Пожалуй нет более важных понятий, характеризующих летные свойства любого летательного аппарата, особенно, не снабженного силовой установкой



Дата06.06.2016
Размер105 Kb.
Поляра скоростей и аэродинамическое качество

Пожалуй нет более важных понятий, характеризующих летные свойства любого летательного аппарата, особенно, не снабженного силовой установкой. Каждый мало-мальски опытный пилот должен иметь, хотя бы общее понятие о том, что это такое, и как знание этих характеристик своего ЛА может повысить эффективность полета. В своих пояснениях я буду, как обычно, использовать минимум формул и побольше жестов.

Начиная разговор о Поляре Скоростей летательного аппарата (ЛА), я должен быть уверен, что тот, кто читает этот материал знает, что такое Аэродинамическое Качество (АК), поскольку эти понятия сильно связаны друг с другом, как вы поймете далее. Я возьму на себя смелость в этой статье дать не слишком строгие, но, как показала моя многолетняя практика обучения, отлично усваиваемые в "полевых условиях" определения для АК.

Аэродинамическое качество ЛА - это отношение горизонтальной воздушной скорости ЛА, к его вертикальной воздушной скорости (скорости снижения), в свободном полете. Его значение можно вычислить по очень простой формуле: К = Vг / Vв. Для удобства дальнейших пояснений, и там где это будет иметь значение будем называть это АК (определенное отношением скоростей) воздушным АК или ВАК.



Еще более вольно можно определить АК, как отношение пройденного летательным аппаратом пути, к разнице высот между точкой старта и точкой посадки: К = L / (h1-h2), в условиях спокойного воздуха (в штиль). Это определение можно назвать пространственным АК или ПАК поскольку в нем присутствуют только элементы расстояний.
Как вы увидите позднее, между этими двумя определениями, на практике, имеется ощутимая разница. А пока я приведу простой пример для визуальной демонстразии что такое АК.




Представьте себе, что вы стартовали с горки высотой 100 метров над долиной (см. Рисунок выше) в абсолютный штиль и совершили прямолинейный полет с постоянной скоростью. Допустим, вы приземлились на расстоянии 1 км от точки своего старта. Тогда согласно последней формуле, где пройденный путь L=1000м, высота h1=100м и h2=0м, получим значение АК:
1000 / (100 - 0) = 10.
Проще не бывает!


Однако, АК - это не есть величина постоянная, даже для одного и того же ЛА. Его значение зависит от режима полета и, в первую очередь, от воздушной скорости аппарата, которую пилот постоянно меняет в зависимости от необходимости выполнить тот или иной маневр или задание. При этом скорость снижения тоже будет меняться и, следовательно, будет меняться пройденное ЛА расстояние и время его нахождения в воздухе.
Для того, чтобы достигнуть максимальной эффективности своего полета, пилоту нужно знать все значения АК на всех скоростях и связанных с ними углами атаки крыла, а также уметь определять эти значения динамически, прямо в полете. Здесь мы и подошли к определению поляры скоростей ЛА:

Поляра Скоростей ЛА


Поляра Скоростей ЛА - это график зависимости скорости снижения ЛА от его горизонтальной скорости.
Т.е. поляра - это и есть, те самые,
все значения АК представленные ввиде сплошной линии, из которой пилот может легко получить любое значение качества для своего аппарата, зная точно лишь одну из скоростей: либо горизонтальную (с помощью указателя скорости), либо вертикальную - скорость снижения (с помощью вариометра).

На рисунке ниже приведена типичная поляра скоростей (синим цветом). Ориентируясь на наиболее массовых пилотов, пилотов парапланиристов, значения всех скоростей здесь и далее приведены для парапланерных куполов с максимальным аэродинамическим качеством около 8-ми. Сразу отмечу, что данный рисунок - абстрактный и поляра скоростей любой конкретной модели ЛА будет, естественно, несколько отличаться от приведенной здесь, однако общая форма кривой аналогична для всех классических типов ЛА, и различия заключаются, в основном, в кривизне и шкале скоростей.
По горизонтальной оси у нас отсчитывается горизонтальная воздушная скорость полета (в км/ч), а по вертикальной - скорость снижения (в м/с). Я привел здесь скорости по горизонтали и вертикали в разных единицах, поскольку именно в таких единицах чаще всего меряются горизонтальная скорость и скорость снижения.

