Как найти перегрузку самолета

В данной статье репетитор по физике и математике рассказывает о том, как рассчитать перегрузку, которую испытывает тело в момент разгона или торможения. Данный материал очень плохо рассматривается в школе, поэтому школьники очень часто не знают, как осуществлять расчёт перегрузки, а ведь соответствующие задания встречаются на ЕГЭ и ОГЭ по физике. Так что дочитайте эту статью до конца или посмотрите прилагающийся видеоурок. Знания, которые вы получите, пригодятся вам на экзамене.

Начнём с определений. Перегрузкой называется отношение веса тела к величине силы тяжести, действующей на это тело у поверхности земли. Вес тела — это сила, которая действует со стороны тела на опору или подвес. Обратите внимание, вес — это именно сила! Поэтому измеряется вес в ньютонах, а не в килограммах, как некоторые считают.

Таком образом, перегрузка — это безразмерная величина (ньютоны делятся на ньютоны, в результате ничего не остаётся). Однако, иногда эту величину выражают в ускорениях свободного падения. Говорят, к примеру, что перегрузка равна , имея ввиду, что вес тела вдвое больше силы тяжести.

Примеры расчёта перегрузки

Покажем, как осуществлять расчёт перегрузки на конкретных примерах. Начнём с самых простых примеров и перейдём далее к более сложным.

Пример 1. Чему равна перегрузка человека, стоящего на земле? Чему равна перегрузка человека, свободно падающего с некоторой высоты?

Очевидно, что человек, стоящий на земле, не испытывает никаких перегрузок. Поэтому хочется сказать, что его перегрузка равна нулю. Но не будем делать поспешных выводов. Нарисуем силы, действующие на этого человека:

К человеку приложены две силы: сила тяжести , притягивающая тело к земле, и противодействующая ей со стороны земной поверхности сила реакции , направленная  вверх. На самом деле, если быть точным, то эта сила приложена к подошвам ног человека. Но в данном конкретном случае, это не имеет значения, поэтому её можно отложить от любой точки тела. На рисунке она отложена от центра масс человека.

Вес человека приложен к опоре (к поверхности земли), в ответ в соответствии с 3-м законом Ньютона со стороны опоры на человека действует равная по величине и противоположно направленная сила . Значит для нахождения веса тела, нам нужно найти величину силы реакции опоры.

Поскольку человек стоит на месте и не проваливается сквозь землю, то силы, которые на него действуют скомпенсированы. То есть , и, соответственно, . То есть расчёт перегрузки в этом случае даёт следующий результат:

Запомните это! При отсутствии перегрузок перегрузка равна 1, а не 0. Как бы странно это не звучало.

Определим теперь, чему равна перегрузка человека, который находится в свободном падении.

Если человек пребывает в состоянии свободного падения, то на него действует только сила тяжести, которая ничем не уравновешивается. Силы реакции опоры нет, как нет и веса тела. Человек находится в так называемом состоянии невесомости. В этом случае перегрузка равна 0.

Пример 2. Определите перегрузку космонавтов, находящихся в ракете, движущейся на небольшой высоте вверх с ускорением 40 м/с².

Космонавты находятся в горизонтальном положении в ракете во время её старта. Только так они могут выдержать перегрузки, которые они испытывают, не потеряв при этом сознания. Изобразим это на рисунке:

В этом состоянии на них действует две силы: сила реакции опоры и сила тяжести . Как и в прошлом примере, модуль веса космонавтов равен величине силы реакции опоры: . Отличие будет состоять в том, что сила реакции опоры уже не равна силе тяжести, как в прошлый раз, поскольку ракета движется вверх с ускорением . С этим же ускорением синхронно с ракетой ускоряются и космонавты.

Тогда в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось Y (см. рисунок), получаем следующее выражение: , откуда . То есть искомая перегрузка равна:

Надо сказать, что это не самая большая перегрузка, которую приходится испытывать космонавтам во время старта ракеты. Перегрузка может доходить до 7. Длительное воздействие таких перегрузок на тело человека неминуемо приводит к летальному исходу.

Пример 3. Рассчитайте перегрузку, которую испытывает пилот самолёта, выполняющего «мёртвую петлю» в нижней точке траектории. Скорость самолёта в этой точке составляет 360 км/ч. Радиус «мёртвой петли» составляет 200 м.

В нижней точке «мёртвой петли» на пилота будут действовать две силы: вниз — сила , вверх, к центру «мёртвой петли», — сила (со стороны кресла, в котором сидит пилот):

Туда же будет направлено центростремительное ускорение пилота , где км/ч м/с — скорость самолёта, — радиус «мёртвой петли». Тогда вновь в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось, направленную вертикально вверх, получаем следующее уравнение:

Тогда вес равен . Итак, расчёт перегрузки даёт следующий результат:

Весьма существенная перегрузка. Спасает жизнь пилота только то, что действует она не очень длительно.

Ну и напоследок, рассчитаем перегрузку, которую испытывает водитель автомобиля при разгоне.

Пример 4. Рассчитайте перегрузку, которую испытывает водитель автомобиля, разгоняющегося с места до скорости 180 км/ч за 10 с.

Итак, конечная скорость автомобиля равна км/ч м/с. Если автомобиль ускоряется до этой скорости из состояния покоя за c, то его ускорение равно м/с².

На водителя в процессе ускорения действуют две составляющие силы реакции опоры: со стороны седушки кресла (вертикальная составляющая) и со стороны спинки кресла (горизонатльная составляющая) :

Автомобиль движется горизонтально, следовательно, вертикальная составляющая силы реакции опоры уравновешена силой тяжести, то есть . В горизонтальном направлении водитель ускоряется вместе с автомобилем. Следовательно, по 2-закону Ньютона в проекции на ось, сонаправленную с ускорением, горизонтальная составляющая силы реакции опоры равна .

