Barqarorlik hosilalari - Stability derivatives

Barqarorlik uchun lotin. Bu barqarorlik hosilalari uchun umumiy stenografiya yozuviga misol. "M" bu uning o'lchovidir pitching moment o'zgaradi. The o'zgarishlar o'zgarishga javoban ekanligini ko'rsatadi hujum burchagi. Ushbu barqarorlik hosilasi "see-em-alfa" deb talaffuz qilinadi. Bu samolyotning "avval burunni" uchib ketishni qanchalik xohlashining o'lchovidir, bu juda muhimdir.

Barqarorlik hosilalari, va shuningdek nazorat hosilalari, barqarorlik bilan bog'liq bo'lgan boshqa parametrlarning o'zgarishi (masalan, parametrlar) kabi samolyotda ma'lum kuchlar va momentlarning qanday o'zgarishini o'lchaydigan o'lchovlar havo tezligi, balandlik, hujum burchagi, va boshqalar.). Belgilangan "trim" parvoz holati uchun ushbu parametrlarda o'zgarishlar va tebranishlar sodir bo'ladi. Harakat tenglamalari bu o'zgarishlar va tebranishlarni tahlil qilish uchun ishlatiladi. Barqarorlik va boshqarish hosilalari ushbu harakat tenglamalarini chiziqli (soddalashtirish) uchun ishlatiladi, shuning uchun transport vositasining barqarorligini osonroq tahlil qilish mumkin.

Parvoz sharoitlari o'zgarganda barqarorlik va boshqaruv hosilalari o'zgaradi. Barqarorlik va boshqariladigan hosilalarning bir qator uchish sharoitida o'zgarishi natijasida yig'indisi an aero modeli. Aero modellari muhandislikda qo'llaniladi parvoz simulyatorlari barqarorlikni tahlil qilish va real vaqtda parvoz simulyatorlarida o'quv va ko'ngil ochish uchun.

Barqarorlik lotin va boshqalar boshqaruv lotin

Barqarorlik hosilalari va boshqaruv hosilalar bir-biriga bog'liqdir, chunki ularning ikkalasi ham boshqa parametrlar o'zgarishi bilan transport vositasidagi kuch va momentlarni o'lchaydi. Ko'pincha so'zlar birgalikda ishlatiladi va "S&C derivatives" atamasida qisqartiriladi. Ular turg'unlik hosilalari parvoz sharoitidagi o'zgarishlarning ta'sirini, boshqarish hosilalari esa nazorat yuzasi holatidagi o'zgarishlarning ta'sirini o'lchashida farq qiladi:

Barqarorlik lotin
a-da qancha o'zgarish sodir bo'lishini o'lchaydi kuch yoki lahza a-da kichik o'zgarishlar bo'lganda transport vositasida harakat qilish parvoz holati parametri kabi hujum burchagi, havo tezligi, balandlik va boshqalar (Bunday parametrlar "holatlar" deb nomlanadi.)
Boshqaruv lotin
ning ozgina o'zgarishi bo'lsa, transport vositasiga ta'sir etuvchi kuch yoki momentda qancha o'zgarish sodir bo'lishini o'lchaydi boshqaruv sirtining burilishi aileronlar, lift va rul kabi.

Foydalanadi

Barqarorlik tahlilini lineerlashtirish (soddalashtirish)

Parvoz sharoitlari o'zgarganda barqarorlik va boshqaruv hosilalari o'zgaradi. Ya'ni, transport vositasidagi kuchlar va momentlar uning holatlarining kamdan-kam oddiy (chiziqli) funktsiyalari. Shu sababli, atmosfera parvoz vositalarining dinamikasini tahlil qilish qiyin bo'lishi mumkin. Ushbu murakkablikni engish uchun quyidagi ikkita usul qo'llaniladi.

