Svängprestanda & styrning

Transkript

1 Svängprestanda & styrning Svängprestanda Hur påverkas flygplanet vid sväng? Begrepp: lastfaktor, vingbelastning Styrning av flygplan Flygplanets sex frihetsgrader Styrning av flygplan Olika metoder för styrning av flygplan 1 Svängprestanda Planflykt: ingen acceleration Start- och landning: Rätlinjig acceleration Vid sväng: Radiell acceleration, krökt flygriktning Newtons etta : Ett föremål i rörelse fortsätter i samma bana så länge det inte påverkas av yttre krafter Bil: Använder däckens friktion i en kurva för att motverka rörelsen rakt fram Funkar inte för flygplan, här krävs ändring av lyftkraftsriktning 2 1

2 Svängprestanda, forts. Vid sväng lutas flygplanet med vinkel ϕ (= bankningsvinkel) L blir lutad med vinkeln ϕ. För bibehållen höjd måste L ta upp W, dvs. ökas enl. L cosφ = W Detta ger upphov till en komposant i horisontalled, nämligen centripetalkraften. Får flygplanet att röra sig i cirkelbana 3 Svängprestanda, forts. Vid sväng måste L balansera både W och centripetalkraften Medför att: Större L krävs Ökad anfallsvinkel nödvändig Ökat motstånd Effekttillskott nödvändigt Stallfarten ökar Motor kan vara begränsande faktor Begrepp: Lastfaktor, n Anges i g 4 2

3 Svängprestanda, forts. M h a Newtons tvåa fås följande uttryck för svängradie R och vinkelhastighet ω: R 2 = 2 g V n 1 2 g n 1 ω = V (6.118) (6.119) För bra svängprestanda, minimalt R och maximalt ω Enl. ekv: Så stor lastfaktor som möjligt Lägsta möjliga hastighet Ex: JAS 39 Gripen har en maximal lastfaktor på 9g. Vid en sväng med hastigheten 950 km/h blir svängradien ca 800 m. 5 Svängprestanda, forts. Ett annat fall: Looping ( pull-up ), dvs. spaken i magen Sväng i horisontalled, centripetalkraften i vertikalled Här blir R resp. ω: R 2 V g( n 1) = ω = g ( n 1) V Vi har ingen bankningsvinkel 6 3

4 Svängprestanda, forts. Andra halvan av loopingen ( pull-down ), el. Split-S Här är både L och W nedåtriktade För R och ω gäller då: R 2 V g( n + 1) = ω = g ( n + 1) V 7 Svängprestanda, forts. Lastfaktorn kan även beräknas med: n = 1 cosφ Svängprestanda viktigt för stridsflygplan Där gäller det att bibehålla flygplanets rörelseenergi Då flyger man helst där max R och ω är möjligt 8 4

5 Svängprestanda, forts. Vingbelastning anger förhållandet mellan vingarea och vikt Lägre vingbelastning ger bättre svängprestanda Flygplan Wright Flyer (1903) Beechcraft Bonanza DeHavilland Comet (1953) F-15 (1972) F-16 (1976) Airbus A321 (1989) W/S, kg/m Vingbelastningen styrs vanligtvis av faktorer som last, räckvidd, hastighet Ex: Minskad vingarea gör att vi kan flyga fortare utan någon större ökning av motståndet 9 Svängprestanda, forts. Lastfaktorn styrs av den strukturella hållfastheten För piloten gäller det att hålla sig inom dessa begränsningar, dvs. inom flygenveloppen ( flight envelope ) Begränsningarna ges i ett V-n-diagram Hållfasthetskraven olika beroende på typ av flygplan Ex. aerobatic, utility 10 5

6 Styrning av flygplan Ett flygplan rör sig med sex frihetsgrader Tre rotationsrörelser: Tipp (pitch), Roll (roll) och Gir (yaw) Tre translationsrörelser: Längs (axial), Tvärs (transverse/lateral) och Vertikal (normal/vertical) Rörelserna sker kring fpl:s axlar, som är: Längdaxel Tväraxel Vertikalaxel 11 Ett konventionellt flygplans primära styrorgan (roderytor) 12 6

7 Ett roder har som funktion att öka/minska välvningen på den yta som ska kontrolleras Sker genom att rodret vinklas upp eller ner Den ökade välvningen kommer att ge en ökad lyftkraft = rubba jämvikten 13 Girstyrning Sker kring vertikalaxeln med sidrodret Rodret vinklas = ökad välvning Ger upphov till sidoriktad kraft flygplanet girar Sidrodret kontrolleras m h a pedaler trampas höger pedal ner rör sig rodret åt höger 14 7

8 Girstyrning Gir och roll är kopplade rörelser betyder att en gir även resulterar i en roll, och vice versa Vid gir: den framåtgående vingen får högre fart (dvs. större lyftkraft) och vill rolla flygplanet åt samma håll som giren 15 Tippstyrning Sker kring tväraxeln med höjdrodret (eng. elevator) Återigen: ändrad välvning = rubbar jämvikten Kontrolleras genom ratt/spak (dras bakåt = nos upp, och vice versa) 16 8

9 Varianter på höjdroder: stabilator, v-tail och slab 17 Rollstyrning Sker kring längdaxeln genom skevrodren Vid roll går ena rodret upp och det andra ner den ena vingen får ökad lyftkraft och den andra minskad = flygplanet rollar Kontrolleras med ratt/spak (vrids/vickas åt det håll roll önskas) 18 9

10 Rollstyrning Roll resulterar i något som kallas för skevroderbroms Den uppåtgående vingen får en större lyftkraft = större inducerat motstånd Motståndsökningen gör att flygplanet vill gira åt motsatt håll varför ett visst sidroderutslag blir nödvändigt Fenomenet kan motverkas på olika sätt, bl a med differentierade skevroder eller ett Frise-roder (eller genom att trampa sidroder) 19 Rollstyrning Förutom skevroder brukar större flygplan vara försedda med spoilers Spoiler = rörlig yta på vingens ovansida som förstör luftströmmen och minskar lyftkraften 20 10

11 Primära styrorgan på ett större flygplan 21 Huvudrodren kan vara försedda med lätt- eller tungroder ( servo tab resp. anti-servo tab ) Dessa gör roderrörelsen antigen lättare eller tyngre Tungroder sitter på mindre flygplan Lättroder på större flygplan (ex. DC-8) 22 11

12 Styrning av deltavinge (utan nosvinge) Exempelvis Concorde Bakkantsrodret kallas elevon Tippstyrning Rollstyrning 23 En alternativ metod som ger förbättrad manöverförmåga är vektoriserad dragkraft ( Vectored Thrust ) Sitter på ex. MiG-29, Su-30, F

13 Styrning med ratt (eng. Yoke ), B707 med analog cockpit 25 Styrning med ratt, Socata TB

14 Styrning med spak, Airbus A340 (med glass cockpit ) 27 Styrning med spak, J35 Draken 28 14

15 Variant på ratt, Embraer ERJ I de allra flesta fall överförs styrkommandon från spak/ratt/pedaler med styrlinor via bryttrissor Antingen direkt till rodren eller till roderservon (stridsflyg och större flygplan) 30 15

16 Vanligt idag är Fly-by-wire-system (ingen mekanisk förbindelse ut till rodren) Ex: Airbus, Boeing 777/787, JAS etc. Finns även Fly-by-Light (mindre störningskänslig) 31 Instrumentering (Cessna 172) Basic T : 1. Fartmätare, 2. Konstgjorda horisonten, 3. höjdmätare, 4. Kursgyro

17 Glascockpit i Cessna