Величину общей силы реакции опоры найдём по теореме Пифагора: . Она будет равна модулю веса. То есть искомая перегрузка будет равна:

Сегодня мы научились рассчитывать перегрузку. Запомните этот материал, он может пригодиться при решении заданий из ЕГЭ или ОГЭ по физике, а также на различных вступительных экзаменах и олимпиадах.

Материал подготовил репетитор по физике в Москве, Сергей Валерьевич

Смотрите также:

• Как рассчитать скорость спутника, вращающегося вокруг земли
• Как легко решить сложную задачу на относительность движения

Титульный
лист

Реферат
на тему: «Боковая перегрузка Sukhoi Superjet
100»

Оглавление

1
Понятие о перегрузках в авиации 3

2
Датчики измеряющие боковую перегрузку 6

3
Авиационные бортовые приборы 10

Заключение 13

Список
литературы 14

Перегрузкой
называется отношение суммы всех сил,
кроме силы веса, действующих на самолет,
к весу самолета, и определяется по
формуле:

n
= (P+R) / G,

где
P – тяга двигателя;

R
– суммарная аэродинамическая сила.

Стрелки
над символами в формуле указывают, что
учитывается направление действия сил,
поэтому силы нельзя складывать
алгебраически.

Рисунок
1 – Равнодействующая тяги двигателя и
суммарной аэродинамической силы

Рисунок
2 – Положительные направления перегрузок

Например,
если аэродинамическая сила R и тяга
двигателя P лежат в плоскости симметрии,
то их сумма R+P, определяется, как показано
на рисунке 1.

В
большинстве случаев пользуются не
суммарной перегрузкой n, а ее проекциями
на оси скоростной системы координат –
n_x, n_y,
n_z как
показано на

рисунке 2.

Существуют
три вида перегрузки: нормальная,
продольная и боковая.

Нормальная
перегрузка n_y определяется
в первую очередь подъемной силой и
определяется по формуле:

n_y =
Y/G,

где
Y – подъемная сила.

Рисунок
3 – Зависимость предельных нормальных
перегрузок от высоты и скорости полёта

На
заданной скорости и высоте полета
изменить нормальную перегрузку можно
путем изменения угла атаки. Как показано
на рисунке 3 с уменьшением скорости
полета предельные нормальные перегрузки
возрастают, а с увеличением высоты –
уменьшаются. При отрицательном угле
атаки возникают отрицательные перегрузки.

Продольная
перегрузка n_x определяется
отношением разности сил тяги двигателя
(Р) и лобового сопротивления (Q) к весу
самолета:

n_x =
(P-Q) / G.

Продольная
перегрузка положительна, если тяга
больше лобового сопротивления, и
отрицательна, если тяга меньше лобового
сопротивления или если тяги вообще нет.

Рисунок
4 – Зависимости продольной перегрузки
от высоты и скорости полёта

Таким
образом, знак продольной перегрузки
зависит от соотношения величин тяги
двигателя и лобового сопротивления
самолета.

С
увеличением высоты полета положительные
продольные перегрузки n_х уменьшаются,
т. к. уменьшается избыточность тела.
Зависимость продольной перегрузки от
высоты и скорости полета изображена на
рисунке 4.

Боковая
перегрузка n_z возникает
при несимметричном обтекании самолета
воздушным потоком. Это наблюдается при
наличии скольжения, либо при отклонении
руля направления.

Боковая
перегрузка nz возникает
при полете самолета со скольжением. Но
по величине боковая аэродинамическая
сила Z очень мала. Поэтому в расчетах
боковую перегрузку принимают равной
нулю. Боковая перегрузка определяется
по формуле:

n_z
= Z
/ G,

n_z
— боковая
перегрузка;

Z
— величина боковой аэродинамической
силы;

G
— аэродинамические
силы (подъемная сила и лобовое
сопротивление), сила тяги двигательной
установки и сила земного притяжения,
которую называют весом, G
= m
⋅
g.

2 Датчики измеряющие боковую перегрузку

Измерение
вектора перегрузки (линейного ускорения)
осуществляется датчиками перегрузки
– низкочастотными линейными акселерометрами
(диапазон частот 0 –
400
Гц). В дальнейшем будем их называть
датчиками перегрузки или линейными
акселерометрами.

Линейные
акселерометры по назначению и
обусловленному этим назначением
диапазону и собственной частоте условно
разделены на следующие три группы:

·
датчики перегрузки самолета с собственной
частотой чувствительного элемента 5 –
50 Гц и диапазоном измерения до ±10g;

·
низкочастотные датчики виброперегрузки
с собственной частотой чувствительного
элемента 100 –
400 Гц и диапазоном измерения до ±10g;

·
широкополосные датчики виброперегрузки
с собственной частотой чувствительного
элемента 20 000 –
30 000 Гц и диапазоном измерения до ±150 g.

Обобщенная
схема классификации линейных акселерометров
для летных испытаний представлена на
рисунке 5.

Рисунок
5 – Схема
классификации линейных акселерометров
для летных испытаний

Для
измерений перегрузок самолета широко
применяются потенциометрические
датчики. С их помощью наиболее просто
реализуется измерительная схема с
непосредственной регистрацией на
аппаратуру точной магнитной записи или
светолучевые осциллографы.

Наиболее
широкое применение получили три
принципиальные схемы построения
акселерометров (рисунке 6).