Сразу отметим, что наша поляра имеет четыре характерные точки, обозначенные на рисунке буквами А, Б, В и Г.


Для начала рассмотрим крайние точки А и Г:


Точка А показывает нам минимальную горизонтальную скорость полета (к примеру, при поджатых клевантах). На данном рисунке ее значение, около 16 км/ч. При меньшей скорости наступает, срыв потока (поток обтекающий верхнюю обшивку превращается из ламинарного в турбулентный и крыло теряет свои несущие свойства). В этой точке горизонтальная скорость, фактически, становится равной нулю, полет прекращается и начинается падение.
Поскольку знание горизонтальной скорости ЛА в этой точке критично для безопасности полета, то производители крыльев всегда указывают ее в паспортных данных, равно, как и максимальную скорость - это точка Г.
В точке Г причины "обрыва" поляры тоже вполне очевидны. Для парапланов, при увеличении скорости до максимума, за счет уменьшения угла атаки (например при черезмерном затягивании акселератора) рано или поздно произойдет подламывание передней кромки с последующим складыванием купола и падением. Для дельтапланов - это значение ограничивается ходом ручки управления и полным сопротивлением ЛА (оно естественно больше и, для современных ДП превышает 100 км/ч).


Точка Б - называется точкой минимального снижения. Она легко находится на кривой, как проекция ее верхней части на ось вертикальной скорости или, как касательная к поляре, которая параллельна оси горизонтальной скорости. В этой точке вертикальная скорость минимальная (на рисунке - около 0,8 м/с), а горизонтальная составляет примерно - 24 км/ч. Т.о. пилот, установив по указателю скорости 24 км/ч будет снижаться с минимально возможной скоростью. (Хочу напомнить, что все это верно только при отсутствии вертикальных перемещений воздушных масс).

Точка В - точка максимального аэродинамического качества (АК). Она находится с помощью касательной к поляре, проведенной из начала координат. В этой точке достигается максимальное значение К = Vг / Vв , (см. АК) . В нашем примере, в точке В горизонтальная скорость имеет значение - 30 км/ч, а скорость снижения 1м/с = 3,6км/ч, при этом значение АК: 30 / 3,6 = 8,3. Нетрудно проверить, что в любой другой точке кривой это соотношение будет меньше.

Здесь, для тех кто познакомился с полярой впервые, я рекомендую приостановиться и еще раз, глядя на рисунок, мысленно воспроизвести для себя основной смысл этих определений, поскольку дальше мы будем говорить уже об использовании поляры и АК на практике.

Идем дальше. Оказывается, что зная свою поляру можно, даже не поднимаясь в воздух, сделать массу важнейших с практической точки зрения выводов и получить дополнительные технические данные своего ЛА. К примеру, глядя на кривую можно легко вычислить диапазон скоростей своего ЛА, как разницу скоростей в точке Г и точке А, а положение точек Б и В может подсказать пилоту, насколько сильно он должен изменить скорость полета, чтобы добиться минимального снижения (прим. для некоторых типов крыльев эти точки находятся довольно близко друг к другу и на практике трудно отличимы. Особенно это верно для учебных тихоходных крыльев, у которых весь диапазон скоростей существенно меньше).

Но, пожалуй, самые интересные выводы можно сделать после рассмотрения "нестандартных" ситуаций, из которых, собственно, и состоит любой полет, поскольку идеальные условия с полностью неподвижным воздухом (мертвый штиль) встречаются редко и, обычно, среди пилотов считаются нелетной погодой. На практике полет состоит из постоянных маневров в условиях, где присутствуют и горизонтальные перемещения воздушных масс(ветер) и верикальные(термики и т.п.). Таким образом, пилот всегда находится в условиях, когда данные о его реальных скоростях взятые непосредственно с поляры будут больше или меньше отличаться от реальных.


Чтобы понимать дальнейшие пояснения, следует хорошо различать реальное, воздушное аэродинамическое качество (ВАК) и пространственное АК (ПАК). Основное различие между которыми заключается в том, что ВАК данного ЛА не меняется при изменении направления и скорости движения воздушной массы, в которой находится ЛА. Напротив, все значения ПАК зависят от этих перемещений воздуха, поскольку совершенно очевидно, что при полете против ветра ЛА пролетит меньше расстояние, чем при полете по ветру при одинаковых, в обоих случаях, воздушных скоростях.


