Оглавление
- Уменьшенная статическая устойчивость
- Авиация Управление вектором тяги — Газодинамическое управление вектором тяги
- Длина вектора (в чем измеряется, как посчитать)
- Как записывать
- Как указать направление вектора
- Конструкция струйного сопла УВТ для двигателя[ | код]
- История разработки
- Примеры работы
- Как изображать
- Ссылки [ править ]
Уменьшенная статическая устойчивость
Самолет статически устойчив, если после отклонения он возвращается к первоначальному сбалансированному состоянию. Положительная продольная статическая устойчивость является склонностью самолета возвращаться в устойчивое состояние после отклонения по тангажу. При положительной устойчивости точка приложения подъемной силы расположена в некоторой точке (аэродинамический центр) позади центра тяжести, вследствие чего увеличение подъемной силы создает момент тангажа для уменьшения угла атаки.
Для балансировки устойчивого самолета стабилизатор нагружается для противодействия опрокидывающему моменту, вызванному подъемной силой, действующей позади центра тяжести. Эта нагрузка создает ненужное балансировочное сопротивление и снижает общую подъемную силу самолета. Крыло должно быть увеличено для компенсации с последующим увеличением сопротивления.
Если продольная статическая устойчивость уменьшается – аэродинамический центр сдвигается ближе к центру тяжести – нагрузка стабилизатора уменьшается, но после возмущения возвращение в устойчивое состояние замедляется. Если подъемная сила перемещается в положение перед центром тяжести, то самолет становится продольно неустойчивым, и любое отклонение может привести к мгновенному кабрированию.
самолеты устойчивый (вверху) по сравнению с неустойчивым (внизу). У верхнего самолета аэродинамический центр позади центра тяжести, поэтому дополнительная подъемная сила опускает нос вниз. У нижнего неустойчивого самолета аэродинамический центр расположен перед центром тяжести, поэтому любое увеличение подъемной силы тянет нос самолета вверх вплоть до сваливания самолета
Загрузка стабилизатора сбалансирует неустойчивый самолет и увеличит общую подъемную силу. Крыло может быть уменьшено вместе со снижением сопротивления, требуемой тяги, размеров двигателей, емкости топливных баков, общего полетного веса, размеров крыла и т.д., в результате чего возможно сокращение размеров на 15% по сравнению со статически устойчивым истребителем.
Однако самолет без естественной устойчивости должен надежно управляться в течение всего времени, поскольку вызванный отклонением момент может развиться до того как пилот успеет среагировать. Устойчивость должна восстанавливаться автоматически активной системой управления полетом, способной почти мгновенно воспринимать и противодействовать дестабилизирующие отклонения.
Степень устойчивости или неустойчивости определяется расстоянием между аэродинамическим центром, расположенным впереди или позади центра тяжести, и самим центром тяжести, выраженным в процентах от средней аэродинамической хорды. Планируется создать конфигурацию с продольной статической неустойчивостью в 40%.
Оснащенные ПГО неустойчивые самолеты кажутся противоречием. Конечно, ведь ПГО должно создавать нагрузку для сбалансирования истребителя? Однако добавление ПГО перемещает аэродинамический центр далеко вперед от центра тяжести, делая самолет неустойчивым. Закрылки крыла используются для триммирования, которое не только увеличивает подъемную силу, но и, поскольку распределение давления улучшается, уменьшает сопротивление.
Авиация Управление вектором тяги — Газодинамическое управление вектором тяги
Высокой эффективности управления вектором тяги можно добиться с помощью газодинамического управления вектором тяги за счет асимметричной подачи управляющего воздуха в тракт сопла.
Газодинамическое сопло использует «струйную» технику для изменения эффективной площади сопла и отклонения вектора тяги, при этом механически сопло не регулируется. В этом сопле отсутствуют горячие высоконагруженные подвижные детали, оно хорошо компонуется с конструкцией ЛА, что уменьшает массу последнего.
Внешние контуры неподвижного сопла могут плавно вписываться в обводы самолета, улучшая характеристики малой заметности. В этом сопле воздух от компрессора может направляться в инжекторы в критическом сечении и в расширяющейся части для изменения соответственно критического сечения и управления вектором тяги.
