Уголок гроба (аэродинамика) - Coffin corner (aerodynamics)

График огибающей области высоты / скорости для Локхид U-2 с изображением угла гроба

Уголок гроба (также известный как аэродинамический потолок[1] или Q угол) - область полета, где проходит быстрый, но дозвуковой самолет с ларек скорость близка к критическое число Маха по заданной валовой масса и Нагрузка G-force. В этом районе полета очень сложно удержать самолет в стабильном полете. Поскольку скорость сваливания - это минимальная скорость, необходимая для поддержания горизонтального полета, любое снижение скорости приведет к сваливанию самолета и потере высоты. Поскольку критическое число Маха - это максимальная скорость, с которой воздух может перемещаться над крыльями без потери подъемной силы из-за отрыва потока и ударных волн, любое увеличение скорости приведет к потере подъемной силы самолета или к сильному тангажу и снижению подъемной силы. высота.

«Угол» относится к треугольной форме в верхней части конверт для полета диаграмма, где скорость сваливания и критическое число Маха находятся в пределах нескольких узлов друг от друга. «Гроб» означает возможную смерть в таких киосках. Скорость, на которой они встречаются, - это потолок самолета. Это отличается от того же термина, который используется для вертолетов за пределами диапазона автоматического поворота, как показано на диаграмма высота-скорость.

Аэродинамическая основа

Рассмотрение статика показывает, что когда самолет находится в прямолинейном горизонтальном полете с постояннымскорость полета то поднимать на основном крыле плюс сила (в отрицательном смысле, если она направлена ​​вниз) на горизонтальный стабилизатор равняется весу самолета; и это толкать равен своему тянуть. В большинстве случаев это равновесие может происходить при различных скоростях полета. Минимальная такая скорость - это скорость сваливания, или VТАК. В указанная воздушная скорость при котором сваливание самолета с неподвижным крылом меняется в зависимости от веса самолета, но не изменяется значительно с высотой. На скоростях, близких к скорости сваливания, крылья самолета находятся на большой высоте. угол атаки.

На более высоком высоты, то плотность воздуха ниже, чем на уровне моря. Из-за постепенного уменьшения плотности воздуха по мере увеличения высоты самолета истинная воздушная скорость постепенно превышает указанную скорость полета. Например, указанная воздушная скорость, при которой самолет сваливается, может считаться постоянной, но истинная воздушная скорость, при которой он сваливается, увеличивается с высотой.

Воздух проводит звук с определенной скоростью, "скорость звука ". Это замедляется по мере того, как воздух становится холоднее. Поскольку температура атмосферы обычно понижается с высотой (до тропопауза ) скорость звука также уменьшается с высотой. (См. Международная стандартная атмосфера подробнее о температуре как функции от высоты.)

Заданная воздушная скорость, деленная на скорость звука в этом воздухе, дает соотношение, известное как число Маха. Число Маха 1,0 означает воздушную скорость, равную скорости звука в этом воздухе. Поскольку скорость звука увеличивается с увеличением температуры воздуха, а температура воздуха обычно уменьшается с высотой, истинная воздушная скорость для данного числа Маха обычно уменьшается с высотой.[2]

По мере того, как самолет движется в воздухе быстрее, поток воздуха над частями крыла достигает скорости, приближающейся к 1,0 Маха. На таких скоростях, ударные волны образуются в воздухе, проходящем над крыльями, резко увеличивая сопротивление из-за расхождение сопротивления, вызывая буфет Маха, или резко меняя центр давления, в результате чего нос опущен момент называется "машинка ". Число Маха самолета, при котором проявляются эти эффекты, известно как его критическое число Маха, или MCRIT. Истинная воздушная скорость, соответствующая критическому числу Маха, обычно уменьшается с высотой.

В конверт для полета представляет собой график различных кривых, представляющих пределы истинной воздушной скорости и высоты самолета. Как правило, верхняя левая граница диапазона представляет собой кривую, представляющую скорость сваливания, которая увеличивается с увеличением высоты. Верхняя правая граница огибающей - это кривая, представляющая критическое число Маха в единицах истинной воздушной скорости, которое уменьшается с увеличением высоты. Эти кривые обычно пересекаются на некоторой высоте. Это пересечение угол гроба, или более формально Q угол.[3]

Приведенное выше объяснение основано на уровне, постоянной скорости, полете с заданной общей масса и коэффициент нагрузки 1,0 G. Конкретные высота и скорость угла гроба будут различаться в зависимости от веса, а коэффициент нагрузки увеличивается из-за маневров крена и качки. Точно так же конкретные высоты, на которых скорость сваливания соответствует критическому числу Маха, будут различаться в зависимости от фактической температуры атмосферы.

Последствия

Когда самолет замедляется до скорости ниже своей скорости сваливания, он не может создать достаточную подъемную силу, чтобы нейтрализовать силы, действующие на самолет (такие как вес и центростремительная сила). Это приведет к снижению высоты самолета. Падение высоты может заставить пилота увеличить угол атаки, потянув ручку вверх, потому что обычно увеличение угла атаки приводит к набору высоты. Однако, когда крыло превышает свой критический угол атаки, увеличение угла атаки приведет к потере подъемной силы и дальнейшему снижению скорости полета - крыло киоски. Причина сваливания крыла при превышении критического угла атаки заключается в том, что воздушный поток через верхнюю часть крыла отделяет.

Когда самолет превышает свое критическое число Маха (например, во время предотвращения сваливания или восстановления), сопротивление увеличивается или Mach tuck происходит, что может привести к опрокидыванию, потере управления и высоте дрона. В любом случае, когда самолет падает, он может набрать скорость, а затем структурный отказ может произойти, обычно из-за чрезмерного грамм сил во время фазы отвода при восстановлении.

Когда самолет приближается к углу гроба, разница между скоростью сваливания и критическим числом Маха становится все меньше и меньше. Небольшие изменения могут поставить одно или другое крыло выше или ниже пределов. Например, при повороте внутреннее крыло имеет более низкую воздушную скорость, а внешнее крыло - более высокую. Самолет мог превысить оба предела сразу. Или же, турбулентность может привести к резкому изменению воздушной скорости за допустимые пределы. Некоторые самолеты, такие как Локхид U-2, заведомо действующие в «уголке гроба». В случае с У-2 самолет был оборудован автопилотом, хотя и ненадежным.[4] Запас скорости U-2 на большой высоте между предупреждением о сваливании 1G и буфетом Махов может составлять всего 5 узлов.[5]

Самолеты, способные летать близко к критическому числу Маха, обычно несут махметр, прибор, который показывает скорость в единицах числа Маха. В рамках сертификации самолетов в Соединенные Штаты Америки, то Федеральная авиационная администрация (FAA) удостоверяет максимальную рабочую скорость в единицах числа Маха, или MМО.

После серии аварий высокопроизводительных самолетов, летевших на больших высотах, причину которых нельзя было объяснить, поскольку самолет был почти полностью разрушен, FAA опубликовало консультативный циркуляр, устанавливающий рекомендации по совершенствованию подготовки летных экипажей к полетам на большой высоте с высокими характеристиками. самолет. Циркуляр включает исчерпывающее объяснение аэродинамических эффектов и операций возле угла гроба.[3]

Из-за эффекта большего числа Маха при полете на большой высоте ожидаемые летные характеристики данной конфигурации могут значительно измениться. На это указывалось в отчете, описывающем влияние кристаллов льда на показания воздушной скорости трубки Пито на большой высоте:

"... [угол атаки] AOA для начала столкновения значительно меньше, чем AOA сваливания на малых высотах. Например, проект летных испытаний, проведенный Национальным исследовательским советом Канады под названием" Аэродинамические граничные характеристики низкоскоростного "шведского стола" Высокоскоростной бизнес-джет »и представленный на 24-м Международном конгрессе авиационных наук, представлял собой высокоскоростной бизнес-джет средней вместимости с сильно стреловидными крыльями для проведения испытаний на малой скорости. На высоте примерно 13 000 футов буфет AOA начала происходило на 16,84 градуса. Напротив, при прямом и горизонтальном полете на эшелоне полета 450 AOA в начале столкновения составляло 6,95 градуса. Другими словами, будьте осторожны с вашим углом тангажа на больших высотах из-за ограниченного диапазона AOA из-за Маха. последствия."[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Сваттон, Питер Дж. (2011), «14.11», Принципы полета для пилотов, Чичестер, Великобритания: Wiley & Sons Ltd, ISBN  978-0-470-71073-9
  2. ^ Клэнси, Л.Дж. (1975), Аэродинамика, Раздел 1.2, Pitman Publishing Limited, Лондон, ISBN  0-273-01120-0
  3. ^ а б Федеральная авиационная администрация (2003-01-02), AC 61-107B - Полеты воздушных судов на высотах выше среднего уровня моря 25 000 футов или числа Маха более 0,75, получено 2015-10-31
  4. ^ Фрэнсис Гэри Пауэрс, Курт Джентри, Операция «Пролет: воспоминания об инциденте с U-2». Лондон: Hodder & Stoughton, 1971 (твердая обложка) ISBN  978-0-340-14823-5. Потомакская книга, 2004 (мягкая обложка) ISBN  978-1-57488-422-7, страницы 18,60
  5. ^ Руководство по летной эксплуатации, модели самолетов U-2C и U-2F, AF (C) -1-1, 10 мая 1967 г., пересмотренное 15 октября 1968 г., стр. 6–10.
  6. ^ Вейлетт, Патрик, доктор философии. Деловая и коммерческая авиация Ненадежные показания воздушной скорости ухудшаются из-за высотных ледяных кристаллов 22 апреля 2019 г. (по состоянию на 24 апреля 2019 г.)

внешняя ссылка