Рисунок
6 – Принципиальные
схемы датчиков перегрузки: а) – осевой
акселерометр с плоскими пружинами: 1 –
пружины; 2 – стойки; 3 – поршень воздушного
демпфера; 4 – корпус; 5 – инерционная
масса; 6 – ползунок; 7 – потенциометр;
б) – маятниковый акселерометр; 1 –
маятники; 2 – шарнир; 3 – пружина; в) –
акселерометр с вращающимися направляющими
опорами и сухим трением: 1 – корпус; 2 –
демпфер; 3 – инерционная масса; 4 – ось
демпфера; 5 – вращающаяся опора; 6 –
пружина; 7 – ползунок; 8 – потенциометр.

В
первой схеме осевого акселерометра
направление перемещения груза
чувствительного элемента обеспечивается
упругой системой из плоских пружин
(рисунке 6а). Эта система осуществляет
линейное перемещение чувствительного
элемента, однако она имеет довольно
существенный недостаток, заключающийся
в наличии второго резонанса, близко
расположенного к основной частоте,
который обусловлен незадемпфированными
массами соединительных деталей на
концах плоских пружин. Частота второго
резонанса в 3 –
4 раза выше основной частоты.

Ряд
датчиков, имеющих сравнительно малый
диапазон перегрузок (до ±2 g), построен
по схеме (рисунок 6б). Чувствительный
элемент этих датчиков выполнен в виде
двух горизонтальных маятников, шарнирно
связанных между собой. Маятники подвешены
на системе из двух пар перекрещивающихся
под прямым углом плоских пружин,
выполняющих роль упругих шарниров.
Нагрузки по вертикальной оси,
перпендикулярной плоскости перемещения
маятников, не воспринимаются схемой,
так как моменты сил маятников относительно
вертикальных осей взаимно компенсируются
в шарнире.

В
датчиках предусмотрены различные виды
демпфирования колебаний груза
чувствительного элемента. Система
демпфирования является одним из слабых
мест в конструкции указанных акселерометров.

Применение
жидкостного демпфирования ограничивает
температурный диапазон датчика из-за
большого температурного коэффициента
вязкости рабочей жидкости, необходимости
герметизации и учета присоединенной
массы жидкости. Для сохранения постоянства
степени демпфирования, равной 0,4 –
0,8 при изменении температуры окружающей
среды, в ряде датчиков предусмотрен
биметаллический регулятор, изменяющий
величину зазора, через который протекает
жидкость. Изменение степени демпфирования
составляет ±0,2 при работе датчика в
климатическом диапазоне температур.

Воздушный
демпфер эффективен для негерметичных
акселерометров лишь на малых высотах
полета.

Электромагнитный
демпфер, принцип действия которого
основан на возникновении вихревых
токов, тормозящих движение металлических
деталей, перемещающихся в магнитном
поле, практически не обеспечивает
степень демпфирования, близкую к
оптимальной.

Поэтому
широко распространены датчики перегрузки
с вращающимися направляющими опорами
и трением без смазочного материала
(сухим трением). В основе принципа работы
датчика лежит идея, высказанная Н. Е.
Жуковским, об уменьшении трения при
движении вдоль вращающейся направляющей.

Эта,
идея реализуется в виде вращающихся
направляющих массы чувствительного
элемента (рисунке 6в). Этот же эффект
используется для демпфирования колебаний
груза чувствительного элемента, причем
демпфирование в этом случае имеет
характер вязкого трения. Груз, подвешенный
на системе винтовых пружин, перемещается
вдоль жестких осей, одна из которых
является направляющей, а другая
одновременно служит осью демпфера. С
целью устранения влияния Кулонова
трения, оси приводятся во вращение
электромотором. Датчики этого типа
имеют сравнительно лучшие метрологические
характеристики – основная погрешность
составляет примерно 0,5 %. Уменьшение
погрешности в некоторых датчиках (до
0,2 %) осуществляется применением
многошкального (многоступенчатого)
потенциометра.

Величина
перегрузки, определяемая датчиком,
искажается рядом погрешностей, основными
из которых являются инструментальные,
динамические и методические.

Инструментальные
погрешности (основная и дополнительные)
возникают в результате изменения
параметров и характеристик материалов,
из которых изготовлен датчик, несовершенства
технологии, действия на параметры
датчика влияющих величин. К источникам
погрешности можно отнести силы трения
и люфты в опорах и направляющих, гистерезис
и упругое последействие системы подвески
инерционной массы, изменение характеристик
чувствительного элемента при изменении
окружающей температуры и режимов
источника питания и др. Важным фактором
является исключение или сведение к
минимуму влияния не измеряемых
составляющих перегрузок. Эта составляющая
погрешности свойственна той или иной
конструкции датчика и характеризует
несовершенство последней.

Анализ
оценки точности измерения перегрузки
потенциометрическими датчиками различных
моделей показывает, что, например,
случайные составляющие погрешности
измерения, полученные в лабораторных
условиях и на установившихся режимах
полета, практически одинаковы. Случайная
составляющая перегрузки на неустановившихся
режимах полета может увеличиться в 2 –
4 раза. Систематическая составляющая
погрешности датчиков в полетах имеет
переменный характер и составляет 0,01 –
0,02 единиц перегрузки. Применение
совершенных конструктивных и
технологических приемов и решений
позволяет, как известно, уменьшить
инструментальные погрешности до
величины.

Соседние файлы в предмете Производственная практика

• #
• #
• #

  15.06.2021283.79 Кб2Tsanga_5868579_7256023.m3d

• #
• #
• #
• #
• #
• #

  21.06.2021424.9 Кб5Диплом. Проектирование технологического оснащения.docx

• #
• #

  22.04.20211.33 Mб0Кайдзен.zi

О том, чему равна перегрузка в 1G, 2G, 5G, 8G и 10G современный человек знает достаточно мало — по крайней мере, если он не работает, например, в сфере гражданской или военной авиации. Считается, что люди, находящиеся на борту воздушного пассажирского лайнера, при взлете испытывают на себе инерционное воздействие в районе 1,5 G. 

Их телам, пребывающим внутри летящей конструкции, сообщается определенное ускорение (со стороны внешней силы, в роли которой выступает двигатель). Организм реагирует на такое воздействие по-разному — едва заметным потемнением в глазах, легким головокружением или даже болью в голове.

О природе данного явления мало кто задумывается, равно как и об основных принципах функционирования существующих летательных аппаратов. На самом деле эта тема довольно интересна, причем не только для увлекающихся самолетостроением, но и для «обывателей», поскольку со схожими силами каждому жителю мегаполиса приходится сталкиваться повсеместно: при поездке на поезде, подъеме на лифте и в момент пребывания на пассажирском сидении резко изменившего скорость движения автомобиля. 

Общие сведения 

Рассказать простыми словами о том, что такое G-перегрузка для человека — это значит сделать небольшой экскурс в мир современной физики. За соответствующим понятием скрывается абстрактное определение — отношение величины линейного ускорения, вызванного негравитационным давлением, к стандартной инерции свободного падения. Разобраться с таким обозначением достаточно трудно, по крайней мере, лучше предварительно освежить знания, полученных на школьной скамье. Вспомним формулу: 

Перегрузка (G)=Ускорение, переданное телу негравитационной силой/Стандартное ускорение свободного падения (9,8 м/с²)

Результирующая величина абстрактна — мы соотносим метры, деленные на «квадратные» секунды, а затем смотрим на полученный результат в единицах. Однако специалисты внедрили в обиход ту самую буковку G, которой сегодня принято идентифицировать «отношение ускорений». 

Например, если человек встанет на ноги из положения сидя, он не почувствует ничего. Хотя фактически окажется, что на его тело действует нагрузка в размере 1 G. Если окружающая его квартира вдруг резко сдвинется, скажем, на 300-400 метров вправо, сила инерции, обеспечивающая давление, изменится пропорционально той скорости, с которой будет смещаться дом. 

Перегрузки в 1G, 7G, 10G или 12 G — это сколько

На любой предмет, находящийся на нашей планете, действует целый спектр различных сил: тяготение, инерция, давление, упругость, трение и пр. Как сейчас принято считать, между объектами, обладающими ненулевым весом, всегда образуется притяжение. Эти же силы действуют и на человека. 

Однако в эту схему, завязанную на ускорении двух тел, нередко вмешиваются всевозможные сторонние факторы. Они могут быть: 

• Кратковременными. Водитель и пассажиры автобуса при резком торможении подаются вперед, испытывая перегрузки. 

• Длительными. Летчики за штурвалами самолетов, когда выполняют фигуры высшего пилотажа. 

• Положительными. Проявляются, например, в лифте или при стремительном разгоне на мощном мотоцикле. 

• Отрицательными. Хорошо заметны в поездах, когда машинист вместо плавного торможения, как будто бы дергает стоп-кран. 

• Нулевыми. Наблюдаются исключительно в космосе — никаких сил на тело не действует, так что оно свободно находится в условиях невесомости. 

Все связанные с инерционным воздействием понятия тем или иным образом касаются отраслей гражданской, военной авиации, а также космонавтики. Именно там эффект смены вектора ускорения достигает своего пика, становясь максимально заметным. Даже тренировки будущих космонавтов осуществляются посредством аэротруб и мощных центрифуг, которые готовят организм человека к тем нагрузкам, которые он будет испытывать, например, при старте ракеты. 

1 G

Чтобы понять, что значит максимальная (предельно допустимая перегрузка), и сколько G может выдержать человек, нужно сначала разобраться с таким параметром, как инерция. На любой объект, находящийся на поверхности планеты, действует сила притяжения, связанная с показателем ускорения свободного падения 9,8 м/с², при этом человеческий организм к этому приспособлен. 

Поскольку обозначенная величина носит векторный характер, то для любого тела важно направление ее воздействия. Когда мы двигаемся строго по прямой или не двигаемся вообще, внутренние органы тела остаются в прежнем состоянии. Если в этот момент появится какая-либо третья негравитационная нагрузка, то «внутренности» попытаются остаться на месте, стараясь остаться в прежнем положении. 

2 G

Считается, что на пассажиров гражданских авиалайнеров действует нагрузка порядка 1,5-2,5 G. Представленные цифры стандартизированы — авиакомпании не имеют прав на использование самолетов, обладающих слишком слабой защитой от перегрузок. С аналогичными состояниями сталкиваются и парашютисты, зависающие под куполом на высоте нескольких тысяч метров от поверхности земли. Там речь идет о перегрузочном векторе в районе 1,8-1,9 G (при раскрытии от 10 до 16 G, в зависимости от конструкции парашюта). 

Проблема заключается в том, что соответствующие силы оказывают самое деструктивное влияние на состояние здоровья. Человек может выдерживать 15-кратное давление не более 3-5 секунд, после чего теряет сознание. При влиянии больших величин происходит процесс оттока крови от головы, с последующим кислородным голоданием мозга. Величина ущерба здоровью зависит от индивидуальных характеристик организма. Чем меньше индивидуум подготовлен к подобному воздействию, тем хуже будут последствия. 

5G

С семикратными перегрузками сталкиваются лишь опытные летчики разнообразных военных и спортивных самолетов, которые выполняют сложные фигуры высшего пилотажа. 

При посадке летательного аппарата двигатель стремится воспрепятствовать его свободному падению. Реактивная установка направляет борт в противоположную сторону падения. Соответственно, образуется та самая разность ускорений, наносящая определенный урон здоровью пилота. 

Почувствовать на себе факторы воздействия в 7G, поднявшись в небо на несколько тысяч метров, сегодня может каждый. Компания «Полетомания» предлагает приобрести сертификат на полет на судне под названием «Дельфин» — чехословацкий Л-29 разгоняется до 700 км/ч, и пассажиры испытывают невероятные ощущения и эмоции. Приключение длится в течение 20-30 минут, в зависимости от выбранной заказчиком программы. 

Перегрузка 8 G

На заре эпохи авиастроения специалисты провели множество исследований и выяснили, что «соотношение ускорений» в районе 8G и 10G — это предел физиологических возможностей человека (конечно, если речь идет о длительном влиянии). 

Проще говоря, долго существовать человеку под таким перегрузочным вектором не может — кровь отливает от головы, и у мозга начинается кислородное голодание, которое вызывает полную потерю создания. Минимизировать воздействие могут только предварительные тренировки и специализированные противоперегрузочные костюмы, вроде тех, что конструируются для современных космонавтов. 

Считается, что парашютисты испытывают на себе эффект инерционной силы в районе 15G при открытии парашюта: он будто зависает в воздухе на несколько миллисекунд. Такое воздействие носит максимально кратковременный характер и не вызывает хоть сколько-нибудь серьезных последствий. 

Перегрузка 10 G

10-кратные нагрузки являются наглядной демонстрацией предела физиологических способностей человеческого организма. Если обыкновенное гравитационное ускорение свободного падения 9,8 м/с² тело не ощущает в принципе, то превышение данного значения на целый порядок становится критической проблемой. Люди, попадающие под действие соответствующего перегрузочного вектора более, чем на 2-3 секунды: 

• Начинают страдать от незначительных функциональных сдвигов.

• Теряют способности, связанные с координацией в пространстве.

• Ощущают тяжесть, как если бы на них положили каменную плиту.

• Постепенно утрачивают зрение.

• Испытывают последствия от расстройств сердечно-сосудистой и дыхательной систем. 

Вредное воздействие наносится буквально всему организму, в том числе и в области ЦНС и морфологических изменений тканей. Впрочем, здесь все зависит от степени подготовки. Опытный летчик или космонавт переносит 10-кратное давление относительно спокойно, особенно если будет использовать специализированный высотно-компенсирующий костюм с герметичным шлемом. 

12 G 

Сведения о том, что такое перегрузка в авиации, и какую максимальную величину может выдержать человек, носят исключительно практический характер. Дело в том, что простых людей подобные вопросы, как правило, не интересуют. Они актуальны для лиц, связанных с военными или гражданскими полетами и космосом. Поэтому все эффекты от 12-кратных нагрузок испытываются только на практике в подготовленных исследователями опытах и экспериментов. 

Именно здесь располагается верхняя граница физиологических способностей. Если к меньшим перегрузочным векторам еще можно более или менее приспособиться, то величину, равную 12G, долго никто не сумеет выдержать. Впрочем, о длительном воздействии таких сил на человеческий организм, речи обычно не идет. 

Космонавты, летчики, водители гоночных болидов — все они действительно сталкиваются с мощнейшими напряжениями, но их продолжительность никогда не превышает полторы-две секунды. Тем более что персональные способности пилотов дополняются техникой — противоперегрузочными и высотно-компенсаторными костюмами. 

Максимальные перегрузки при взлете и посадке пассажирского самолета

Многие люди, пользующиеся услугами современных авиаперевозчиков, замечали, что в одних случаях посадки происходят максимально мягко, а в других — чрезвычайно жестко, с сильным давлением в момент касания. Со стороны кажется, что проблема скрывается исключительно в навыках пилота, пребывающего за штурвалом борта. На практике оказывается, что квалификация летчика, конечно же, играет роль, но она дополняется другим фактором — конструкцией самого летательного аппарата. 

Интересно, что советские и российские самолеты ТУ-134 и ИЛ-86 садятся намного мягче, по сравнению со своими зарубежными аналогами. Они словно «притираются» к полосам — сначала двигаются параллельно линии, а затем постепенно достигают точки касания. Иностранные лайнеры функционируют более грубо, но в современной авиации есть стандарты, и их придерживаются абсолютно все авиаперевозчики. 

Так, например, максимальная нагрузка, которую испытывают пассажиры летательного аппарата, не должна перешагивать за отметку в 2,5 G. В противном случае посадка получится слишком жесткой. Причем речь идет не только о здоровье пассажиров, но и о качественном состоянии борта. После такого приземления ему потребуется техническое обслуживание или капитальный ремонт. 

Какую максимальную перегрузку может выдержать человек

Маневренные характеристики

Маневренные характеристики

Маневренностью самолета называется его способность изменять вектор скорости полета по величине и направлению.

Маневренные свойства реализуются летчиком при боевом маневрировании, которое состоит из отдельных законченных или незаконченных фигур пилотажа, непрерывно следующих друг за другом.

Маневренность является одним из важнейших качеств боевого самолета любого рода авиации. Она позволяет успешно вести воздушный бой, преодолевать ПВО противника, атаковать наземные цели, строить, перестраивать и распускать боевой порядок (строй) самолетов, выводить на объект в заданное время и т. д.