В МАИ были проведены экспериментальные работы по управлению вектором тяги за счет взаимодействия «дешевого» атмосферного воздуха с основной струей. За счет перераспределения эжектируемого через боковые каналы воздуха происходит отклонение основной струи двигателя. Были разработаны и испытаны малогабаритные модельные образцы устройств с применением твердотопливных газогенераторов в качестве источников сжатого газа. В боковых каналах плоского эжектора, связанных с атмосферой, были установлены клапаны с электромагнитным управлением. Температура газа в газогенераторе составляла 2600 К, рабочее давление до 5..7 МПа. Развиваемая управляемая тяга 1.0 кН. Время переключения тяги из одного крайнего положения в другое не превышало 0.02 с. Удельная мощность управляющего сигнала на единицу тяги составляла не более 0.05..0.7 Вт/кгс.
Проведенные испытания показали возможность отклонения вектора тяги на углы ±20° при прилипании струи к боковой стенке эжекторного сопла.
В ЦИАМ проводились предварительные исследования на физико-математической модели сопла с газодинамическим управлением вектором тяги двигателя для учебно-тренировочного самолета в 2D постановке. В ТРДД для УТС наличие второго контура со сжатым и относительно холодным воздухом, отсутствие необходимости регулирования проходных сечений облегчает реализацию концепции сопла с газодинамическим управлением вектором тяги.
В исследуемом сопле выходной канал второго контура разделен продольными перегородками на четыре сектора с установленными на входе в каждый сектор устройствами регулирования расхода воздуха. Это сопло на режиме осевого истечения представляет собой сопло эжекторного типа с «жидкой» стенкой, однако в нем эжектируемый воздух поступает не из атмосферы, а из-за вентилятора, следовательно, имеет достаточно высокое давление. Стенка сопла первого контура разорвана сразу за его критическим сечением, поэтому выходящая из него струя газа расширяется, постоянно уменьшая к выходу площадь струи второго контура.
Для принятых значений параметров на этом режиме качество рассматриваемого варианта может быть выше, чем при раздельном истечении. Это возможно благодаря замене двух поверхностей трения на «жидкую» стенку, а также благодаря выравниванию поля скоростей на выходе вследствие частичного смешения потоков. Кроме того, такая схема сопла может обеспечить улучшенное протекание рабочей линии вентилятора на дроссельных режимах.
Для получения максимального отклонения потока один сектор подвода воздуха второго контура полностью перекрывается. В результате расход через второй сектор возрастает в два раза.
Отклонение струи происходит благодаря:
- неосевому истечению струи воздуха второго контура и действию ее на поток первого контура под углом в направлении к оси сопла;
- формированию на срезе сопла первого контура вблизи перекрытого сектора течения Прандтля-Майера и работе сопла как сопла с косым срезом.
В настоящее время ведутся работы над 3D вариантом такого сопла и сопла с использованием атмосферного воздуха. По предварительным оценкам рассматриваемые схемы сопел способны обеспечить эффективный угол отклонения вектора тяги ±20°.
Длина вектора (в чем измеряется, как посчитать)
Длину вектора (его модуль) обозначают так:
\( \left| \vec{a} \right| \) – длина вектора \( \vec{a} \).
Как вычислить длину вектора по его координатам
Когда известны координаты вектора, его длину считают так:
\( a_{x} \) и \( a_{y} \) — это числа, координаты вектора \( \vec{a} \)
Для двухмерного вектора:
\
Для трехмерного вектора:
\
Как вычислить длину вектора с помощью рисунка
Если вектор нарисован на клетчатой бумаге, длину считаем так:
1). Если вектор лежит на линиях клеточек тетради:
— считаем количество клеточек.
Зная масштаб клеток, легко получить длину вектора – умножаем масштаб на количество клеток.
Рис. 4. Вектор располагается вдоль линий, на листке в клетку
2). Если вектор не лежит вдоль линий:
— проводим вертикаль и горизонталь пунктиром.
Рис. 5. Вектор не расположен вдоль линий, разграничивающих листок в клетку
\( \Delta x \) — горизонталь; \( \Delta y \) — вертикаль;
— затем применяем формулу:
\
Как записывать
Вектор можно записать в строку или в столбец. Для строчной записи вектор обозначают одной буквой, ставят над ней черту, открывают круглые скобки и через запятую записывают координаты вектора. Для записи в столбец координаты вектора нужно взять в круглые или квадратные скобки — допустим любой вариант.
