwuścienny. Te inne elementy (takie jak odchylenie skrzydła, pionowy punkt mocowania skrzydła itp.) Mogą być trudniejsze do zmiany niż kąt dwuścienny. W rezultacie w różnych typach samolotów stałopłatowych można znaleźć różne wartości kąta dwuściennego. Na przykład kąt dwuścienny jest zwykle większy w dolnopłatach niż w innych podobnych górnopłatach. Dzieje się tak, ponieważ „wysokość” skrzydła (lub „obniżenie” pionowego środka ciężkości w porównaniu ze skrzydłem) w naturalny sposób tworzy bardziej dwuścienny efekt. To sprawia, że ​​potrzebny jest mniej dwuścienny kąt, aby uzyskać wymagany efekt dwuścienny.

Częste nieporozumienia

Efekt dwuścienny definiuje się po prostu jako moment toczenia spowodowany poślizgiem bocznym i niczym więcej. Momenty toczenia spowodowane innymi czynnikami, które mogą być związane z uślizgiem bocznym, mają różne nazwy.

Efekt dwuścienny nie jest spowodowany szybkością odchylania ani szybkością zmiany poślizgu bocznego . Ponieważ piloci dostrzegają efekt dwuścienny, gdy „ster jest używany”, wielu pilotów i innych niemal ekspertów wyjaśnia, że ​​moment obrotowy jest spowodowany szybszym ruchem jednego skrzydła w powietrzu, a jednym wolniejszym. Rzeczywiście, są to rzeczywiste efekty, ale nie są efektem dwuściennym, który jest spowodowany ustawieniem się pod kątem znoszenia, a nie dostaniem się do niego. Te inne efekty nazywane są odpowiednio „momentem toczącym wynikającym ze współczynnika odchylenia” i „momentem toczącym wynikającym ze współczynnika odchylenia bocznego”.

Efekt dwuścienny nie jest sam w sobie stabilnością toczenia . Stabilność toczenia jest mniej niejednoznacznie nazywana „stabilnością w trybie spiralnym”, a wpływ na nią ma wpływ dwuścienny.

Jak kąt dwuścienny tworzy efekt dwuścienny i stabilizuje tryb spiralny

Kąt dwuścienny przyczynia się do całkowitego efektu dwuściennego samolotu. Z kolei efekt dwuścienny przyczynia się do stabilności trybu spiralnego . Stabilny tryb spirala powoduje, że samolot, aby w końcu powrócić do poziomu nominalnie „skrzydełka” kąta bankowego gdy kąt skrzydeł jest zakłócony, aby stać się poziomu.

Rys. 1: Nieskompensowana składowa nośna wytwarza siłę boczną F y , która powoduje poślizg samolotu.
Rys. 2: Niezerowy ślizg boczny ustawia dolne skrzydło z wiatrem pod większym kątem natarcia, co skutkuje stabilizującym momentem przechyłu P.
Pokazany jest samolot lecący bezpośrednio w kierunku widza.

Jeśli zakłócenie spowoduje, że statek powietrzny potoczy się z normalnej pozycji na poziomie skrzydeł, jak na rysunku 1, statek powietrzny zacznie przesuwać się nieco na boki w kierunku dolnego skrzydła. Na rysunku 2 tor lotu samolotu zaczął przesuwać się w lewo, podczas gdy dziób samolotu nadal jest skierowany w pierwotnym kierunku. Oznacza to, że nadchodzące powietrze dociera nieco z lewej strony nosa. Samolot ma teraz oprócz kąta przechylenia również kąt znoszenia bocznego . Rysunek 2 przedstawia samolot, który prezentuje się nadlatującemu powietrzu.

Jak kąt dwuścienny tworzy moment toczny od ślizgu (efekt dwuścienny)

Na rysunku 2, ślizg boczny powoduje większy kąt natarcia na skrzydło odchylone do przodu i mniejszy kąt natarcia na skrzydło odchylone do tyłu. Ta zmiana kąta natarcia przez ślizg boczny jest widoczna na Rysunku 2. Ponieważ większy kąt natarcia powoduje większą siłę nośną (w zwykłym przypadku, gdy skrzydło nie jest bliskie przeciągnięcia), przednie skrzydło będzie miało większą siłę nośną, a tylne skrzydło będzie miało większą siłę nośną. mniej dźwigu. Ta różnica siły nośnej między skrzydłami jest momentem toczenia, spowodowanym przez ślizg boczny. Jest to wkład w całkowity dwuścienny efekt samolotu.

