Являются ли истребители настолько нестабильными по своей природе, что человек не может летать один без посторонней помощи?

Мой короткий ответ:

• Устойчивость снижается при смещении центра тяжести на корму.
• Смещение его за нейтральную точку делает самолет неустойчивым, поэтому движения от обрезанного состояния ускоряются. Это повышает маневренность.
• Полетные компьютеры многократно избыточны, если один умирает, другие берут верх.
• Медленные неустойчивые самолеты могут летать человеческим пилотом, но не быстрые неустойчивые самолеты.

Для длинного ответа позвольте мне сначала уточнить термины:

Статическая стабильность-это тенденция системы возвращаться в прежнее состояние после нарушения. Возьмите маятник: если потянуть его в одну сторону, он вернется к середине. В итоге.

Динамическая устойчивость-это тенденция колебательной системы к затуханию колебаний с течением времени. Возьмите тот же маятник: он будет качаться из стороны в сторону, и трение обеспечит это с еще меньшей амплитудой.

Теперь нам нужно добавить размеры, все три из них: шаг, крен и рыскание. Самолет может быть устойчив в одном измерении и неустойчив в другом. Я понимаю ваш вопрос так, что вы спрашиваете о статической устойчивости (или продольной устойчивости) истребителя.

Летчик Райта был продольно неустойчивым (см. здесь больше). Как только авиаконструкторы узнали, что самолет можно заставить летать стабильно, и узнали, что это имеет огромное преимущество в подготовке пилотов, статическая стабильность стала требованием для новых самолетов. Когда началась война в Европе, британские войска были оснащены превосходным учебным самолетом, но он был настолько устойчив, что потребовалось усилие и время, чтобы убедить его изменить курс. Их сбивали толпами.

Отныне низкая устойчивость была главным требованием для истребителей и пилотажных самолетов. Статическая устойчивость пропорциональна управляющим силам (точнее: шарнирному моменту соответствующей рулевой поверхности), поэтому снижение устойчивости дало пилотам больший отклик на те же усилия. Продольная статическая устойчивость измеряется как относительное расстояние между нейтральной точкой (NP) и центром тяжести (CG). Смотрите здесь для большего. Продольная статическая стабильность достигается путем размещения кг впереди НП. Сдвиг CG назад дает вам более отзывчивый самолет, но и тот, который более легко нарушается порывами.

Это техника проектирования, о которой вы спрашивали. Довольно просто, правда?

Как только вы переместите CG в кормовую часть NP, стабильность будет потеряна, и самолет увеличит отклонения от состояния обрезки. Это может быть полезно, если вы хотите большие изменения угла, и быстро. Неустойчивый самолет нуждается только в небольшом ударе и сделает остальную часть маневра сам по себе.

Вот как это помогает в маневренности. Но еще более полезно уменьшить инерции, особенно вокруг оси крена, для более быстрой реакции. Именно поэтому все боевые самолеты имеют свои двигатели близко к центру.

Конечно, отрицательная стабильность не приемлема, когда нужно убрать руки с палки, чтобы достать карту или пописать в дальнем полете. Таким образом, без компьютерного управления пределом была позиция CG рядом, но не в кормовой части NP.

Со сверхзвуковым самолетом все стало сложнее. Теперь самолет работает в двух режимах полета: один, где подъемная сила действует на четверть хорды крыла и один, где она действует на середине хорды. Самолеты с низкой статической стабильностью становятся очень стабильными в сверхзвуковом полете, и поверхность хвоста должна создать высокую нисходящую силу так, чтобы сумма всего лифта осталась, где CG. Создание подъемной силы всегда влечет за собой штраф за сопротивление, и в сверхзвуковом полете он должен выплачиваться дважды: один за избыточный подъем на крыле (который необходим для компенсации нисходящей силы хвоста) и один за нисходящую силу на хвосте.

Использование компьютера управления полетом дает возможность пилоту отпустить штурвал без отклонения самолета от курса. Теперь палка не управляет отклонением лифта, но скоростью тангажа, и CG можно переместить с 12% MAC (средняя аэродинамическая хорда) до -2%. Если вы сравните области крыла стабильных и нестабильных струй (Jaguar и Mirage F-1 являются примерами), вы увидите, сколько достигается, просто возвращаясь с CG на несколько процентов хорды крыла.

Обычная версия SEPECAT Jaguar и CCV (изображение из основ дизайна истребителя Рэя Уитфорда). Обе конфигурации имеют одинаковые аэродромные и боевые характеристики!