Строгий порядок записи делает так, что каждый набор чисел создаёт только один вектор, а каждый вектор ассоциируется только с одним набором чисел. Это значит, что если у нас есть координаты вектора, то мы их не сможем перепутать.
Способы записи вектора
Скаляр
Помимо понятия вектора есть понятие скаляра. Скаляр — это просто одно число. Можно сказать, что скаляр — это вектор, который состоит из одной координаты.
Помните физику? Есть скалярные величины и есть векторные. Скалярные как бы описывают просто состояние, например, температуру. Векторные величины ещё и описывают направление.
Как указать направление вектора
Указать направление вектора можно с помощью его координат. Так как в его координатах уже содержится информация о длине и направлении вектора.
Бывает так, что координаты вектора неизвестны, а известна только лишь его длина. Тогда направление можно указать с помощью угла между вектором и какой-либо осью.
Для двумерного вектора
Если вектор двумерный, то для указания направления (см. рис. 10) можно использовать один из двух углов:
- угол \( \alpha \) между вектором и горизонталью (осью Ox),
- или угол \( \beta \) вежду вектором и вертикалью (осью Oy).
Рис. 6. Углы между вектором и осями на плоскости
Словами указать направление вектора можно так:
- вектор длиной 5 единиц направлен под углом 30 градусов к горизонтали;
- Или же: вектор длиной 5 единиц направлен под углом 60 градусов к вертикали.
Такой способ указания координат используют в полярной системе координат.
Для трехмерного вектора
Когда вектор располагается в трехмерном пространстве, чтобы указать, куда вектор направлен, используют два угла.
- угол между вектором и осью Oz;
- и один из углов: между вектором и осью Oy, или между вектором и осью Ox;
Такой способ указания координат используют в сферической системе координат.
Считаем Землю шаром. Расположим ее центр в начале трехмерной системы координат – точке (0 ; 0 ; 0).
Тогда координаты любой точки на поверхности планеты можно указать с помощью радиус-вектора этой точки.
Для указания сферических координат принято использовать:
- длину вектора,
- угол между осью Ox и вектором и
- угол между осью Oz и вектором.
Конструкция струйного сопла УВТ для двигателя[ | код]
Конструкции струйных сопел отличаются разнообразием силовых и газодинамических схем.
Рассмотрим конструкцию с использованием расширяющейся сверхзвуковой частью сопла для создания боковой силы тяги. С этой целью выходной раструб сопла переводится в режим перерасширения и с одной из сторон сопла, на его боковой поверхности открываются отверстия для доступа атмосферного воздуха. При этом струя из двигателя прилипает к противоположной стороне сопла.
Схема и принцип действия струйного сопла показаны на рис. 5 и рис. 6.
Рис.5: Схема струйного сопла УВТ. 1 — двигатель (газогенератор двигателя); 2 — сужающаяся часть сопла с входными внутренними створками; 3 — расширяющаяся часть сопла с выходными внутренними створками; 4 — наружные кронштейны регулируемого сопла; 5 — приводы регулируемого сопла с тягами; 6 — приводы расширяющейся части сопла; 7 — приводы заслонок на створках регулируемого сопла; 8 — заслонки подвижные, управляемые.
Образование управляющих сил обеспечивается следующим порядком операций.
- На первой фазе работы сопла (рис. 5) увеличивают угол отклонения створок расширяющейся части сопла — угол α установки выходных створок расширяющейся части 3 сопла.
- На второй фазе (рис. 6), на режиме образования управляющих усилий на части поверхности сопла открывают заслонки 8 для поступления атмосферного воздуха на части боковой поверхности расширяющейся части сопла 3. На рис.6 показан вид А и направления втекания атмосферного воздуха через открытые отверстия с заслонками на части боковой поверхности. Переключение заслонок 8 на противоположной половине боковой расширяющейся части сопла приводит к отклонению струи и вектора тяги двигателя на угол β в противоположном направлении.