Jak efekt dwuścienny stabilizuje tryb spiralny

Moment toczny utworzony przez ślizg boczny (oznaczony jako „P”) ma tendencję do przechylania samolotu z powrotem do poziomu skrzydeł. Efekt bardziej dwuścienny powoduje silniejsze obracanie skrzydeł w kierunku „poziomowania”, a mniejszy efekt dwuścienny powoduje słabsze obracanie skrzydeł w kierunku „poziomowania”. Efekt dwuścienny pomaga ustabilizować tryb spiralny poprzez tendencję do toczenia skrzydeł w kierunku poziomu proporcjonalnie do ilości narastającego ślizgu bocznego. Nie jest to jednak cały obraz. W tym samym czasie narasta kąt ślizgu , pionowa płetwa próbuje skierować dziób z powrotem pod wiatr, podobnie jak wiatrowskaz, minimalizując ilość ślizgu, który może być obecny. Jeśli nie ma ślizgu bocznego, nie może być przywracającego momentu toczenia. Im mniej ślizgu bocznego, tym mniejszy jest moment toczenia przywracający. Stabilność odchylenia stworzona przez pionową płetwę przeciwdziała tendencji do efektu dwuściennego toczenia skrzydeł z powrotem do poziomu poprzez ograniczenie ślizgu bocznego.

Tryb spiralny to tendencja do powolnego odchylania się lub powolnego powrotu do poziomu skrzydeł. Jeśli tryb spiralny jest stabilny, dron powoli powróci do poziomu skrzydeł, jeśli jest niestabilny, dron powoli odchyli się od poziomu skrzydeł. Efekt dwuścienny i stabilność odchylenia to dwa podstawowe czynniki, które wpływają na stabilność trybu spiralnego, chociaż istnieją inne czynniki, które wpływają na niego mniej silnie.

Inne czynniki wpływające na efekt dwuścienny

CG z paralotni jest bardzo niska, co przyczynia się do silnego efektu dwuścienny

Czynniki konstrukcyjne inne niż kąt dwuścienny również przyczyniają się do efektu dwuściennego. Każde z nich zwiększa lub zmniejsza całkowity dwuścienny efekt samolotu w mniejszym lub większym stopniu.

Sweepback

Zamiatanie skrzydeł również zwiększa efekt dwuścienny. Jest to jeden z powodów dla konfiguracji anhedralnej w samolotach o dużym kącie pochylenia, a także w niektórych samolotach, nawet na dolnopłatach, takich jak Tu-134 i Tu-154 , z małymi niemieckimi dwupłatowcami Bücker Flugzeugbau z lat 30. , dwumiejscowy trener Bucker Jungmann i bardziej znany dwupłatowiec akrobacyjny Bücker Jungmeister , oba mają około 11 ° odchylenia skrzydeł, co daje obu projektom stopień efektu dwuściennego, poza niewielką liczbą dwuściennych projektów obu dwupłatowców.

Pionowe położenie środka masy

Środek masy , zwykle nazywa się środek ciężkości lub „CG”, jest punktem równowagi samolotu. W przypadku zawieszenia w tym miejscu i umożliwienia mu obracania, nadwozie (samolot) zostanie wyważone. Położenie środka ciężkości od przodu do tyłu ma podstawowe znaczenie dla ogólnej stabilności statku powietrznego, ale położenie pionowe ma również istotne znaczenie.

Pionowe położenie CG zmienia wielkość efektu dwuściennego. W miarę jak „pionowe CG” przesuwa się niżej, efekt dwuścienny nasila się. Jest to spowodowane tym, że środek siły nośnej i oporu znajduje się dalej nad środkiem ciężkości i ma dłuższe ramię momentowe. Zatem te same siły, które zmieniają się wraz ze zmianami poślizgu bocznego (głównie siła boczna, ale także siła nośna i opór) wytwarzają większy moment wokół środka ciężkości samolotu. Czasami nazywa się to efektem wahadła .

