Två typer av stabilitet: statisk och dynamisk

Transkript

1 Stabilitet Två typer av stabilitet: statisk och dynamisk Statisk stabilitet: hur flygplanet reagerar på störning vindbyar, hastiga spakrörelser, turbulens etc. Statisk längd- och tvärstabilitet Dynamisk stabilitet: Hur flygplanet reagerar på störningen över tid Omfattar svängningsrörelser; Dutch-roll, spin 1 Statisk stabilitet Ett flygplan kan vara statiskt stabilt, instabilt eller neutralt stabilt Ett statiskt stabilt flygplan vill återgå till ursprungs-/jämviktsläget Vilket är önskvärt (för det mesta) Ett flygplan kan vara intrimmat inte samma sak som stabilitet Vid trim balanseras roderkrafterna, man trimmar bort spakkrafterna 2 1

2 Statisk stabilitet, forts. Olika typer av statisk stabilitet: Längdstabilitet - kring flygplanets tväraxel Tvärstabilitet - kring flygplanets vertikalaxel Rollstabilitet - kring flygplanets längdaxel Den statiska (och även dynamiska) längdstabiliteten är en mycket viktig (och komplicerad) konstruktionsparameter Stabiliteten påverkar manöverbarheten (designparameter) 3 Statisk längdstabilitet, forts. Lyftkraftscentrum förflyttar sig med ändrad anfallsvinkel Vi fixerar lyftkraftscentrum och lägger till momentkrafter istället Låter dessa krafter verka i en punkt En vinge i sig instabil till följd av att lyftkraftscentrum vandrar En konventionell lösning förse flygplanet med en stabilisator 4 2

3 Statisk längdstabilitet, forts. Momentbalans kring tväraxeln (flygplan intrimmat, dvs. momentkrafter = noll) a L wing CG L tail M ac W b Momentjämvikt kring CG (Center of Gravity): L wing x a + M ac = L tail x b 5 Statisk längdstabilitet, forts. Flygplanet utsätts för en störning som ger nos upp Stabilisatorns α minskar Vingens α ökar Krafter i obalans, vilket ger ett nos-ner-moment mot jämviktsläget (M ac minskar) Längdstabiliteten påverkas till stor del av var CG är belägen och dess avstånd till tryckcentrum för vinge och stabilisator 6 3

4 Statisk längdstabilitet, forts. Det bakersta läget för CG där flygplanet upphör att vara statiskt stabilt kallas neutralpunkt (eng. neutral point ) För statisk längdstabilitet måste CG ligga framför neutralpunkten Avståndet mellan neutralpunkten och CG kallas för stabilitetsmarginalen (eng. static margin ) Det tillåtna variationsområdet för CG är en konstruktionsfaktor (påverkar bl a storlek på stabilisator och höjdroder) Större stabilisator = ökad vikt och motstånd 7 Statisk längdstabilitet, forts. Allmänt: Ju längre fram CG är placerad, ju stabilare flygplan (jmf. med dartpil) CG för långt fram gör flygplanet svårmanövrerbart (stabilisatorn räcker inte till) CG för långt bak gör även det flygplanet svårmanövrerbart (känsligare) Avsiktligt instabila flygplan, ex. JAS Förbättrade prestanda Kräver dock potent styrsystem Andra faktorer som påverkar längdstabiliteten Kompressibilitetseffekter Vingmonterade motorer Landningsställ, klaffar, vapen etc. 8 4

5 Statisk längdstabilitet, forts. Nosvingat flygplan ( canard ) Nosvingen genererar positiv lyftkraft Ger: kortare startsträcka, ökad manöverförmåga, mindre total vingarea Stabilitet utan stabilisator, ex. hängflyg Löses genom att vingarna sveps bakåt och förses med viss vridning, ersätter stabilisatorn 9 Statisk tvärstabilitet Girstabilitet uppnås genom fenan (placerad bakom CG) Snedanblåsning på fenan ger upphov till en lyftkraft som vill vrida flygplanet mot friströmmen Kallas weathercock stability För bra girstabilitet gör flygplanet nervöst reagerar på minsta lilla vindpust 10 5

6 Statisk tvärstabilitet, forts. Viktigt för girstabiliteten är avståndet mellan fena och CG, samt storleken på fenan Fenans storlek även viktig på flermotoriga flygplan En svårighet med tvärstabilitet är sammankopplingen mellan gir och roll 11 Statisk tvärstabilitet, forts. Rollstörning ger en komposant av lyftkraften i sidled orsakar vingglidning Därför ges ett flygplans vingar normalt en viss V-form (eng. dihedral) som ger ökad rollstabilitet Vingen som möter friströmmen vid vingglidning får större α/större lyftkraft och rätar tillbaka flygplanet 12 6

7 Statisk tvärstabilitet, forts. Högvingat: Vid sideslip möter neråtgående vinge luftströmmen först (= mer lyftkraft) Ger förskjutning av lyftkraften och vrider flygplanet tillbaka Vingarna kan ges en negativ vinkling nedåt för att förstärka momentet 13 Statisk tvärstabilitet, forts. Bakåtsvepta vingar Vid rollstörning och vingglidning exponeras en större yta av vingen som möter friströmmen, som får större lyftkraft och rätar tillbaka flygplanet 14 7

8 Dynamisk stabilitet Dynamisk längdstabilitet Hur flygplanet reagerar på dess statiska stabilitet (över tid) Den dynamiska längdstabiliteten omfattar olika svängningsrörelser Ett flygplan kan vara statiskt stabilt men dynamiskt instabilt 15 Dynamisk stabilitet, forts. Långperiodig Phugoidsvängning Uppstår ur störning Nedåt ökar en komposant av tyngden hastigheten lyftkraften kommer att öka = flygplanet stiger med minskad hastighet som följd Phugoiden är en lågfrekvent svängning, ca 1-2 min Utgör inget större besvär för piloten, fullt normal rörelse 16 8

9 Dynamisk stabilitet, forts. Spiralrörelse Störning orsakar sideslip som ger snedanblåsning på fenan som i sin tur ger ett girmoment Yttervingen för högre relativ hastighet = mer L = roll. Leder till spiral Rörelsen kan motverkas med v-form, samt lätt av pilot/aut. styrsystem 17 Dynamisk stabilitet, forts. Dutch Roll Svängningsrörelse som uppstår ur kombination av roll och gir Störning i sidled ger motverkande girmoment från fenan (som en vindflöjel ) Men, giren orsakar rollmoment (pga. v-form el. pilvinkel) Leder till invecklad blandning av roll- och girrörelser Motverkas med Yaw damper 18 9

10 Spin Dynamisk stabilitet, forts. Uppstår pga. asymmetrisk stall (endast ena vingen stallar ut) Den stallade vingen sjunker = ökad alfa, vilket förvärrar stallen Motsvarande vinge går upp = minskad alfa, vilket gör att flygplanet börjar rolla Den stallade vingen ger större motstånd = gir Och flygplanet hamnar i spin 19 Spin Dynamisk stabilitet, forts. Vingarna kan ha samma lyftkraftskoefficient vilket resulterar i att rollmomentet upphör Flygplanet hamnar då i flat spin, mkt farligt tillstånd! Nästan ingen hastighet framåt = svårt att ta sig ur spin 20 10

11 Spin Dynamisk stabilitet, forts. Tyngdpunktsläget inverkar på typen av spin Går ur spin: Neutralt skevroderutslag Spaken framåt Sidrodret fullt ansatt mot girrörelsen Spin undviks normalt Undantag: Aerobatics Testflygningar 21 11