Для создания управляющих усилий в двигателе со сверхзвуковым соплом можно несколько изменить сверхзвуковую часть уже существующего сопла. Эта относительно несложная модернизация требует минимального изменения основных деталей и узлов исходного, штатного сопла.
При проектировании большая часть (до 70 %) узлов и деталей модуля сопла могут не изменяться: фланец крепления к корпусу двигателя, основной корпус, основные гидроприводы с узлами крепления, рычагами и кронштейнами, а также створки критического сечения.
Изменяются конструкции надстворок и проставок расширяющейся части сопла, длина которых увеличивается, и в которых были выполнены отверстия с поворотными заслонками и гидроприводами.
Кроме этого изменяется конструкция внешних створок, а пневмоцилиндры для них заменяются гидроцилиндрами, с рабочим давлением до 10 МПа (100 кг/см2).
История разработки
Первые опыты, связанные с практической реализацией изменяемого вектора тяги на самолётах, относятся к 1957 году и проводились в Великобритании в рамках программы по созданию боевого самолёта с вертикальным взлётом и посадкой. Прототип под обозначением Р.1127 был оснащён двумя поворачивающимися на 90° соплами, расположенными по бокам самолёта на линии центра тяжести, которые обеспечивали движение в вертикальном, переходном и горизонтальном режимах полёта. Первый полёт Р.1127 состоялся в 1960 году, а в 1967 году на его базе был создан первый серийный СВВП «Харриер».
Существенным шагом вперёд в разработке двигателей с изменяемым вектором тяги в рамках программ СВВП стало создание в 1987 советского сверхзвукового СВВП Як-141. Принципиальной отличительной чертой данного самолёта стало наличие трёх двигателей: двух подъёмных
и одного подъёмно-маршевого с поворотным соплом, расположенным между хвостовыми балками. Трёхсекционная конструкция сопла подъёмно-маршевого двигателя делала возможным поворот вниз от горизонтального положения на 95°. \
- Расширение манёвренных характеристик
Ещё в ходе работ над Р.1127 испытателями было замечено, что использование отклоняемого вектора тяги в полёте несколько облегчает маневрирование самолёта. Однако из-за недостаточного уровня развития технологии и приоритетности программ СВВП серьёзные работы в области повышения манёвренности за счёт ОВТ не велись до конца 1980-х годов.
В 1988 году на базе истребителя F-15B был создан экспериментальный самолёт с двигателями с плоскими соплами и отклонением вектора тяги в вертикальной плоскости. Результаты испытательных полётов показали высокую эффективность ОВТ для повышения управляемости самолёта на средних и больших углах атаки.
Приблизительно в то же время в Советском Союзе был разработан двигатель с осесимметрическим отклонением сопла кругового сечения, работы над которым велись параллельно с работами над плоским соплом с отклонением в вертикальной плоскости. Поскольку установка плоского сопла на реактивный двигатель сопряжена с потерей 10-15 % тяги, предпочтение было отдано круглому соплу с осесимметрическим отклонением, и в 1989 году состоялся первый полёт истребителя Су-27 с экспериментальным двигателем.
Примеры работы
Самолет
Морской лунь FA.2 ZA195 переднее (холодное) сопло векторной тяги
Примером двумерного вектора тяги является Роллс-Ройс Пегас двигатель, используемый в Хоукер Сиддли Харриер, а также в AV-8B Harrier II вариант.
Широкого распространения вектора тяги для повышения маневренности в западных серийных истребителях не произошло до развертывания Локхид Мартин F-22 Raptor Реактивный истребитель пятого поколения 2005 года с форсажем, двумерным вектором тяги Пратт и Уитни F119 турбовентилятор.
В Lockheed Martin F-35 Lightning II при использовании обычного ТРДД с дожиганием (Pratt & Whitney F135) для облегчения работы на сверхзвуковых частотах, вариант F-35B, разработанный для совместного использования Корпус морской пехоты США, королевские воздушные силы, Королевский флот, и Итальянский флоттакже включает в себя вертикально установленный выносной вентилятор низкого давления с приводом от вала, который приводится в действие через муфту во время посадки от двигателя. Как выхлоп от этого вентилятора, так и вентилятор главного двигателя отклоняются соплами с вектором тяги, чтобы обеспечить соответствующее сочетание подъемной силы и тяги. Он не предназначен для повышения маневренности в бою, только для СВВП эксплуатации, а F-35A и F-35C вообще не используют вектор тяги.