Ekstremalnym przykładem wpływu pionowego środka ciężkości na efekt dwuścienny jest paralotnia . Efekt dwuścienny wytworzony przez bardzo niskie pionowe CG z nadwyżką kompensuje ujemny efekt dwuścienny wytworzony przez silną anedrę skrzydła z konieczności silnie zakrzywionego w dół.

Skutki zbyt dużego efektu dwuściennego

Efektem ubocznym zbyt dużego efektu dwuściennego, spowodowanego między innymi zbyt dużym kątem dwuściennym, może być sprzężenie z odchyleniem bocznym (tendencja samolotu do przechylenia holenderskiego ). Może to być nieprzyjemne doznania lub w ekstremalnych warunkach może prowadzić do utraty kontroli lub przeciążenia statku powietrznego.

Anedr i wielościenny

Anhedralny

Anhedron na skrzydłach i ogonie samolotu RAF Harrier GR7A .
Widok z przodu Antonowa An-124 . Wyraźnie widać anhedralne skrzydła.

Wojskowe myśliwce często mają prawie zerowy lub nawet kąt kątowy, zmniejszając efekt dwuścienny, a tym samym zmniejszając stabilność trybu spiralnego. Zwiększa to manewrowość, która jest pożądana w samolotach myśliwskich.

Kąty kątowe są również widoczne na samolotach z wysoko zamontowanym skrzydłem, takich jak bardzo duży samolot towarowy Antonov An-124 i Lockheed C-5 Galaxy . W takich konstrukcjach, wysoko zamontowane skrzydło znajduje się powyżej środka ciężkości samolotu, co daje dodatkowy efekt dwuścienny ze względu na efekt wahadła (zwany również efektem stępki ), a więc dodatkowy kąt dwuścienny często nie jest wymagany. Takie konstrukcje mogą mieć nadmierny efekt dwuścienny i dlatego mogą być nadmiernie stabilne w trybie spiralnym, dlatego dodaje się kąt kątowy na skrzydle, aby zniwelować część efektu dwuściennego, tak aby łatwiej było manewrować statkiem powietrznym.

Wielościenny

Wodnosamolot Beriev Be-12 z konstrukcją skrzydła mewy. Zwróć uwagę na prześwit, jaki ten projekt zapewnia śmigłom nad powierzchnią wody.
F4U-1 Corsair ląduje na lotniskowcu w 1943 roku. Zwróć uwagę na konstrukcję odwróconego skrzydła mewy i krótkie rozpórki podwozia.
McDonnell Douglas F-4 Phantom II z wielościennym skrzydłem i anedrycznym ogonem.

Większość samolotów została zaprojektowana z płaskimi skrzydłami o prostej dwuściennej (lub anhedralnej). Niektóre starsze samoloty, takie jak Beriev Be-12, zostały zaprojektowane ze skrzydłami mewy wygiętymi blisko nasady. Inne, takie jak Vought F4U Corsair , wykorzystywały odwróconą konstrukcję skrzydeł mewy, co pozwoliło na krótsze kolumny do lądowania i dodatkowy prześwit dla dużych śmigieł i zewnętrznych ładunków, takich jak zewnętrzne zbiorniki paliwa lub bomby. Nowoczesne konstrukcje skrzydeł wielościennych zwykle wyginają się w górę w pobliżu końcówek skrzydeł (zwanych również dwuściennymi końcówkami ), zwiększając efekt dwuścienny bez zwiększania kąta, z jakim skrzydła spotykają się u nasady, co może być ograniczone do spełnienia innych kryteriów projektowych.

Wielościenny jest widoczny na szybowcach i niektórych innych samolotach. McDonnell Douglas F-4 Widmo II jest jednym z przykładów, unikalny wśród myśliwce do dwuścian mający końcówki skrzydeł. Zostało to dodane po testach w locie prototypu płaskich skrzydeł, które wykazały potrzebę skorygowania nieoczekiwanej niestabilności w trybie spiralnym - ustawienie pod kątem końcówek skrzydeł, które zostały już zaprojektowane do składania do operacji lotniskowych, było bardziej praktycznym rozwiązaniem niż przeprojektowanie całego skrzydła.

Bibliografia

Przypisy

Uwagi

Linki zewnętrzne