Особое и, можно сказать, решающее значение имеет маневренность для фронтового истребителя, ведущего воздушный бой с истербителем (истребителем-бомбардировщиком) противника. Действительно, заняв выгодное тактическое положение по отношению к противнику, можно его сбить одной-двумя ракетами или огнем даже из единственной пушки. Наоборот, если выгодное положение займет противник (например, «повиснет на хвосте»), то в такой ситуации не поможет любое количество ракет и пушек. Высокая маневренность позволяет также производить успешный выход из воздушного боя и отрыв от противника.

ПОКАЗАТЕЛИ МАНЕВРЕННОСТИ

В самом общем случае маневренность самолета можно полностью охарактеризовать секундным векторным приращением скорости. Пусть в начальный момент времени величина и направление скорости самолета изображается вектором V1 (рис. 1), а через одну секунду — вектором V2; тогда V2=V1+ΔV, где ΔV — секундное векторное приращение скорости.

Рис. 1. Секундное векторное приращение скорости

На рис. 2 изображена область возможных секундных векторных приращений скорости для некоторого самолета при его маневре в горизонтальной плоскости. Физический смысл графика состоит в том, что через одну секунду конца векторов ΔV и V2 могут оказаться только внутри области, ограниченной линией а-б-в-г-д-е. При располагаемой тяге двигателей Рр конец вектора ΔV может оказаться только на границе а-б-в-г, на которой можно отметить следующие возможные варианты маневрирования:

• а — разгон по прямой,
• б — разворот с разгоном,
• в — установившийся разворот,
• г — форсированный разворот с торможением.

Рис. 2. Область возможных секундных векторных приращений скорости

При нулевой тяге и выпущенных тормозных щитках конец вектора ΔV может оказаться через секунду только на границе д-е, например, в точках:

• д — энергичный разворот с торможением,
• е — торможение по прямой.

При промежуточной тяге конец вектора ΔV может оказаться в любой точке между границами а-б-в-г и д-е. Отрезок г-д соответствует разворотам при Сyдоп с различной тягой.

Непонимание того факта, что маневренность определяется секундным векторным приращением скорости, т. е. величиной ΔV, иногда приводит к неправильной оценке того или иного самолета. Например, перед войной 1941-1945 гг. некоторые летчики считали, что наш старый истребитель И-16 обладал более высокими маневренными свойствами, чем новые самолеты Як-1, МиГ-3 и ЛаГГ-3. Однако в маневренных воздушных боях Як-1 проявил себя лучше, чем И-16. В чем дело? Оказывается, И-16 мог быстро «поворачиваться», но его секундные приращения ΔV были гораздо меньше, чем у Як-1 (рис. 3); т. е. фактически Як-1 обладал более высокими маневренными свойствами, если вопрос не рассматривать узко, с точки зрения только одной «поворотливости». Аналогично можно показать, что, например, самолет МиГ-21 маневреннее самолета МиГ-17.

Рис. 3. Сравнение маневренности двух самолетов, у Як-1 область ΔV больше

Области возможных приращений ΔV (рис. 2 и 3) хорошо иллюстрируют физический смысл понятия маневренности, т. е. дают качественную картину явления, но не позволяют производить количественный анализ, для которого привлекаются различного рода частные и обобщенные показатели маневренности.

Секундное векторное приращение скорости ΔV связано с перегрузками следующей зависимостью:

За счет земного ускорения g все самолеты получают одинаковое приращение скорости ΔV (9,8 м/с², вертикально вниз). Боковая перегрузка nz при маневрировании обычно не используется, поэтому маневренность самолета полностью характеризуется двумя перегрузками — nx и ny (перегрузка — векторная величина, но в дальнейшем знак вектора «->» будет опускаться).

Перегрузки nх и nу являются, таким образом, общими показателями маневренности.

С этими перегрузками связаны все частные показатели:

• rг — радиус разворота (виража) в горизонтальной плоскости;
• время разворота на заданный угол;
• wг — угловая скорость разворота в горизонтальной плоскости;
• rв — радиус маневра в вертикальной плоскости;
• время разворота на заданный угол;
• wв — угловая скорость поворота траектории в вертикальной плоскости;
• jx — ускорение в горизонтальном полете;
• Vy — вертикальная скорость при установившемся подъеме;
• Vyэ — скорость набора энергетической высоты и пр.

ПЕРЕГРУЗКИ

Нормальной перегрузкой ny называется отношение алгебраической суммы подъемной силы и вертикальной составляющей силы тяги (в поточной системе координат) к весу самолета:

ny=(Y+Py)/G

Примечание 1. При движении по земле в создании нормальной перегрузки участвует и сила реакции земли.

Примечание 2. Самописцы САРПП регистрируют перегрузки в связанной системе координат, в которой

На самолетах обычной схемы величина Ру сравнительно мала и ею пренебрегают. Тогда нормальной перегрузкой будет отношение подъемной силы к весу самолета:

ny=Y/G=Cy*S*q/G

Располагаемой нормальной перегрузкой nyр называется наибольшая перегрузка, которую можно использовать в полете с соблюдением условий безопасности.

Если в последнюю формулу подставить располагаемый коэффициент подъемной силы Cyр, то полученная перегрузка и будет располагаемой.

nyр=Cyр*S*q/G (2)

В полете величина Cyр, как уже условились, может ограничиваться по сваливанию, тряске, подхвату (и тогда Cyр=Cyдоп) или по управляемости (и тогда Cyр=Cyf). Кроме того, величина nyр может ограничиваться по условиям прочности самолета, т. е. в любом случае nyр не может быть больше максимальной эксплуатационной перегрузки nyэ макс.

К названию перегрузки nyр иногда добавляют слово «кратковременная».