Aks holda barqaror parvoz sharoitlari haqida kichik tebranishlar
Tahlilni soddalashtirishning usullaridan biri shundaki, aks holda barqaror parvoz sharoitlari haqida faqat kichik tebranishlarni ko'rib chiqish kerak. Parvoz sharoitlari to'plami (balandlik, havo tezligi, hujum burchagi kabi) barqaror va o'zgarmas bo'lganda "trim" shartlari deb ataladi. Parvoz shartlari barqaror bo'lsa, barqarorlik va boshqaruv hosilalari doimiy bo'lib, ularni matematik jihatdan osonroq tahlil qilish mumkin. Keyinchalik bitta parvoz sharoitlari tahlili turli xil parvoz sharoitlariga qo'llaniladi.
Barqarorlikni tahlil qilish uchun simulyatorlarda qo'llash
Parvoz simulyatorida sharoit o'zgarganda stabillik va boshqaruv hosilalari uchun yangi qiymatlarni "qidirish" mumkin. Shunday qilib, "chiziqli yaqinlashuvlar" unchalik katta emas va barqarorlikni parvoz sharoitlarining keng doirasini qamrab oladigan harakatlarda baholash mumkin. Bu kabi tahlil qilish uchun foydalaniladigan parvoz simulyatorlari "muhandislik simulyatorlari" deb nomlanadi. Barqarorlik va boshqarish hosilalari uchun qiymatlar to'plami (ular har xil parvoz sharoitida o'zgarganda) an aero modeli.

Parvoz simulyatorlarida foydalaning

Muhandislik simulyatorlaridan tashqari, ko'pincha aerodromlar ishlatiladi real vaqt parvoz simulyatorlari uyda foydalanish va parvozlarni professional tayyorlash uchun.

Avtotransport vositalarining o'qlari uchun nomlar

Barqarorlikni tahlil qilishda foydalaniladigan muhim parametrlarni nomlashga yordam beradigan havo kemalari eksa koordinatali tizimidan foydalanadi. Barcha o'qlar tortishish markazi ("CG" deb nomlangan):

  • "X" yoki "x" o'qi tanasi bo'ylab orqadan oldinga qarab harakatlanadi Dumaloq eksa.
  • "Y" yoki "y" o'qi "deb nomlangan qanot bo'ylab chapdan o'ngga qarab harakatlanadi Ovoz balandligi.
  • "Z" yoki "z" yuqoridan pastga qarab, deb nomlanadi Yaw Axis.

Ushbu o'qlarning vaziyatga qarab bir oz farq qiladigan ikkita hizalamasidan foydalaniladi: "tanaga o'rnatiladigan o'qlar" va "barqarorlik o'qlari".

Tanaga o'rnatiladigan o'qlar

Kuzovga o'rnatiladigan o'qlar yoki "tanadagi o'qlar" transport vositasining korpusiga nisbatan aniqlanadi va o'rnatiladi.[1]

  • X tanasi o'qi avtomobil tanasi bo'ylab hizalanadi va odatda normal harakat yo'nalishi bo'yicha ijobiy bo'ladi.
  • Y tanasi o'qi x o'qiga to'g'ri burchak ostida va transport vositasining qanotlari bo'ylab yo'naltirilgan. Agar qanotlar bo'lmasa (raketada bo'lgani kabi), "gorizontal" yo'nalish foydali tarzda aniqlanadi. Y tanasi o'qi odatda transport vositasining o'ng tomoniga ijobiy bo'lishi uchun olinadi.
  • Z tanasi o'qi qanot tanasi (XY) tekisligiga perpendikulyar va odatda pastga qarab ishora qiladi.