В Сухой Су-30МКИ, производится Индией по лицензии на Hindustan Aeronautics Limited, находится на активной службе в ВВС Индии. TVC делает самолет высокоманевренным, способным без сваливания достигать почти нулевой воздушной скорости на больших углах атаки и выполнять динамичный пилотаж на малых скоростях. В Су-30МКИ питается от двух АЛ-31ФП дожигание турбовентиляторы. Сопла TVC МКИ установлены на 32 градуса наружу к продольной оси двигателя (т. Е. В горизонтальной плоскости) и могут отклоняться на ± 15 градусов в вертикальной плоскости. Это дает штопор эффект, значительно увеличивая возможность поворота самолета.
Несколько компьютерных исследований добавляют вектор тяги к существующим пассажирским авиалайнерам, таким как Boeing 727 и 747, для предотвращения катастрофических отказов, в то время как экспериментальные X-48C может быть реактивным в будущем.
Другой
Примеры ракет и ракет, использующих вектор тяги, включают в себя обе большие системы, такие как Ракетный ускоритель космического челнока (SRB), С-300П (СА-10) ракета земля-воздух, UGM-27 Polaris ядерный баллистическая ракета и РТ-23 (СС-24) баллистические ракеты и меньшее боевое оружие, такое как Swingfire.
Принципы управления вектором воздушной тяги были недавно адаптированы к военным морским применениям в виде быстрого водометного рулевого управления, обеспечивающего сверхманевренность. Примеры: быстроходный патрульный катер Dvora Mk-III, Ракетный катер класса Хамина и ВМС США Прибрежные боевые корабли.
Как изображать
Вектор из одного числа (скаляр) отображается в виде точки на числовой прямой.
Графическое представление скаляра. Записывается в круглых скобках
Вектор из двух чисел отображается в виде точки на плоскости осей Х и Y. Числа задают координаты вектора в пространстве — это такая инструкция, по которой нужно перемещаться от хвоста к стрелке вектора. Первое число показывает расстояние, которое нужно пройти вдоль оси Х; второе — расстояние по оси Y. Положительные числа на оси Х обозначают движение вправо; отрицательные — влево. Положительные числа на оси Y — идём вверх; отрицательные — вниз.
Представим вектор с числами −5 и 4. Для поиска нужной точки нам необходимо пройти влево пять шагов по оси Х, а затем подняться на четыре этажа по оси Y.
Графическое представление числового вектора в двух измерениях
Вектор из трёх чисел отображается в виде точки на плоскости осей Х, Y и Z. Ось Z проводится перпендикулярно осям Х и У — это трёхмерное измерение, где вектор с упорядоченным триплетом чисел: первые два числа указывают на движение по осям Х и У, третье — куда нужно двигаться вдоль оси Z. Каждый триплет создаёт уникальный вектор в пространстве, а у каждого вектора есть только один триплет.
Если вектор состоит из четырёх и более чисел, то в теории он строится по похожему принципу: вы берёте координаты, строите N-мерное пространство и находите нужную точку. Это сложно представить и для обучения не понадобится.
Графическое представление числового вектора в трёх измерениях. Для примера мы взяли координаты −5, 2, 4
Помните, что все эти записи и изображения с точки зрения алгебры не имеют отношения к нашему реальному трёхмерному пространству. Вектор — это просто какое-то количество абстрактных чисел, собранных в строгом порядке
Вектору неважно, сколько там чисел и как их изображают люди. Мы же их изображаем просто для наглядности и удобства
Например, в векторе спокойно может быть 99 координат. Для его изображения нам понадобилось бы 99 измерений, что очень проблематично на бумаге. Но с точки зрения вектора это не проблема: перемножать и складывать векторы из двух координат можно так же, как и векторы из 9999999 координат, принципы те же.
Ссылки [ править ]
- ^ «AA-11 ARCHER R-73» . Проверено 27 марта 2014 .
- ^ a b Джордж П. Саттон, Оскар Библарц, Элементы движения ракеты , 7-е издание.
- ^ Майкл Д. Гриффин и Джеймс Р. Френч, Дизайн космического корабля , второе издание.
- ^ «Многоразовый твердотопливный ракетный двигатель — достижения, уроки и культура успеха» . ntrs.nasa.gov . Проверено 26 февраля 2015 года .
- ^ a b «Разработки противотанковых управляемых ракет» . Проверено 27 марта 2014 .
- ^ «Боевая машина Tor 9A330» . Государственная компания «УКРОБОРОНСЕРВИС» . Проверено 27 марта 2014 .
- ^ «С-400 СА-20 Триумф» . Федерация американских ученых . Проверено 27 марта 2014 .
- ^ Mowthorpe, Сес (1998). Боевые сумки: британские дирижабли времен Первой мировой войны . Wrens Park. п. 11. ISBN 0-905778-13-8.
-
Перейти ↑ Abbott, Patrick (1989). Британский дирижабль в состоянии войны . Теренс Далтон. п. 84. ISBN
0-86138-073-8. - ^ «ЗАПАСНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ — Концепция двигателя с векторной тягой и отклонением реактивной струи 1949 года, разработанная www.DIOMEDIA.com» . Диомедия .
-
^ PJ Yagle; Д. Н. Миллер; КБ Гинн; Дж. В. Хамстра (2001). «Демонстрация перекоса жидкостного горла для управления вектором тяги в конструктивно фиксированных соплах» . Журнал техники газовых турбин и энергетики . 123 (3): 502–508. DOI10.1115 / 1.1361109 .
- ^ a b c d e f g h «Сопло с вектором тяги для современных военных самолетов» Даниэль Иказа, ИТП, представленный на симпозиуме НАТО R&T Организации, Брауншвейг, Германия, 8–11 мая 2000 г.
- ^ a b c d «Разработка интегрированного управления движением в полете на F-35B» Уокер, Вурт, Фуллер, AIAA 2013-44243, AIAA Aviation, 12–14 августа 2013 г., Лос-Анджелес, Калифорния, Международная конференция по лифтовой системе, 2013 г. »
- ^ «X-Planes, Джей Миллер, Aerofax Inc. для Orion Books, ISBN 0-517-56749-0 , Глава 18, The Bell X-14
- ^ «Силовая установка для самолета с вертикальным и коротким взлетом и посадкой» Bevilaqua and Shumpert, патент США № 5,209,428
- ^ a b «Выбор сопла и критерии проектирования» Гамбелл, Террелл, ДеФранческо, AIAA 2004-3923
- ^ a b c «Экспериментальное исследование осесимметричного сопла с гидравлическим вектором тяги с двумя горловинами для применения в сверхзвуковых самолетах» Фламм, Дир, Мейсон, Берриер, Джонсон, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa .gov / 20070030933.pdf
- ^ Б «F-35B Lightning II Три подшипника Поворотные сопла — Код One Magazine» . codeonemagazine.com .
- ^ «Форсунка с регулируемым вектором для реактивных двигателей» Джонсон, Патент США 3,260,049
- ^ «Факты о F-22 Raptor». ВВС США , март 2009 г. Дата обращения: 10 июля 2014 г.
- ^ «Воздушная атака — Истребители и многое другое» . www.air-attack.com . Архивировано из оригинала на 2010-09-17.
- ^ a b Гал-Ор, Бенджамин (2011). «Будущие реактивные технологии». Международный журнал турбо- и реактивных двигателей . онлайн. 28 : 1–29. ISSN 2191-0332 .
- ^ a b Sweetmano, Билл (1999). Joint Strike Fighter: Boeing X-32 против Lockheed Martin X-35 . Серия Enthusiast Color. MBI. ISBN 0-7603-0628-1.
- ^ Бархэм, Роберт (июнь 1994). «Маневрирование с помощью вектора тяги опытного образца перспективного тактического истребителя YF-22» . Материалы конференции по летным испытаниям, проводимой раз в два года AIAA . Хилтон-Хед, Южная Каролина. AIAA-94-2105-CP . Дата обращения 14 мая 2020 .
8. Уилсон, Эрих А., «Введение в авиационные сопла с вектором тяги», ISBN 978-3-659-41265-3