1.Силы и моменты, действующие на ЛА в полете. Наименования и обозначения, природа и принципы расчета (1. Силы и моменты, действующие на ЛА в полете. Наименования и обозначения, природа и принципы расчета)

СИЛЫ И МОМЕНТЫ,ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЛА В ПОЛЕТЕ:наименования и обозначения,природа и принципы расчета1В соответствии с ГОСТ 20058-80 результирующей силой R называетсяглавный вектор системы сил, действующих на ЛА без учёта инерционных игравитационных сил, а также сил, возникающих при контакте ЛА с землёй. Силой тягиP называют главный вектор системы сил, действующих на ЛА со стороны двигателя врезультате его функционирования. Результирующей аэродинамической силой R Aназывается главный вектор системы сил, действующих на ЛА со стороны окружающейсреды при его движении.Составляющие (проекции) результирующей силы R по осям связанной системыимеют названия, совпадающие с названиями осей этой системы, т.е. продольная Rx ,нормальная R y , поперечная Rz .По осям скоростной системы – тангенциальная Rxa , подъемная R ya , боковая Rza (т.е.– за исключением скоростной оси, оси этой системы называются по соответствующимсоставляющим силы).Проекции результирующей силы обозначаются буквой R с индексами осей.Составляющие аэродинамической силы R A в связанной системе называются также,как и силы R , но к названиям добавляется слово аэродинамическая, например,аэродинамическая продольная сила.

На практике слово аэродинамическая обычноопускают, точнее – используют лишь тогда, когда не ясно из контекста, о какой именносиле идет речь. Обозначаются по обозначениям осей, но – заглавными буквами, т.е. X, Y,Z. Внимание – положительное направление силы Х противоположно положительномунаправлению продольной оси.По осям скоростной системы:Xa – сила лобового сопротивления (с обратным знаком);Ya - аэродинамическая подъемная сила;Za – аэродинамическая боковая сила.Используются также проекции аэродинамической силы в траекторной Xk, Yk, Zk,нормальной (земной) Xg, Yg, Zg, в полусвязанной Xе, Yе, Zе и в связанной спространственным углом атаки Xп, Yп, Zп системах. За исключением вертикальной силыYg эти силы не имеют специальных названий.В старом стандарте ГОСТ 1075-41 специальные названия имели толькосоставляющие аэродинамической силы (соответственно – без слова аэродинамическая).На оси связанной системы – X1, Y1, Z1 – тангенциальная, нормальная, поперечная (именнотангенциальная, а не продольная).На оси скоростной системы - Q, Y, Z - сила лобового сопротивления (с обратнымзнаком), подъемная сила, боковая сила.

Использовались также обозначения X, Y, Z , илиXС, YС, ZС, или XV, YV, ZV.Использовались также (без специальных названий) проекции аэродинамической силыв земной Xg, Yg, Zg и в полусвязанной X2, Y2, Z2 системах.В международной системе и результирующая, и аэродинамическая силыобозначаются по обозначениям соответствующих осей, но для аэродинамической –добавляется верхний индекс «А». Составляющие результирующей силы специальныхназваний не имеют. Составляющие аэродинамической силы имеют те же названия, чтои в нашем стандарте.Но так как оси не совпадают, то и обозначения не совпадают, т.е.

YA – поперечнаясила (а не нормальная), а YaA – боковая (а не подъемная).1К тому же знаки составляющих сил не совпадают со знаками осей как для осей X иXa, так и для осей Z и Za.Кроме того в международной системе тяга обозначается F (проекции –соответствующей буквой с индексами осей), а не P .RКроме сил используются также понятия вектора перегрузки n и проекцийmgэтого вектора на оси различных СК. Называются – перегрузками, обозначаются буквой nс индексом соответствующей оси, причём названия имеют те перегрузки, для которыхимеют названия, соответствующие им проекции силы.

Названия – аналогичные, заисключением nya, которая называется нормальной скоростной перегрузкой (а неподъёмной).Результирующим моментом M R по действующему стандарту называют главныймомент системы сил, образующих результирующую силу относительно характернойточки ЛА. Не путать – не момент результирующей силы R относительно характернойточки, а именно – главный момент системы сил, для которой R является главнымвектором. Разница – в существовании пар сил, практически неизбежном принесимметричном обтекании. Момент тяги M P и аэродинамический M определяютсяаналогичным образом, причем M  M R  M P .Проекции моментов по действующему стандарту обозначаются буквой М ссоответствующими индексами: MRxa, MRya, MRza; MRx, MRy, MRz; Mxa, Mya, Mza; Mx, My, Mz,причем проекции результирующего момента в связанной системе и аэродинамическогомомента в связанной и в скоростной системах называются моментами крена, рыскания итангажа соответственно.

Знаки всех проекций моментов – по общему правилу.Составляющие момента тяги имеют аналогичные обозначения, но специальных названийне имеют.В предыдущем стандарте определялись лишь проекции аэродинамическогомомента, назывались также и обозначались Mx, My, Mz для скоростной системы и Mx1,My1, Mz1 – для связанной.В международном стандарте для каждой составляющей свое обозначение: L – вокругоси x, M – вокруг оси y, N – вокруг оси z. Причем для результирующего момента и всвязанной и в скоростной системах эти моменты называются соответственномоментами крена, тангажа, рыскания, а для аэродинамического – не имеют специальныхназваний.

Система индексов – такая же, как для сил.Итак, для ЛА выделяют результирующую силу R , включающую всеаэродинамические силы (возникающие из-за взаимодействия со средой (воздушной) придвижении) и силу тяги (создаваемую двигателем с движителем) P , и силывзаимодействия с Землей.

Смысл такого деления – в результирующую силу входятсоздаваемые на борту, в то время как силы взаимодействия с Землей действуют «сами посебе». Это деление отражено в понятии перегрузки. Обычно взаимодействие с Землейучитывают силой тяжести mg , рассматривая её как сосредоточенную приложенную вцентре масс, но ещё есть взаимодействие с земной поверхностью при контакте (при взлётеи посадке), из-за экранного эффекта, «воздушная подушка» - учёт этих сил нужнооговаривать для каждой конкретной задачи. Возможны ли какие-то другие силы? Да,например – силы, возникающие из-за того, что ЛА не является твердым телом: возможныотносительные перемещения его частей из-за нежесткости (упругие деформации) либо –специально создаваемые движения (вращение турбин двигателя, изменяемая геометрия,перемещение и сброс грузов (и пассажиров), стрельба и пуски ракет, изменениеположения управляющих элементов).

Нельзя забывать и о неизбежном присутствии2гидростатической (архимедовой) силы, которой, правда, обычно пренебрегают из-за еёмалости.В данном курсе рассматриваются только аэродинамические силы и моменты.Прочие – считаются известными (заданными). Что значит – известные? Должны бытьизвестны величина и линия действия – главный вектор. Обратить внимание, что системысил – распределенные, но – известным образом сводимые к сосредоточенным силам.Известные – как правило, не в виде констант, а в виде зависимостей от параметровдвижения.Об аэродинамических силах.

Все они являются распределенными по поверхностиЛА и в окружающем его объёме. По природе возникновения принято выделятьследующие виды сил:- силы давления заторможенного потока (торможение может происходить как осаму поверхность, так и на скачке уплотнений, направление главного вектора –против вектора скорости (воздушной));- силы давления, возникающие при обтекании поверхности и соответствующиеместным скоростям обтекания (направление и линия действия главного вектора –произвольные, определяются картиной (распределением скоростей) обтекания;именно эти силы «создают» подъёмную силу ЛА);- силы трения из-за вязкости (перераспределение скоростей (ламинарное итурбулентное) и тепловые потери; направление главного вектора – противвектора скорости (воздушной));- из-за отрыва потока и образования застойной вихревой зоны (затягивание частипотока в зону малого давления с соответствующей потерей импульсанаправленного движения; направление главного вектора – против вектораскорости (воздушной));- из-за «акустических» (т.е.

- связанных с возникновением колебаний среды)потерь на скачке уплотнений (при гидравлическом ударе) на сверхзвуке.Это – для тех скоростей, на которых сейчас летают аэродинамические ЛА. Длягиперзвука – дополнительные факторы (и другое влияние перечисленных): резкоевозрастание температуры (из-за заметного влияния релаксации, т.е. – время переходныхпроцессов соизмеримо со временем изменения параметров движения – равновесие неуспевает установиться – процесс нельзя считать адиабатическим), приводящее кизменениям в свойствах газа в возмущенном слое – химическим (диссоциации,рекомбинации), электрохимическим (ионизация).Очевидно, что действие этих факторов на движение ЛА определяетсяпараметрами этого движения относительно воздушной среды. Следует заметить, чтосреди рассматриваемых факторов есть не только такие, которые оказываютнепосредственное «механическое» воздействие на ЛА (т.е.

- действительно являютсясилами, пусть и распределёнными), но и такие, действие которых проявляется в потеряхэнергии движения. Действие последних принято также описывать в виде сил, работакоторых соответствует потерянной энергии. По характеру своего действия эти силыявляются силами сопротивления движению.Как и любую систему сил, систему распределенных аэродинамическихвоздействий на ЛА можно привести к главному вектору и к главному моменту системы,называемым, соответственно, результирующей аэродинамической силой R A ирезультирующимаэродинамическиммоментомM .

В результирующейаэродинамической силе выделяют составляющую Xa , направленную противоположноскорости V характерной точки ЛА относительно невозмущенного потока, которуюназывают силой аэродинамического (лобового) сопротивления. Следует заметить, что вотдельных случаях силы давления могут создавать так называемую «подсасывающуюсилу», т.е.

- действующую не навстречу, а в направлении движения. Эту составляющую3также включают в силу сопротивления, но с противоположным знаком, считая, что онапросто уменьшает это сопротивление. Оставшийся вектор R A  Xa , расположенный,очевидно, в плоскости, перпендикулярной скорости, раскладывают на две составляющие.Одну из них, лежащую в плоскости симметрии ЛА, называют аэродинамическойподъёмной силой Ya , другую, перпендикулярную как Xa , так и Ya - аэродинамическойбоковой силой Za .Очевидно, что рассматриваемые силы зависят от формы ЛА, параметров егодвижения относительно воздушной среды, характеристик самой среды.