ГЛАВА III УПРАВЛЯЕМОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ АППАРАТОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Устойчивость аппаратов на воздушной подушке

Для летательных аппаратов всех типов, так же как для наземных и водных транспортных средств, включая и аппараты на воздушной подушке, большое значение имеет устойчивость их движения. Как известно из механики, равновесие тела, находящегося в состоянии покоя, под действием постоянной системы сил может быть устойчивым, неустойчивым или нейтральным. Равновесие называется устойчивым, если тело, выведенное из состояния равновесия каким-либо небольшим возмущающим усилием, после снятия этого усилия под действием постоянной системы сил возвращается в прежнее положение. Если тело после снятия возмущающего усилия будет двигаться до тех пор, пока не займет новое положение равновесия, значительно отличающееся от прежнего, то его равновесие называется неустойчивым. Если же после снятия возмущающего усилия тело прекращает движение и занимает новое равновесное положение, незначительно отличающееся от прежнего, то такое равновесие называется нейтральным.

Классическим примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, является шар, лежащий в вогнутой чаше; неустойчивого равновесия — шар, лежащий на вершине полусферы, и, наконец, нейтрального равновесия— шар, лежащий на плоскости.

Аналогичным образом определяется устойчивость движения тел, в том числе летательных аппаратов, включая аппараты на воздушной подушке.

Движение тела или летательного аппарата при выбранных начальных условиях под действием предусмотренной закономерной системы сил принято называть невозмущенным движением, а траекторию тела, соответствующую невозмущенному движению, — траекторией невозмущенного движения.

Так, например, невозмущенным движением аппарата на воздушной подушке является его движение под воздействием сил давления от воздушной подушки, силы тяги кольцевого сопла, силы тяги воздушных винтов, аэродинамической подъемной силы, аэродинамического лобового сопротивления и силы лобового сопротивления количества движения, рассчитываемых на основании известных законов или определяемых экспериментально.

В процессе движения на аппарат на воздушной подушке кратковременно действуют различные случайные силы, которые заранее нельзя предусмотреть. Такие силы принято называть возмущающими. К возмущающим воздействиям относятся порывы ветра, непредвиденные случайные изменения мощности двигателя, вызывающие изменения подъемной силы, изменения сил, действующих на аппарат при пролете над неровной местностью, изменения веса аппарата, например при сбрасывании груза, и т. д.
 

Рис. 26. Устойчивое и неустойчивое движение летательного аппарата

Эти воздействия вызывают отклонение движения аппарата от невозмущенного. Движение аппарата с учетом возмущающих воздействий называется возмущенным, а его траектория — траекторией возмущенного движения. Если возмущающие усилия невелики и действуют кратковременно, то в течение некоторого небольшого периода времени после прекращения их воздействия возмущенное движение будет незначительно отличаться от невозмущенного. Однако с течением времени в зависимости от свойств аппарата траектория возмущенного движения будет или приближаться к траектории невозмущенного движения, или все более и более отклоняться от нее, пока не будут приведены в действие органы управления аппаратом. В первом случае аппарат и движение его называются устойчивыми, а во втором — неустойчивыми. Сближение траектории возмущенного движения с траекторией невозмущенного движения или, наоборот, удаление от нее может иметь колебательный характер, как это показано на рис. 26; на рисунке приведены возможные траектории движения центра тяжести аппарата в вертикальной плоскости после случайного отклонения его движения от невозмущенного.

Аппарат на воздушной подушке, как и любое тело, свободно движущееся в пространстве, имеет шесть так называемых степеней свободы: первая из них — возможность поступательного перемещения центра тяжести аппарата вперед и назад; вторая — возможность перемещения центра тяжести вправо и влево; третья — возможность перемещения центра тяжести вверх и вниз; четвертая — возможность вращения аппарата относительно вертикальной оси; пятая — возможность вращения относительно продольной оси и, наконец, шестая — возможность вращения относительной поперечной оси.