Может ли человек еще летать на таком самолете? В соревнованиях на планерах более смелые пилоты летают с расслабленной статической стабильностью и без проблем держат самолет под контролем. Даже братья Райт могли справиться со своим нестабильным самолетом, и управление улучшилось, когда они переместили CG дальше назад (Если вы хотите знать, почему, пожалуйста, отправьте новый вопрос. Этот ответ уже слишком длинный!). Однако скорость реакции тангажа самолета пропорциональна скорости полета (и обратно пропорциональна моменту инерции тангажа), поэтому более быстрый самолет труднее контролировать. Вы можете сравнить динамическое давление с жесткостью пружины: более жесткая пружина перемещает собственную частоту системы пружина-масса вверх, и то же самое верно для собственных значений уравнений движения самолета. Учитывая, что время реакции хорошего пилота составляет не менее 0,1 С (и более, если он устал), противодействовать движениям с частотами более нескольких герц невозможно. Отставание означает, что реакция наступает слишком поздно и будет поддерживать движение. Смотрите этот клип на YouTube как это работает на практике. Эта авария произошла из-за неправильного усиления сигнала, а не классической нестабильности (в конце концов, бортовой компьютер все еще работал, но производил слишком сильные отклонения лифта).

Я бы рискнул сказать, что человек все еще может едва летать на нестабильном самолете на низкой скорости (в конце концов, том Моргенфельд почти получил YF-22 под контролем), но как только он отключит дроссель, он всегда будет за самолетом и скоро его разобьет.

Помощь размера: более большие плоскости имеют более низкие собственные частоты, и светлые, большие корабли легки для того чтобы контролировать, независимо от стабилности. Все Цеппелины были совершенно неустойчивы в рыскании и выше критической скорости дирижабля (опять же, пожалуйста, попросите более подробный ответ на этот аспект) также в поле, но с одним человеком каждый для вертикальных и горизонтальных поверхностей управления, и достаточно людей на борту, чтобы повернуть их через 2 — 4 часа, никто не чувствовал необходимости сделать Цеппелины естественно стабильными.

Если один компьютер умирает, другие берут верх. Большинство нестабильных конфигураций имеют четыре параллельных компьютера, которые перепроверяют результат, чтобы выявить неисправность. Dassault Rafale использует только три, но добавляет безопасность умными алгоритмами для проверки результатов.

Да, первым таким самолетом был F-16. Он был разработан как неотъемлемо аэродинамически неустойчивый, что позволяет ему великолепно реагировать в бою. Это стало возможным благодаря тому, что это летательный аппарат. Маневренность повышается, потому что по определению это способность менять состояния. Стабильность-это сопротивление переменам. Чем стабильнее вы находитесь, тем труднее быстро поворачивать/подавать в динамичной ситуации.

И да, пилот не смог бы посадить эти самолеты, если бы системы fly-by-wire стали неработоспособными. Есть случаи, когда пилоты F-16 потеряли свой компьютер и умерли из — за вызванных пилотом колебаний-условие, при котором пилот не исправляет нестабильность своего самолета со скоростью, достаточной для поддержания контроля.

Другими такими неустойчивыми самолетами являются B-2, F-22, F-35, Eurofighter и др. Все современные бойцы должны быть изначально нестабильными, чтобы быть конкурентоспособными.

Нестабильность в тангаже понижает сопротивление отделки салона для самолета с хвостом. Стабильность относится к относительным положениям центра подъема (cl) и центра тяжести (cg). Когда cg опережает CL (стабильный) самолет, который останавливается, может упасть вперед, увеличивая скорость и восстанавливаясь. Когда cl опережает cg, этого не произойдет. Однако, когда cl впереди cg tailplane производит подъем. Когда cg опережает cl (неустойчивый), хвостовая плоскость создает нисходящую силу, снижая эффективность. Для утки, стабилность препятствует обеим поверхностям произвести подъем. Однако истребители canard, как правило, нестабильны, чтобы увеличить скорость подачи и снизить сверхзвуковое сопротивление. На сверхзвуковых скоростях cl движется назад, что означает, что утка должна будет нести большую часть бремени подъема самолета. Поскольку утка является менее эффективной подъемной поверхностью, чем крыло, это нежелательно.

Редактировать:

Я добавлю, что, когда истребитель идет сверхзвуковым, он переходит от нестабильного к стабильному как для утки, так и для хвостов.