Используя формулу (2) и функцию Cyр(M) можно получить зависимость располагаемой перегрузки nyр от числа М и высоты полета, которая изображена графически на рис. 4 (пример). Заметим, что содержание рисунков 4,а и 4,6 совершенно одинаковое. Верхний график обычно используется для различных расчетов. Однако для летного состава удобнее график в координатах М—Н (нижний), на котором линии постоянных располагаемых перегрузок проведены прямо внутри диапазона высот и скоростей полета самолета. Проанализируем рис. 4,6.

Линия nyр=1, очевидно, является уже известной нам границей горизонтального полета. Линия nyр=7 является границей, правее и ниже которой может произойти превышение максимальной эксплуатационной перегрузки (в нашем примере nyэ макс=7).

Линии постоянных располагаемых перегрузок проходят таким образом, что nyp2/nyp1=p2/p1 т. е. между двумя любыми линиями разница в высоте такова, что отношение давлений равно отношению перегрузок.

Исходя из этого, располагаемую перегрузку можно найти, имея на диапазоне высот и скоростей только одну границу горизонтального полета.

Пусть, например, требуется определить nyр при М=1 и H=14 км (в точке А на рис. 4,6). Решение: находим высоту точки В (20 км) и давление на этой высоте (5760 Н/м2), а также давление на заданной высоте 14 км (14 750 Н/м2); искомая перегрузка в точке А будет nyр=14 750/5760 = 2,56.

Если известно, что график на рис. 4 построен для веса самолета G1 а нам требуется располагаемая перегрузка для веса G2, то пересчет производится по очевидной пропорции:

nyp2/nyp1=G1/G2

Рис 4. Зависимость располагаемой перегрузки от числа М и высоты полета (пример)

Вывод. Имея границу горизонтального полета (линию nyp1=1), построенную для веса G1, можно определить располагаемую перегрузку на любой высоте и скорости полета для любого веса G2, используя пропорцию

nyp2/nyp1=(p2/p1)*(G1/G2) (3)

Но в любом случае используемая в полете перегрузка не должна быть больше максимальной эксплуатационной. Строго говоря, для самолета, подверженного в полете большим деформациям, формула (3) не всегда справедлива. Однако к самолетам-истребителям это замечание обычно не относится. По величине nyp при самых энергичных неустановившихся маневрах можно определить такие частные характеристики маневренности самолета, как текущие радиусы rг и rв, текущие угловые скорости wг и wв.

Предельной по тяге нормальной перегрузкой nyпр называется такая наибольшая перегрузка, при которой лобовое сопротивление Q становится равным тяге Рр и при этом nx=0. К названию этой перегрузки иногда добавляют слово «длительная».

Вычисляется предельная по тяге перегрузка следующим образом:

• для заданной высоты и числа М находим тягу Рр (по высотно-скоростным характеристикам двигателя);
• при nyпр имеем Pр=Q=Cx*S*q, откуда можно найти Сх;
• из сетки поляр по известным М и Сx находим Су;
• вычисляем подъемную силу Y=Су*S*q;
• вычисляем перегрузку ny=Y/G, которая и будет предельной по тяге, так как при расчетах мы исходили из равенства Рр=Q.

Второй метод расчета применяется, когда поляры самолета есть квадратичные параболы и когда вместо этих поляр в описании самолета даются кривые Сх0(М) и А(М):

• находим тягу Рр;
• запишем Рр = Cр*S*q, где Ср коэффициент тяги;
• по условию имеем Рр = Ср*S*q=Q=Cх*Q*S*q+(A*G²n²yпр)/(S*q), откуда:

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату перегрузки, т. е. Qи=Qи¹*ny² (где Qи¹ — индуктивное сопротивление при nу=1). Поэтому, исходя из равенства Рр=Qo+Qи, можно записать выражение для предельной перегрузки и в таком виде:

Зависимость предельной перегрузки от числа М и высоты полета изображена графически на рис. 5.5 (пример взят из книги [11]).

Можно заметить, что линий nyпр=1 на рис. 5. является уже известной нам границей установившегося горизонтального полета.

В стратосфере температура воздуха постоянна и тяга пропорциональна атмосферному давлению, т. е. Рp2/Рp1=р2/p1 (здесь коэффициент тяги Ср=const), поэтому в соответствии с формулой (5.4) при заданном числе М в стратосфере имеет место пропорция:

Следовательно, предельную по тяге перегрузку на любой высоте более 11 км можно определить по давлению р1 на линии статических потолков, где nyпр1=1. Ниже 11 км пропорция (5.6) не соблюдается, так как тяга при уменьшении высоты полета растет медленнее, чем давление (вследствие увеличения температуры воздуха), и величина коэффициента тяги Ср падает. Поэтому для высот 0—11 км расчет предельных по тяге перегрузок приходится производить обычным порядком, т. е. с использованием высотно-скоростных характеристик двигателя.

По величине nyпр можно найти такие частные характеристики маневренности самолета, как радиус rг, угловую скорость wг, время tf установившегося виража, а также г, w и t любого маневра, выполняемого при постоянной энергии (прл Pр=Q).

Продольной перегрузкой nх называется отношение разности между силой тяги (считая Рх=Р) и лобовым сопротивлением к весу самолета

nx=(P-Q)/G

Примечание При движении по земле к сопротивлению следует добавить еще и силу трения колес.

Если в последнюю формулу подставить располагаемую тягу двигателей Рр, то получим так называемую располагаемую продольную перегрузку:

nxр=(Pр-Q)/G

Рис. 5.5. Предельные по тяге перегрузки самолета F-4C «Фантом»; форсаж, масса 17,6 m

Расчет располагаемой продольной перегрузки при произвольном значении nу производим следующим образом:

• находим тягу Рр (по высотно-скоростным характеристикам двигателя);
• при заданной нормальной перегрузке ny вычисляем лобовое сопротивление следующим путем:
  ny->Y->Сy->Сx->Q;
• по формуле (5.7) вычисляем nxр.