Движение аппарата может быть устойчивым или неустойчивым в отношении любой из его степеней свободы. Так, например, при случайном торможении аппарат будет или восстанавливать свою скорость невозмущенного движения, или тормозиться еще сильнее. При случайном боковом отклонении или отклонении по высоте аппарат возвращается на прежнюю траекторию или, наоборот, все больше и больше отклоняется от нее. Аналогично случайное угловое отклонение относительно любой из трех осей аппарата с течением времени может уменьшаться или, наоборот, увеличиваться. Следует, однако, иметь в виду, что возмущение одного из параметров движения влечет за собой возмущение и других параметров. Например, как мы рассмотрели выше, при угловом (относительно вертикальной оси) отклонении движущегося горизонтально аппарата возникнет его боковое смещение и, кроме того, торможение горизонтального движения.

Однако во многих случаях можно пренебрегать взаимосвязью параметров движения и рассматривать устойчивость аппарата относительно одного или двух параметров. Например, отдельно рассматривается продольная устойчивость самолета (так называется его устойчивость относительно поперечной оси). В данном случае рассматривают только поворот самолета относительно поперечной оси и пренебрегают возмущением движения центра тяжести в вертикальной плоскости.

Для аппарата на воздушной подушке можно в первом приближении рассматривать раздельно устойчивость движения центра тяжести в горизонтальном направлении, т. е. устойчивость его установившейся скорости движения, и устойчивость движения центра тяжести по высоте, а также устойчивость аппарата относительно продольной и поперечной осей. При этом следует отметить, что устойчивость движения аппарата в- горизонтальной плоскости и его устойчивость относительно вертикальной оси тесно связаны между собой.

Устойчивость движения аппарата зависит в основном от взаимного расположения центра тяжести и равнодействующей аэродинамических сил и сил давления воздушной подушки, формы аппарата и скорости его горизонтального полета.

Устойчивость аппарата является важным свойством, обеспечивающим безопасность его полетов, так как предохраняет от внезапных кренов, которые могут привести к аварии. Кроме того, устойчивым аппаратом легче управлять, потому что при случайных отклонениях от режима полета аппарат сам восстанавливает заданный режим. Однако чрезмерная устойчивость может ухудшить управляемость аппарата. Следует отметить, что аппарат может быть устойчивым по отношению к одним параметрам движения и неустойчивым по отношению к другим. В таком случае заданный режим полета при случайных отклонениях от него сохраняется при помощи органов управления.

Устойчивость аппаратов на воздушной подушке изучена недостаточно и сведений о ней опубликовано очень мало. По иностранным источникам [23, 24, 10], построенные аппараты при испытательных полетах сохраняют устойчивость при скоростях полета до 50—60 км/час.

За рубежом приводятся сведения о некоторых свойствах устойчивости аппаратов на воздушной подушке, а также о конструктивных мероприятиях, направленных на обеспечение устойчивости [7, 24, 10].

Высота полета аппарата на воздушной подушке, как уже указывалось, зависит от мощности, затрачиваемой на создание воздушной подушки. Взаимосвязь между высотой и мощностью для аппарата с кольцевым соплом определяется по формуле (50) и графически изображена на рис. 25. Как видно из характера этой взаимосвязи, при случайном уменьшении высоты полета мощность, развиваемая двигателем для создания воздушной подушки, окажется больше мощности, потребной для создания воздушной подушки на новой, меньшей высоте полета, и аппарат будет стремиться увеличить высоту, т. е. возвратиться к прежнему режиму полета. Аналогично при случайном увеличении высоты полета аппарат будет стремиться восстановить прежнюю высоту. Таким образом, в отношении высоты полета аппараты на воздушной подушке с кольцевым соплом устойчивы. Это свойство характерно не для всех аппаратов; в частности, аппараты с диффузорным уплотнением и крыло с воздушной камерой в отношении высоты полета неустойчивы.

При случайных угловых отклонениях относительно продольной или поперечной оси аппарат с кольцевым соплом по периметру днища стремится увеличить угол отклонения. Особенно это будет проявляться тогда, когда кольцевая струя у кромки аппарата, находящейся ближе к земле, направлена вдоль поверхности земли, как это показано на рис. 27. В этом случае поток воздуха под частью днища,

расположенной ближе к земле, образует разрежение, а следовательно, эта часть днища будет опускаться еще ниже.

 

Рис. 27, Схема течения воздуха под днищем аппарата при его наклоне

Рис. 28. Схема расположения продольных и поперечных щелевых сопел для обеспечения устойчивости

Для обеспечения устойчивости аппарата относительно продольной и поперечной осей конструкторы поступают следующим образом. Днище аппарата разделяют радиальными или продольными и поперечными щелевыми соплами на отдельные секторы или участки (рис. 28). Через

эти щелевые сопла, так же как и через кольцевое сопло по периметру, выдувается воздух. Таким образом, радиальные щелевые сопла и участки кольцевого сопла по периметру днища образуют сопла с замкнутым контуром, каждый из которых, как было рассмотрено выше, является устойчивым в отношении высоты полета. В этом случае весь аппарат будет устойчивым относительно поперечной и продольной осей. Действительно, если, например, аппарат случайно отклонится на небольшой угол относительно

поперечной оси, то высота полета замкнутых сопел, расположенных в передней части аппарата, увеличится, а в задней — уменьшится. Поскольку эти сопла устойчивы в отношении высоты полета, то каждое из них стремится восстановить прежнюю высоту, а аппарат в целом — восстановить свое прежнее положение.
 

Рис. 29. Возможные зависимости момента относительно поперечной оси от угла атаки

Продольная устойчивость аппарата, т. е. устойчивость относительно его поперечной оси, зависит от характера изменения момента сил относительно поперечной оси аппарата в зависимости от изменения угла атаки а аппарата. Под углом атаки а понимается угол наклона продольной оси аппарата к горизонту. Пусть зависимость момента сил относительно поперечной оси аппарата от угла а имеет вид, приведенный на рис. 29. На этом рисунке представлены две зависимости. Первая из них имеет положительный наклон, т. е. с увеличением угла атаки момент действующих сил увеличивается, а вторая — отрицательный наклон, т. е. с увеличением угла атаки момент уменьшается. В первом случае летательный аппарат будет неустойчивым, а во втором — устойчивым. В первом случае при случайном угловом отклонении Да возникнет момент сил относительно поперечной оси, который стремится увеличить угол атаки а. Во втором случае при случайном отклонении на угол Да возникнет отрицательный момент, который стремится возвратить аппарат в прежнее положение.

Рис. 30. Зависимость устойчивости аппарата на воздушной подушке относительно поперечной оси от скорости полета

 Таким образом, устойчивость аппарата можно оценивать величиной наклона кривой зависимости момента сил относительно поперечной оси, или коэффициента этого момента Cmа , от угла а. Величина Cmа, характеризующая устойчивость аппарата, зависит от скорости и высоты полета. На рис. 30 приведена зависимость величины ста от скорости полета для модели аппарата на воздушной подушке с кольцевым соплом по периметру днища. Как видно из этого рисунка, при малых скоростях полета величина ста отрицательная, т. е. аппарат устойчив. С ростом скорости полета величина Cmа возрастает, т. е. аппарат менее устойчив. При некоторой скорости полета величина Cmа становится положительной, т. е. аппарат неустойчив. На рис. 31 приведена зависимость  Cmа от отношения высоты полета к периметру днища для модели аппарата на воздушной подушке с кольцевым соплом по периметру днища. На малых высотах полета величина Cmа
отрицательна и аппарат устойчив, при увеличении высоты Cmа

становится положительной, а аппарат неустойчивым. Аналогична зависимость устойчивости от высоты полета при крене аппарата относительно его продольной оси.

Рис. 31. Зависимость устойчивости аппарата на воздушной подушке относительно поперечной оси от высоты полета

Путевая устойчивость аппарата, или устойчивость относительно вертикальной оси, зависит от взаимного расположения центра тяжести аппарата и точки приложения внешних и внутренних аэродинамических сил, действующих на него. Если центр тяжести находится впереди точки приложения этих сил, то аппарат устойчив, а если позади, то неустойчив. В самом деле, при переднем расположении центра тяжести при случайных угловых отклонениях аппарата относительно вертикальной оси аэродинамические силы стремятся вернуть его в прежнее положение, а при заднем расположении центра тяжести аэродинамические силы увеличивают угол отклонения. Для увеличения путевой устойчивости аппаратов в их хвостовых частях устанавливаются вертикальные кили, смещающие назад точку приложения аэродинамических сил. Эффективность таких килей повышается с увеличением скорости полета.