Но не будем комкать материал и рассмотрим каждый случай раздельно и более детально.

АК при полете по ветру и против ветра.


Предположим, что термики (вертикальное движение воздуха) отсутствуют, но присутствует ветер. В этих условиях аппарат может либо лететь против ветра, либо по ветру, либо под некоторым углом. Мы рассмотрим два крайних варианта: против и по ветру, поскольку понимание всех промежуточных вариантов после этого труда не составит.

Итак, ЛА летит против ветра, который имеет скорость 10 км/ч. Если бы не было этого ветра, то все скорости были бы такими, как указано на реальной поляре (которая всегда строится по данным ВАК) и точка максимального качества ВАК совпадала бы с точкой максимального качества ПАК. Попросту, воздушная и пространственная поляры совпадали бы. Но встречный ветер "крадет" у пилота 10 км/ч горизонтальной скорости. В результате этого скорость ЛА относительно земли (пространственная скорость) уменьшается и (жирная кривая голубого цвета), значения ВАК перестают совпадать с ПАК. Поляра смещается.


При этом изменяется и положение касательной из начала координат, с помощью которой мы определяли максимальное качество. Теперь, чтобы привести данный рисунок в соответствие с реальной полярой воздушных скоростей, мы вместо смещения самой поляры сместим вправо начало координат по горизонтальной оси на величину скорости ветра. (см следующий рисунок).При этом наклон новой касательной, которая выходит теперь из точки 10 км/ч будет совпадать с наклоном касательной на предыдущем рисунке и давать ту же точку В1, но все скорости теперь будут приведены к реальным воздушным скоростям.
Теперь на новом рисунке мы имеем две точки, характеризующие максимальное качество. Точка В0 при полете в штиль и точка В1, при полете против ветра. Нетрудно заметить, что при полете со встречным ветром точка с максимальным АК сместилась в сторону больших воздушных скоростей. В этом и заключается основной смысл: Если пилот хочет пролететь дальше, то двигаясь против ветра он должен увеличивать свою скорость тем больше, чем сильнее встречный ветер!
Естественно, что увеличивая горизонтальную скорость пилот увеличивает и скорость снижения уменьшая, тем самым, время пребывания ЛА в воздухе. Но, как вы видите, для достижения максимальной дальности, это делать необходимо, поскольку пролететь максимальное расстояние - это, обычная задача пилота во время соревнований, рекордных полетов или, просто, для пересечения неблагоприятной воздушной зоны зоны (например над водоемом) с минимальной потерей высоты.
Вы можете самостоятельно приложить линейку к дисплею или к рисунку поляры своего крыла и посмотреть, как будут меняться вертикальная и горизонтальная скорости в точке максимального АК при различной силе встречного ветра ветра.


Теперь рассмотрим прямо противоположный случай.
Пилот совершил разворот на 180 градусов и летит по ветру. Его собствннная скорость, в этом случае, складывается со скоростью движения воздуха (те же 10м/с, в нашем случае). Мы можем представить результат на рисунке тем же способом, сдвигая начало координат по горизонтальной оси, но уже не вправо, а влево. Новая касательная к поляре, при этом, пройдет под меньшим углом и полученная новая точка максимального качества B1 сместится в сторону меньших воздушных скоростей. Следовательно: При полете с попутным ветром для достижения максимальной дальности и эффективности воздушную скорость ЛА нужно уменьшать!
Совершенно логично заметить, что, на практике, уменьшая скорость нужно следить чтобы она не стала меньше скорости минимального снижения (точка Б на рисунке в начале), поскольку касательная к поляре в точке Б уже параллельна оси горизонтальной скорости.
Т.о., если при полете против ветра для повышения АК при необходимости можно увеличивать воздушную скорость вплоть до потери устойчивости и фронтального свала, (чего, конечно, не рекомендуется) то при полете по ветру для достижения максимальной дальности уменьшать горизонтальную скорость меньше скорости минимального снижения бессмысленно. Это приведет только к уменьшению дальности и эффективности.

АК при полете в восходящем и нисходящем потоке.