Barqarorlik o'qlari

Samolyotlar (odatda raketalar emas) nominal doimiy "trim" da ishlaydi. hujum burchagi. Burun burchagi (X o'qi) kelayotgan havo yo'nalishi bilan mos kelmaydi. Ushbu yo'nalishlardagi farq bu The hujum burchagi. Shunday qilib, ko'plab maqsadlar uchun parametrlar "barqarorlik o'qlari" deb nomlangan ozgina o'zgartirilgan eksa tizimi bo'yicha aniqlanadi. Barqarorlik o'qi tizimi X o'qini kelayotgan oqim yo'nalishiga moslashtirish uchun ishlatiladi. Asosan, tana o'qi tizimi Y tanasi o'qi atrofida trim bilan aylantiriladi hujum burchagi va keyin samolyot korpusiga "qayta o'rnatiladi":[1]

  • X barqarorlik o'qi yaqinlashayotgan havo yo'nalishi bo'yicha tekislanadi barqaror parvoz. (Agar mavjud bo'lsa, u X va Z tana o'qlari tomonidan qilingan tekislikka proektsiyalanadi yonboshlash ).
  • Y barqarorlik o'qi bir xil Y tanasi bilan belgilangan o'qi sifatida.
  • Z barqarorlik o'qi X barqarorlik o'qi va Y tomonidan yasalgan tekislikka perpendikulyar tanasi o'qi.

Kuchlar, momentlar va tezliklarning nomlari

Har bir o'qning bo'ylab kuchlar va tezliklar

Tana o'qlari bo'ylab harakatlanadigan transport vositalariga "Tana o'qi kuchlari" deyiladi:

  • X yoki FX, X o'qi bo'ylab transport vositasidagi kuchlarni ko'rsatish uchun ishlatiladi
  • Y yoki FY, Y o'qi bo'ylab transport vositasidagi kuchlarni ko'rsatish uchun ishlatiladi
  • Z yoki FZ, Z o'qi bo'ylab avtomobilga kuchlarni ko'rsatish uchun ishlatiladi
  • u (kichik harf) X o'qi bo'ylab kelayotgan oqim tezligi uchun ishlatiladi
  • v (kichik harf) Y tanasi o'qi bo'ylab kelayotgan oqim tezligi uchun ishlatiladi
  • w (kichik harf) Z tanasi o'qi bo'ylab kelayotgan oqim tezligi uchun ishlatiladi
Ushbu tezlikni transport vositasining suyuqlikka nisbatan translatsiya harakati nuqtai nazaridan emas, balki nisbiy shamol vektorining uchta tanasi o'qiga proektsiyalari deb o'ylash foydalidir. Tananing yo'nalishiga nisbatan aylanayotganda nisbiy shamol, aniq tarkibiy o'zgarishlar bo'lmasa ham, ushbu komponentlar o'zgaradi tezlik.

Har bir o'qning atrofida momentlar va burchak tezliklari

  • L "" belgisini ko'rsatish uchun ishlatiladiprokatlash moment ", bu X o'qi atrofida. X tanasi o'qi atrofida bo'ladimi yoki X barqarorlik o'qi kontekstga bog'liq (masalan, pastki yozuv).
  • M "nomini ko'rsatish uchun ishlatiladipitching moment ", bu Y o'qi atrofida joylashgan.
  • N "nomini ko'rsatish uchun ishlatiladiyawing moment ", bu Z o'qi atrofida bo'ladi. Z tanasi o'qi atrofida yoki Z barqarorlik o'qi kontekstga bog'liq (masalan, pastki yozuv).
  • "P" yoki "p" X o'qi atrofida burchak tezligi uchun ishlatiladi ("Yuvarlama o'qi atrofida aylanish tezligi"). X tanasi o'qi atrofida yoki X barqarorlik o'qi atrofida bo'lishi kontekstga (masalan, pastki yozuvga) bog'liq.
  • "Q" yoki "q" Y o'qi atrofida burchak tezligi uchun ishlatiladi ("Qatlam o'qi bo'yicha balandlik tezligi").
  • "R" yoki "r" Z o'qi atrofidagi burchak tezligi uchun ishlatiladi ("Yaw o'qi atrofidagi tezlik"). Z tanasi o'qi atrofida yoki Z barqarorlik o'qi kontekstga bog'liq (masalan, pastki yozuv).

Harakat tenglamalari

Barqarorlik hosilalarini ishlatish eng qulay tarzda raketa yoki raketa konfiguratsiyalari bilan namoyish etiladi, chunki ular samolyotlarga qaraganda katta simmetriyani namoyish etadi va harakat tenglamalari mos ravishda soddadir. Agar transport vositasi rulon bilan boshqariladi deb taxmin qilinsa, balandlik va yaw harakatlariga alohida ishlov berilishi mumkin. Yaw tekisligini ko'rib chiqish odatiy holdir, shuning uchun faqat 2 o'lchovli harakatni hisobga olish kerak. Bundan tashqari, tortish kuchi tortilishga teng bo'ladi va harakatning uzunlamasına tenglamasi e'tiborsiz qoldirilishi mumkin.

.

Tana burchakka yo'naltirilgan (psi) inersial o'qlarga nisbatan. Tana burchak ostida yo'naltirilgan (beta) tezlik vektoriga nisbatan, shuning uchun tana o'qlaridagi tezlik tarkibiy qismlari quyidagilardir:

qayerda tezlik.

Aerodinamik kuchlar tanadagi o'qlarga nisbatan hosil bo'ladi, bu inertsional ramka emas. Harakatni hisoblash uchun kuchlarni inersial o'qlarga yo'naltirish kerak. Buning uchun tezlik tanasining tarkibiy qismlarini yo'nalish burchagi orqali hal qilish kerak inertial o'qlarga.

Ruxsat etilgan (inertial) o'qlar bo'yicha qaror qabul qilish:

Inertial o'qlarga nisbatan tezlanish ushbu tezlikni tarkibiy qismlarini vaqtga qarab farqlash orqali topiladi:

Kimdan Nyutonning ikkinchi qonuni, bu ta'sir qiluvchi kuchga teng bo'linadi massa. Endi kuchlar paydo bo'ladi bosim tanadagi taqsimot va shu sababli inertial o'qlarda emas, balki tana o'qlarida hosil bo'ladi, shuning uchun tana kuchlari inersiya o'qlari, chunki Nyutonning ikkinchi qonuni tezlashtiruvchi mos yozuvlar tizimiga sodda shaklda tatbiq etilmaydi.

Tana kuchlarini hal qilish:

Nyutonning ikkinchi qonuni, doimiy massani hisobga olgan holda:

qayerda m massa, tezlanish va kuchning inersial qiymatlarini tenglashtirish va tana o'qlariga qaytish bilan harakat tenglamalari hosil bo'ladi:

Yon tomon, , kichik miqdor, shuning uchun oz bezovtalanish harakat tenglamalari:

Birinchisi Nyutonning ikkinchi qonunining odatdagi ifodasiga o'xshaydi, ikkinchisi esa aslida markazdan qochma tezlanish.Jismning aylanishini boshqaruvchi harakat tenglamasi ning vaqt hosilasidan olingan burchak momentum:

bu erda C harakatsizlik momenti yawa o'qi haqida.Uzgarmas tezlikni taxmin qilsak, faqat ikkita holat o'zgaruvchisi mavjud; va , bu qisqarish tezligi r sifatida ixchamroq yoziladi, bitta kuch va bir lahza mavjud bo'lib, u uchishning ma'lum bir sharti uchun har birining vazifasi , r va ularning vaqt hosilalari. Oddiy raketa konfiguratsiyasi uchun kuchlar va momentlar qisqa muddatda bog'liqdir va r. Kuchlar quyidagi shaklda ifodalanishi mumkin:

qayerda ga mos keladigan kuch muvozanat holat (odatda qirqish ) stenografiyani qo'llash odatiy holdir:

The qisman lotin va holat o'zgaruvchilarining ko'payishi tufayli kuchlar va momentlar o'sishini tavsiflovchi barcha o'xshash atamalar barqarorlik hosilalari deb ataladi. Odatda, raketa konfiguratsiyasi uchun ahamiyatsiz, shuning uchun harakat tenglamalari quyidagicha kamayadi:

Barqarorlikni keltirib chiqaradigan hissalar

Har bir barqarorlik hosilasi raketa qismlarining joylashuvi, hajmi, shakli va yo'nalishi bilan belgilanadi. Samolyotlarda yo'naltirilgan barqarorlik kabi xususiyatlarni aniqlaydi dihedral asosiy tekisliklarning, finning kattaligi va maydoni orqa samolyot, ammo muhim barqarorlik hosilalarining ko'pligi ushbu maqolada batafsil muhokama qilishni istisno qiladi. Raketa faqat uchta barqarorlik hosilasi bilan tavsiflanadi va shu sababli samolyotning yanada murakkab dinamikasi bilan foydali tanishishni ta'minlaydi.

Ushbu diagrammada ko'rsatilgan ko'tarish uzunlamasına tana o'qiga perpendikulyar ravishda. Ko'pgina texnik foydalanishda ko'tarish kelayotgan oqimga perpendikulyar. Ya'ni uzunlamasına perpendikulyar barqarorlik o'qi.

Avval o'ylab ko'ring , tanasi an hujum burchagi tananing harakatiga teskari yo'nalishda ko'tarish kuchini hosil qiladi. Shu sababli har doim salbiy.

Ushbu diagrammada ko'rsatilgan ko'tarish uzunlamasına tana o'qiga perpendikulyar sifatida. Ko'pgina texnik foydalanishda ko'tarish kelayotgan oqimga perpendikulyar. Ya'ni uzunlamasına perpendikulyar barqarorlik o'qi.

Hujumning past burchaklarida ko'tarilish, avvalo, tananing qanotlari, suyaklari va burun sohasi tomonidan hosil bo'ladi. Umumiy ko'tarish masofada ishlaydi oldinda tortishish markazi (bu rasmda salbiy qiymatga ega), bu, raketa bilan aytganda, bosimning markazidir. Agar ko'tarish og'irlik markazidan oldin harakat qilsa, yawing momenti salbiy bo'ladi va hujum burchagini oshirib, ko'tarishni ham, momentni ham oshiradi. Bundan kelib chiqadiki, bosim markazi statik barqarorlik uchun tortishish markazining orqasida bo'lishi kerak. bo'ladi statik chekka va salbiy bo'lishi kerak uzunlamasına statik barqarorlik. Shu bilan bir qatorda, hujumning ijobiy burchagi statik jihatdan barqaror raketada ijobiy yawing momentini yaratishi kerak, ya'ni. ijobiy bo'lishi kerak. Manevrli raketalarni nolga yaqin statik marj bilan loyihalash odatiy holdir (ya'ni neytral statik barqarorlik).

Ijobiy ehtiyoj o'qlar va dartlarning parvozlari va boshqarilmaydigan raketalarning qanotlari borligini tushuntiradi.

.

Burchak tezligining ta'siri asosan burunning ko'tarilishini kamaytiradi va dumini ko'tarilishini oshiradi, ikkalasi ham burilishga qarshi turish uchun ma'lum ma'noda harakat qiladi. shuning uchun har doim salbiy. Qanotning hissasi bor, ammo raketalar kichik statik chegaralarga ega bo'lganligi sababli (odatda a dan kam) kalibrli ), bu odatda kichik. Bundan tashqari, finning hissasi burundan kattaroqdir, shuning uchun aniq kuch bor , lekin bu bilan solishtirganda odatda ahamiyatsiz va odatda e'tiborga olinmaydi.

Javob

Harakat tenglamalarini manipulyatsiya qilish hujum burchagida ikkinchi darajali bir hil chiziqli differentsial tenglamani beradi :

Ushbu tenglamaning sifatli harakati xaqidagi maqolada ko'rib chiqilgan yo'naltirilgan barqarorlik. Beri va ikkalasi ham salbiy, the amortizatsiya ijobiy. Qattiqlik nafaqat statik barqarorlik muddatiga bog'liq , shuningdek, tananing aylanishi tufayli hujumning burchagini samarali ravishda belgilaydigan atama mavjud. Ushbu atama bilan birga ko'tarilish markazining tortishish markazidan oldingi masofasi deyiladi manevr marjasi. Bu barqarorlik uchun salbiy bo'lishi kerak.

Hujum burchagi va pasayish tezligidagi bu pasaygan tebranish, buzilishdan keyin, "tendentsiya" tendentsiyasidan keyin "ob-havo" deb nomlanadi. weathercock shamolga ishora qilmoq.

Izohlar

Vaziyat o'zgaruvchilari hujum burchagi sifatida tanlangan va yaw stavkasi r, va u bilan bog'liq türevler bilan birga tezlikni buzish u qoldirib yubordi. . Bu o'zboshimchalik bilan ko'rinishi mumkin. Biroq, tezlik o'zgarishi vaqt koeffitsienti hujum burchagi o'zgarishiga qaraganda ancha katta bo'lganligi sababli, uning ta'siri transport vositasining yo'naltirilgan barqarorligiga taalluqli. Xuddi shunday, rulolar ham pastroq bo'lganligi sababli, siljishning harakatga ta'siriga ham e'tibor berilmadi tomonlar nisbati konfiguratsiyalar va rulon inersiyasi yaw inerttsiyasidan ancha kam, shuning uchun rulon aylanasi yaw javobidan ancha tezroq bo'lishi kutilmoqda va unga e'tibor berilmaydi. Muammoning ushbu soddalashtirilganligi apriori bilim, muhandisning yondashuvini anglatadi. Matematiklar muammoni iloji boricha umumiyroq qilishni afzal ko'rishadi va faqat tahlil oxirida uni soddalashtirishadi, agar kerak bo'lsa.

Samolyotlar dinamikasi raketa dinamikasiga qaraganda ancha murakkab, asosan, soddalashtirishlar, masalan, tez va sekin rejimlarni ajratish, balandlik va yaw harakatlarining o'xshashligi, harakat tenglamalaridan aniq emas va natijada, tahlil. Subsonik transport samolyotlari tomonlarning nisbati yuqori konfiguratsiyaga ega, shuning uchun yaw va roll rolini ajratilgan deb hisoblash mumkin emas. Biroq, bu shunchaki darajadagi masaladir; samolyot dinamikasini tushunish uchun zarur bo'lgan asosiy g'oyalar raketa harakatining ushbu sodda tahlilida keltirilgan.

Nazorat sanab chiqing

Boshqarish yuzalarining og'ishi transport vositasida bosimning taqsimlanishini o'zgartiradi va ular boshqaruv burilishidan kelib chiqadigan kuchlar va momentlarda bezovtaliklarni o'z ichiga oladi. Oddiy burilish odatda belgilanadi (zeta). Ushbu atamalarni hisobga olgan holda harakatlanish tenglamalari quyidagicha bo'ladi.

Nazorat hosilalarini o'z ichiga olgan holda, avtomobilning javobini va avtopilotni loyihalashtirish uchun ishlatiladigan harakat tenglamalarini o'rganishga imkon beradi.

Misollar

  • CL, deb nomlangan dihedral ta'sir, o'zgarishni o'lchaydigan barqarorlik hosilasi aylanish momenti kabi Yon tomonning burchagi o'zgarishlar. "L" belgisi prokatlash lahza va yonbosh burchakni bildiradi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b Roskam, Jan (1979). "4". Samolyotlarning parvoz dinamikasi va parvozlarni avtomatik boshqarish. 1. Ottava, Kanzas: Roskam aviatsiya va muhandislik korporatsiyasi. p. 113.Kongress kutubxonasining katalog kartasi raqami: 78-31382
  • Babister A W: Samolyotning dinamik barqarorligi va javobi. Elsever 1980, ISBN  0-08-024768-7
  • Fridland B: Boshqarish tizimining dizayni. McGraw-Hill Book Company 1987 yil. ISBN  0-07-100420-3
  • Roskam Jan: Samolyotlarning parvoz dinamikasi va parvozlarni avtomatik boshqarish. Roskam Aviatsiya va muhandislik korporatsiyasi 1979 yil. Ikkinchi bosma 1982 yil. Kongress kutubxonasining katalog kartasi raqami: 78-31382.