Если поляра — квадратичная парабола, то можно воспользоваться выражением Q=Q0+Qи¹*ny², в результате чего формула (5.7) примет вид

Вспомним, что при ny=nyпр ямеет место равенство

Подставив это выражение в предыдущее и разервув получим окончательную формулу

Если нас интересует величина располагаемой продольной перегрузки для горизонтального полета, т. е. для ny=1, то формула (5.8) приобретает вид

На рис. 5.6 в качестве примера приведена зависимость nxр¹ от М и Н для самолета F-4C «Фантом». Можно заметить, что кривые nxр¹(M, Н) в другом масштабе примерно повторяют ход кривых nyпр(М, Н), а линия nxр¹=0 точно совпадает с линией nyпр=1. Это и понятно, так как обе эти перегрузки связаны с тяговооруженностью самолета.

По величине nxр¹ можно определить такие частные характеристики маневренности самолета, как ускорение при горизонтальном разгоне jx, вертикальную скорость установившегося подъема Vy, скорость набора энергетической высоты Vyэ в неустановившемся прямолинейном подъеме (снижении) с изменением скорости.

Рис 5 6 Располагаемые продольные перегрузки в горизонтальном полете самолета F-4C «Фантом»; форсаж, масса 17,6 т

8. Все рассмотренные характерные перегрузки (пУ9, пупр, Я*Р> ^лгр1) часто изображаются в виде графика, приведенного на рис. 5.7. Он называется графиком обобщенных характеристик маневренности самолета. По рис. 5.7 для заданной высоты Hi при любом числе М можно найти пур (на линии Сур или п^макс). %Пр (на горизонтальной оси, т. е. при пхр = 0), Лхр1 (при пу=) и пХ9 (при любой перегрузке пу).
Обобщенные характеристики наиболее удобны для различного рода расчетов, так как с них можно непосредственно снять любую величину, но они не наглядны ввиду многочисленности этих графиков и кривых на них (для каждой высоты нужно иметь отдельный график, подобный изображенному на рис. 5.7).

Рис 5 7 Обобщенные характеристики маневренности самолета на высоте Hi (пример)
Чтобы составить полное и наглядное представление о маневренности самолета, достаточно иметь три графиками р (М, Н) —как на рис. 5.4,6; пупр (М, Н) —как на рис. 5.5,6; пх р1 (М, Н) — как на рис. 5 6,6.

В заключение рассмотрим вопрос о влиянии эксплуатационных факторов на располагаемую и предельную по тяге нормальные перегрузки и на располагаемую продольную перегрузку

Влияние веса

Как это видно из формул (5.2) и (5.4), располагаемая нормальная перегрузка пур и предельная по тяге нормальная перегрузка nyпр изменяются обратно пропорционально весу самолета (при постоянных М и Н).

Если задана перегрузка ny, то при увеличении веса самолета продольная располагаемая перегрузка nxр уменьшается в соответствии с формулой (5.7), но простой обратной пропорциональности здесь не наблюдается, так как при увеличении G возрастает и лобовое сопротивление Q.

Влияние внешних подвесок

На перечисленные перегрузки внешние подвески могут влиять, во-первых, через свой вес и, во-вторых, через дополнительное увеличение безындуктивной части лобового сопротивления самолета.

На располагаемую нормальную перегрузку nyр сопротивление подвесок не влияет, так как эта перегрузка зависит только от величины располагаемой подъемной силы крыла.

Предельная по тяге перегрузка nyпр, как это видно из формулы (5.4), уменьшается, если увеличивается Схо. Чем больше тяга и больше разность Ср — Схо, тем меньше влияние сопротивления подвесок на предельную перегрузку.

Располагаемая продольная перегрузка лхр при возрастании Схо также уменьшается. Влияние Схо на nxр становится относительно больше при увеличении на маневре перегрузки nу.

Влияние атмосферных условий.

Для определенности рассуждений будем рассматривать увеличение температуры на 1 % при стандартном давлении р; плотность воздуха р при этом будет на 1 % меньше стандартной. Откуда:

• при заданной воздушной скорости V располагаемая (по Сyр) нормальная перегрузка пур упадет примерно на 1%. Но при заданных индикаторной скорости Vи или числе М перегрузка nур при увеличении температуры не изменится;
• предельная по тяге нормальная перегрузка nyпр при заданном числе М упадет, так как увеличение температуры на 1 % приводит к падению тяги Рр и коэффициента тяги Ср примерно на 2%;
• располагаемая продольная перегрузка nхр при увеличении температуры воздуха также уменьшится в соответствии с падением тяги.

Включение форсажа (или его выключение)

Очень сильно влияет на предельную по тяге нормальную перегрузку nyпр, и располагаемую продольную перегрузку nхр. Даже на скоростях и высотах, где Рр >> Qг, увеличение тяги, например, в 2 раза приводит к увеличению nупр примерно в sqrt(2) раз и к увеличению nхр¹ (при nу = 1) примерно в 2 раза.

На скоростях и высотах, где разность Рр — Qг мала (например, вблизи статического потолка), изменение тяги приводит к еще более ощутимому изменению и nупр и nхр¹.

Что касается располагаемой (по Сyр) нормальной перегрузки nyр, то величина тяги на нее почти не влияет (считая Рy=0). Но следует учитывать, что при большей тяге самолет на маневре теряет энергию медленее и, следовательно, более длительное время может находиться на повышенных скоростях, на которых располагаемая перегрузка nyр имеет наибольшую величину.