Но не только ветер влияет на эффективность нашего полета и на пройденное расстояние. Не меньшее влияние на ПАК имеют и вертикальные перемещения воздушной массы или восходящие и нисходящие потоки. Поэтому для рассмотрения этого влияния мы, как и в предыдущих случаях с горизонтальным движением воздуха, исключим в наших примерах все, кроме вертикальных перемещений воздуха.

Итак, представим, ситуацию, когда ЛА движется в восходящем потоке.
Сразу же заметим, что если собственная воздушная скорость снижения ЛА меньше, чем скорость поднимающегося воздуха, в котором он движется, то вне зависимости от их разницы полетную скорость имеет смысл поддерживать не менее скорости минимального снижения.
Это верно всегда, за исключением некоторых случаев, когда пилот желает выполнить специальные маневры для удержания ЛА в плоской спирали очень малого радиуса. Такое может иметь место при обработке очень узкого термика с большим градиентом скороподъемности от периферии к центру, где уменьшение скорости и, соответственно радиуса разворота могут привести к попаданию в зону со скороподъемностью значительно большей, чем потеря высоты за счет дополнительного собственного снижения на скоростях меньших скорости минимального снижения.


Если же скорость подъема воздушной массы меньше скорости снижения ЛА (допустим +0,5м/с), то (см. рисунок справа) для получения точки максимального АК мы должны будем сместить вниз начало координат, на 0,5 м/с, но уже по вертикальной оси. При этом наша касательная к поляре даст новую точку для АК - точку B1. Таким образом можно сделать вывод что при полете в восходящем потоке со скоростью меньшей скорости спуска ЛА наивыгоднейшая скорость (максимального АК) будет находиться в пределах между скоростью максимального ВАК (точка B0) и скоростью минимального снижения.

На этом же рисунке приведена касательная для случая, когда ЛА движется в нисходящем потоке.
В нашем случае нисходящий поток воздуха имеет скорость 2м/с. При этом точка начала координат смещается на 2м/с вверх и касательная к поляре проведенная из этой точки дает нам точку максимального качества - B2, которая уже, практически, не нуждается в комментариях. Однако основной смысл смещения точки B2 я все же определю в явном виде, а именно:
При полете в опускающемся воздухе (нисходящем потоке) для получения максимального АК воздушную скорость ЛА необходимо увеличивать тем больше, чем сильнее нисходящий поток!
Заметьте, что этот вывод очень похож на вывод для полета с максимальным АК при встречном ветре.

Итоги.


Как автор этой статьи я считаю этот материал достаточно поверхностным, но тем не менее он на 90% может заполнить пробел в данном вопросе, если таковой у кого-нибудь обнаружится. Безусловно, для большей полноты можно было бы дополнительно разобрать случаи, при полете в смешанных условиях, например: при косом встречном ветре или при косом попутном ветре и при этом в нисходящем потоке. Но вы ведь сами понимаете, что таких комбинаций существует великое множество. И здесь я уж предоставляю вам возможность пофантазировать, подумать и немного посчитать или обратиться к нормальным учебникам по аэродинамике. У меня была мысль, также, воспользоваться данными из знаменитой книги "Performance Flying" by Dennis Pagen и рассказать о том, как построить кольцо скоростей, из которого можно получить все режимы ЛА. Но мне кажется, что сейчас это уже не настолько актуально в силу присутствия на рынке огромного количества разнообразных электронных приборов, позволяющих быстро снимать и запоминать поляру своего крыла, оперативно подбирать и высвечивать необходимый летный режим. Для тех же, кто не в состоянии по тем или иным причинам приобрести себе подобный прибор, могу рекомендовать простой, хотя и трудоемкий способ построения поляры.
Завершая статью, я советую для лучшего понимания, представить себе конкретную ситуацию и определить выгоднейший режим полета. Я рекомендую делать это периодически перед и между полетами, с тем, чтобы постепенно приучиться определять необходимый эффективный режим динамически, привязывая его к своим ощущениям, поскольку в реальном активном полете у пилота редко бывает время на вращение колец, нажимание дополнительных кнопок и просмотр данных с дополнительных дисплеев. Всегда помните, что ваши чувства - самый быстрый прибор и ваша задача, просто сделать его точнее!


Игорь Калашников


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница