کنترل و پایداری هواپیما

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 3222

سپاس: 5492

جنسیت:

تماس:

کنترل و پایداری هواپیما

پست توسط rohamavation »

یکی از عوامل کلیدی در موفقیت برادران رایت در ساخت اولین هواپیمای سنگین تر از هوا، بینش آنها بود که یک هواپیمای کاربردی مستلزم تسلط بر سه رشته است:
بلند کردن
نیروی محرکه
کنترل
در حالی که دو مورد اول توسط پیشگامان قبلی مانند سر جورج کیلی، اتو لیلینتال، اکتاو شانوت، ساموئل لنگلی و دیگران به موفقیت دست یافتند، به نظر می‌رسید که مسئله کنترل در روزهای اولیه هوانوردی کنار گذاشته شده بود. حتی اگر برادران رایت تونل باد کوچک خود را برای آزمایش با اشکال مختلف ایرفویل (مسلط بالابر) ساختند و همچنین موتور سبک وزن خود را (بهبود نیروی محرکه) برای پرواز رایت ساختند، یک نوآوری بزرگتر سیستم کنترلی بود که روی هواپیما نصب کردند.
اساساً، یک هواپیما در اطراف مرکز ثقل خود مانور می دهد و سه محور منحصر به فرد وجود دارد که هواپیما می تواند حول آنها بچرخد:
محور طولی از دماغه تا دم که به آن محور رول نیز می گویند، یعنی چرخاندن یک بال به بالا و یک بال به پایین.
محور جانبی از نوک بال به نوک بال که به آن محور گام نیز می گویند، یعنی بینی به بالا یا پایین بینی.
محور معمولی از بالای کابین تا پایین ارابه فرود که به آن محور انحراف نیز می گویند، یعنی دماغه به چپ یا راست می چرخد.
محور انحراف اصلاح شد
در یک هواپیمای معمولی ما یک آسانسور افقی داریم که به دم متصل است تا زمین را کنترل کند. دوم، یک هواپیمای دم عمودی دارای یک سکان (مثل یک قایق) است که خمیازه را کنترل می کند. در نهایت، باله های نصب شده روی بال ها می توانند برای چرخاندن هواپیما از سمتی به سمت دیگر استفاده شوند. در هر مورد، تغییر در نگرش هواپیما با تغییر بالابر بر روی یکی از این سطوح کنترلی انجام می شود.
مثلا:
حرکت آسانسور به سمت پایین باعث افزایش کمبر موثر در صفحه دم افقی می شود و در نتیجه باعث افزایش لیفت آیرودینامیکی در عقب هواپیما و ایجاد یک لحظه رو به پایین دماغه در مورد مرکز ثقل هواپیما می شود. از طرف دیگر، حرکت آسانسور به سمت بالا باعث ایجاد حرکت بینی به بالا می شود.
در مورد سکان، انحراف سکان به یک سمت، بالابر را در جهت مخالف افزایش می دهد و در نتیجه دماغه هواپیما را در جهت انحراف سکان می چرخاند.
در مورد ایلرون ها، یک طرف تحت فشار قرار می گیرد در حالی که طرف دیگر بالا می رود تا از یک طرف بالابر افزایش یابد و از طرف دیگر نیروی برش کاهش یابد و در نتیجه هواپیما را غلت دهد.
امروزه، بسیاری از سیستم های کنترلی دیگر علاوه بر یا به جای سیستم های معمولی که در بالا ذکر شد، استفاده می شوند. برخی از این موارد عبارتند از:
Elevens - ایلرون و آسانسور ترکیبی.
Tailerons - دو هواپیمای دنباله دار متحرک متفاوت.
نوارهای لبه پیشرو و لبه های انتهایی - عمدتاً برای افزایش ارتفاع در هنگام برخاستن و فرود.
اما در نهایت عمل عملیات اساساً یکسان است، بالابر روی قسمت خاصی از هواپیما تغییر می کند و باعث ایجاد لحظه ای در مورد مرکز ثقل می شود.
شرایط ویژه Aileron
دو شرایط خاص در عملکرد ایلرون ها بوجود می آید.
اولین مورد به عنوان انحراف نامطلوب شناخته می شود. با انحراف هواپيماها، يكي به بالا و ديگري پايين، ايلرون كه به سمت پايين است، كشش آيروديناميكي بيشتري نسبت به هواپيماي رو به بالا ايجاد مي كند. این کشش القایی تابعی از مقدار بالابر ایجاد شده توسط ایرفویل است. به عبارت ساده‌تر، افزایش در بالابر باعث فعالیت ریزش گرداب بارزتر می‌شود و بنابراین یک ناحیه پرفشار در پشت بال ایجاد می‌کند که به عنوان یک نیروی بازدارنده خالص بر روی هواپیما عمل می‌کند. از آنجایی که ایرفویل رو به پایین بالابر بیشتری ایجاد می کند، کشش ناشی از آن نیز بیشتر است. این کشش افزایش یافته روی هواپیمای رو به پایین (بال رو به بالا) هواپیما را به سمت این بال منحرف می کند، که باید توسط سکان متعادل شود. آیرودینامیک‌ها می‌توانند با الزام انحراف کمتر باله‌ای که به سمت پایین اشاره می‌کند، با اثر انحرافی نامطلوب مقابله کنند. روش دیگر، از ایلرون های Frize استفاده می شود که از ایرلن با سرب بیش از حد گرد استفاده می کنند
لبه ها برای افزایش کشش روی باله رو به بالا و در نتیجه کمک به خنثی کردن کشش القایی روی باله رو به پایین بال دیگر. مشکل ایلرون های فریز این است که می توانند منجر به لرزش های خطرناک بال زدن شوند و بنابراین حرکت دیفرانسیل آیلرون معمولا ترجیح داده می شود.
اثر دوم به عنوان معکوس هوایی شناخته می شود که در دو سناریو مختلف رخ می دهد.
در سرعت های بسیار کم با زوایای حمله بالا، به عنوان مثال. در حین برخاستن یا فرود، انحراف هواپیما به سمت پایین می‌تواند با افزایش زاویه مؤثر حمله به گذشته از سطوح پایدار (جداسازی لایه‌های مرزی) یک بال را متوقف کند، یا حداقل باعث کاهش ارتفاع بر روی بال شود. در این حالت، آیلرون رو به پایین برعکس اثر مورد نظر را ایجاد می کند.
در سرعت‌های بسیار بالا، انحراف به سمت بالا یا پایین هواپیما ممکن است باعث ایجاد گشتاورهای پیچشی بزرگی در اطراف بال شود، به طوری که کل بال بپیچد. به عنوان مثال، یک هواپیمای رو به پایین، لبه عقب را به سمت بالا و لبه جلویی را به سمت پایین می‌پیچد، در نتیجه به جای افزایش، زاویه حمله و در نتیجه بالابر روی آن بال را کاهش می‌دهد. در این مورد، طراح سازه باید اطمینان حاصل کند که صلبیت پیچشی بال برای به حداقل رساندن انحرافات تحت بارهای پیچشی کافی است یا اینکه سرعتی که در آن این اثر رخ می دهد خارج از پوشش طراحی هواپیما باشد.
ثبات
منظور ما از پایداری هواپیما چیست؟ اساساً ما باید بین پایداری هواپیما در برابر انگیزه خارجی، با و بدون پاسخ خلبان به اغتشاش، تشخیص دهیم. در اینجا ما خود را به پایداری ذاتی هواپیما محدود می کنیم. از این رو گفته می شود که هواپیما در صورتی که پس از یک جابجایی کوچک آشفته به حالت تعادل اولیه خود بازگردد، بدون دخالت خلبان، پایدار است. بنابراین، پاسخ هواپیما صرفاً از طراحی ذاتی ناشی می شود. در پرواز در سطح، ما تمایل داریم که از آن به عنوان پایداری استاتیک یاد کنیم. در واقع وقتی هواپیما پس از یک اختلال کوچک به حالت اولیه پرواز ثابت باز می گردد، از نظر ایستا پایدار است. هنگامی که به دور شدن از وضعیت اولیه پرواز ثابت در صورت اختلال ادامه می دهد، از نظر ایستا ناپایدار است. و هنگامی که در شرایط جدید پس از یک اختلال ثابت می ماند، به طور خنثی پایدار است. نوع دوم و خطرناک‌تر پایداری، پایداری پویا است. هواپیما ممکن است به طور مداوم به حالت پرواز ثابت اولیه همگرا شود. ممکن است بیش از حد اصلاح شود و سپس به صورت نوسانی به پیکربندی اصلی همگرا شود. یا می تواند کاملاً واگرا شود و رفتار غیرقابل کنترلی داشته باشد، در این صورت به خلبان توصیه می شود که مداخله کند. ناپایداری استاتیک به طور طبیعی دلالت بر ناپایداری دینامیکی دارد، اما پایداری استاتیک به طور کلی پایداری دینامیکی را تضمین نمی کند.
پایداری طولی ایستا هواپیما
سه مورد برای پایداری استاتیکی: به دنبال یک اختلال زمین، هواپیما می تواند ناپایدار، خنثی یا پایدار باشد. توسط اولیویه کلینن از طریق ویکی‌مدیا کامانز.
پایداری طولی / جهتی
منظور از پایداری طولی، پایداری هواپیما در اطراف محور Pitching است. ویژگی های هواپیما در این رابطه تحت تأثیر سه عامل است:
موقعیت مرکز ثقل (CG). به عنوان یک قاعده کلی، هرچه CG جلوتر (به سمت دماغه) جلوتر باشد، هواپیما از نظر پیچش پایدارتر است. با این حال، موقعیت‌های CG رو به جلو، کنترل هواپیما را دشوار می‌کند، و در واقع هواپیما در سرعت‌های پایین‌تر به طور فزاینده‌ای سنگین می‌شود، به عنوان مثال. در هنگام فرود هر چه CG به عقب تر حرکت کند هواپیما از نظر استاتیکی پایدارتر می شود. یک نقطه بحرانی وجود دارد که در آن هواپیما به طور خنثی پایدار می شود و هر حرکت بیشتر به عقب CG منجر به واگرایی غیرقابل کنترل در طول پرواز می شود.
موقعیت مرکز فشار (CP). مرکز فشار نقطه ای است که در آن نیروهای بالابر آیرودینامیکی در صورت گسسته شدن بر روی یک نقطه عمل می کنند. بنابراین، اگر CP با CG منطبق نباشد، به طور طبیعی در مورد CG لحظه‌های نوسانی ایجاد می‌شود. مشکل این است که CP ثابت نیست، اما می تواند در طول پرواز بسته به زاویه برخورد بال ها حرکت کند.
طراحی هواپیمای عقب و به خصوص آسانسور. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، نقش آسانسور کنترل چرخش های چرخشی هواپیما است. بنابراین، آسانسور می تواند برای مقابله با هر گونه چرخش نامطلوب استفاده شود. در طول طراحی هواپیمای عقب و به طور کلی هواپیما، بسیار مهم است که مهندسان از قابلیت‌های بازیابی غیرفعال ذاتی آسانسور استفاده کنند. به عنوان مثال، فرض کنید که زاویه برخورد بالها در حین پرواز در اثر یک وزش ناگهانی افزایش می یابد (بالا می رود) که منجر به افزایش لیفت بال و تغییر موقعیت CP می شود. بنابراین، هواپیما یک تغییر فزاینده در لحظه نوسان در مورد CG ارائه شده توسط آن را تجربه می کند
$(\text{Incremental increase in lift}) \times (\text{new distance of CP from CG})$
در همان زمان، elevoto
زاویه حمله r نیز به دلیل اختلال دماغه بالا/دم به پایین افزایش می یابد. از این رو، طراح باید مطمئن شود که بالابر افزایشی آسانسور ضربدر فاصله آن از CG بیشتر از اثر بالها باشد، یعنی.
$(\text{Incremental increase in lift} \times \text{new distance of CP from CG})_{elevator} > (\text{Incremental increase in lift} \times \text{new distance of CP from CG})_{wings}$
در نتیجه تعامل بین CP و CG، طراحی tailplane تا حد زیادی بر درجه پایداری استاتیک pitching هواپیما تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، به دلیل شکل کلی بدنه هواپیما، CP هواپیما معمولاً از CG جلوتر است. بنابراین، نیروهای بالابر که بر روی هواپیما عمل می کنند، همیشه نوعی لحظه بی ثبات کننده در مورد CG ایجاد می کنند. این عمدتاً وظیفه هواپیمای عقب عمودی (باله) است که ثبات جهت را فراهم کند، و بدون باله، پرواز بیشتر هواپیماها اگر کاملاً ناپایدار نباشد، بسیار دشوار خواهد بود.
پایداری جانبی
منظور از پایداری جانبی، پایداری هواپیما هنگام غلتش یک بال به پایین/یک بال به بالا و بالعکس است. همانطور که هواپیما می غلتد و بالها دیگر بر جهت شتاب گرانشی عمود نیستند، نیروی بالابر که عمود بر سطح بالها عمل می کند نیز دیگر موازی با گرانش نیست. از این رو، چرخاندن هواپیما هم یک جزء بالابر عمودی در جهت گرانش و هم یک جزء بار جانبی افقی ایجاد می‌کند و در نتیجه باعث لغزش هواپیما می‌شود. اگر این بارهای لغزش جانبی به بازگشت هواپیما به پیکربندی اولیه کمک کنند، آنگاه هواپیما به صورت جانبی پایدار است. دو مورد از روش های محبوب برای دستیابی به این هدف عبارتند از:
بال های متمایل به بالا که از اثر دو وجهی بهره می برند. از آنجایی که هواپیما به صورت جانبی دچار اختلال می شود، حرکت چرخش به یک سمت منجر به زاویه برخورد بیشتر در بال رو به پایین نسبت به بال رو به بالا می شود. این به این دلیل است که حرکت رو به جلو و پایین بال معادل افزایش خالص در زاویه حمله است، در حالی که حرکت رو به جلو و رو به بالا بال دیگر معادل کاهش خالص است. بنابراین، لیفتی که روی بال رو به پایین عمل می کند بیشتر از بال رو به بالا است. این بدان معناست که وقتی هواپیما شروع به غلتیدن به طرفین می کند، اختلاف جانبی در دو جزء بالابر باعث ایجاد عدم تعادل لحظه ای می شود که تمایل دارد هواپیما را به پیکربندی اولیه خود بازگرداند. این در واقع یک مکانیسم کنترل غیرفعال است که نیازی به راه اندازی توسط خلبان یا هر سیستم کنترل تثبیت کننده الکترونیکی موجود در هواپیما ندارد. اثر بی‌ثبات‌کننده معکوس را می‌توان با بال‌های غیرهدرال رو به پایین ایجاد کرد، اما برعکس این طراحی مانورپذیری را بهبود می‌بخشد.
اثر دو وجهی.
اثر دو وجهی با لغزش کناری.
بال های عقبی جاروب شده با لغزش هواپیما، بال رو به پایین دارای طول وتر موثر در جهت جریان هوا نسبت به بال رو به بالا است. طول وتر کوتاه تر باعث افزایش انحنای موثر بال پایینی می شود و بنابراین منجر به بالا رفتن بیشتر در بال پایینی نسبت به بال بالایی می شود. این منجر به همان لحظه بازیابی می شود که برای بال های دو وجهی در بالا بحث شد.
شایان ذکر است که بال‌های گریه‌دار و عقب‌نشین را می‌توان با هم ترکیب کرد تا بین ثبات و مانور پذیری به سازش رسید. برای مثال، هواپیما ممکن است بیش از حد با بال‌های جاروب شده بیش از حد طراحی شود، و سپس مقداری از پایداری آن با طراحی چهارپایه برای بهبود مانورپذیری حذف شود.برهمکنش پایداری طولی/جهتی و جانبی
همانطور که در بالا توضیح داده شد، حرکت هواپیما در یک هواپیما اغلب با حرکت در هواپیما دیگر همراه است. انحراف هواپیما باعث می شود که یک بال به سمت جلو و بال دیگر به سمت عقب حرکت کند و در نتیجه سرعت نسبی جریان هوا بر روی بال ها تغییر می کند و در نتیجه باعث ایجاد تفاوت در بالابر تولید شده توسط دو بال می شود. نتیجه این است که خمیازه کشیدن با غلتیدن همراه است. این اثرات متقابل و جفت می تواند به انواع ثانویه بی ثباتی منجر شود.
به عنوان مثال، در ناپایداری مارپیچی، ثبات جهت انحراف و پایداری جانبی غلتش بر هم اثر می‌گذارند. هنگامی که در مورد پایداری جانبی بحث کردیم، متوجه شدیم که لغزش جانبی ناشی از اختلال غلتشی یک لحظه بازگشتی در برابر غلتش ایجاد می کند. با این حال، به دلیل ثبات جهت، یک اثر انحرافی نیز ایجاد می کند که بانک را افزایش می دهد. بزرگی نسبی اثرات بازیابی جانبی و جهتی، آنچه را که در یک سناریوی معین اتفاق می‌افتد، مشخص می‌کند. بیشتر هواپیماها با ثبات جهتی بیشتری طراحی شده اند، و بنابراین یک اختلال کوچک در جهت چرخش منجر به بانکداری بیشتر می شود. اگر ضد تعادل نیستبا استفاده از خلبان یا سیستم کنترل الکترونیکی، هواپیما می تواند وارد یک پیچ غواصی فزاینده شود.
مثال دیگر رول هلندی است، یک رفت و برگشت پیچیده بین خمیازه کشیدن و غلتیدن. اگر یک بال جاروب شده توسط یک اختلال خمیازه به هم بخورد، اکنون بال کمی رو به جلو حرکت بیشتری ایجاد می‌کند، دقیقاً برای همان استدلالی که در مورد وتر مؤثر کوتاه‌تر و ناحیه مؤثر بزرگ‌تر در جریان هوا وجود دارد. در نتیجه، هواپیما به سمت بال کمی رو به عقب می غلتد. با این حال، همان بال رو به جلو با نیروی بالابر بیشتر نیز نیروی کششی القایی بیشتری ایجاد می کند که تمایل دارد هواپیما را در جهت مخالف به عقب برگرداند. در شرایط مناسب، این توالی از رویدادها می تواند برای ایجاد یک حرکت لرزشی ناراحت کننده تداوم یابد. در اکثر هواپیماهای امروزی برای جلوگیری از این ناپایداری نوسانی، دمپرهایی در سیستم کنترل خودکار تعبیه شده است.
در این پست من فقط تعداد کمی از چالش های کنترلی را که مهندسان هنگام طراحی هواپیما با آن مواجه می شوند، شرح داده ام.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
smile260 smile016 :?:
تصویر

ارسال پست