Fizika | Felsőoktatás » Gausz Tamás - Légerő-vándorlás, stabilitás, kormányzás

Gausz Tamás Léger -vándorlás, stabilitás, kormányzás A repülésben a szárnyprofilok kiemelten fontos szerepet töltenek be. A rajtuk keletkez felhajtó er ad lehet séget a dinamikus repülésre. A repül gépeknek azonban nem elég csak a leveg be emelkedniük, további feltételeknek is meg kell feleljenek. El kell viseljék például a rájuk ható terheléseket, vagyis szilárdsági szempontból megfelel nek kell lenniük. De irányíthatónak, kormányozhatónak is kell lenniük – ennek a követelménynek fontos eleme a megfelel stabilitás, esetleg instabilitás. A stabilitás meglehet sen széles és összetett terület Az egyik legfontosabb rész-területe a repül gépek kereszt-tengely körüli statikai stabilitása és kormányzása. Lényegében a stabilitás és a kormány hatásosság együtt határozza meg az ember (pilóta) számára legfontosabb kormányozhatóságot – vagyis azt a tulajdonságot, ami a pilóta számára a leglényegesebb. Ez a rövid

tanulmány a szárnyprofilok néhány aerodinamikai tulajdonságára alapozva a repül gépek kereszt-tengely körüli statikai stabilitásáról és kormányzásáról szól. A következ kben kizárólag fizikai megfontolások találhatók, ezek konkrét, matematikai leírása tekintetében a vonatkozó szakirodalomra utalunk: aki ezen a területen konkrét számításokat kíván végezni, annak át kell tanulmányoznia a vonatkozó szakirodalmat. Mérsékelt sebesség repül gép esetében dr. Rácz Elemér: „A repülés mechanikája” (Tankönyvkiadó, Bp. 1953) vagy dr Rácz Elemér: Repül gépek (egyetemi jegyzet, Tankönyvkiadó, Bp., sok kiadás létezik) cím munkája ajánlható leginkább A szárnyprofilokon keletkez léger – pl. a szélcsatorna kísérletek tanúsága szerint – sok esetben az 1. ábrán látható módon vándorol Más esetekben (pl szimmetrikus profilok) az er hatásvonala azonos marad, megint más estekben (önstabil profilok) az er vándorlása

ellentétes az 1. ábrán feltüntetettel A repül gépek esetében, a szárnyakon dönt többségben az 1 ábrán bemutatott tulajdonsággal rendelkez profilokat alkalmaznak – és egyébként a stabilitás szempontjából amúgy is ez a legkedvez tlenebb eset – ezért a továbbiakban ezt az er vádorlási módot tételezzük fel. 1. ábra 1 A következ kben a léger vándorlás, a stabilitás és a kormányzás fizikai kapcsolatát tárjuk fel, ennek érdekében a lehet legegyszer bb modellt választjuk. Ennek a modellnek csak szárnya és vezérsíkja van – a többi elemt l (törzs, hajtóm , stb.) ebben az eszmefuttatásban eltekintünk, jóllehet egy konkrét számításból ezen további szerkezeti részeket sem szabad kihagyni! Egyensúly – egyenes vonalú, egyenletes sebesség , vízszintes repülés A megfontolásainkhoz a lehet legegyszer bb modellt választjuk: álljon a repül szárnyból és magassági kormánylappal ellátott vízszintes vezérsíkból, ha

aerodinamikai kormánnyal ellátott repül r l lesz szó, illetve kormánylap nélküli vízszintes vezérsíkból, ha súlypont-áthelyezéses kormányzásról lesz szó. 2. ábra A 2. ábrán vázolt modell valóban csak ezeket, a legszükségesebb részeket tartalmazza Az egyenesvonalú, egyenletes sebesség , vízszintes repülési helyzetnek megfelel en er egyensúly és nyomatéki egyensúly áll fenn. Az egyszer ség kedvéért a vonóer t és az ellenállásokat fel sem tüntettük, ezek ez esetben egymással egyenl nek vehet k, továbbá feltehet , hogy közös pontban támadnak, azaz az ered jük és az ered nyomatékuk egyaránt nulla. A továbbiakban a fent rögzített egyensúlyi helyzethez képest kis változásokat vizsgálunk majd. A konkrét vizsgálatok tehát a 2 ábrán vázolt egyensúlyi helyzetre vonatkoznak, de a megállapítások más egyensúlyi helyzetekre is igazak lesznek – lényegében csak a valamilyen szempontból széls séges esetekre (pl. átesés

stb) nem vonatkoztathatók A további vizsgálatainkban feltesszük, hogy küls zavarásként az állásszög változik meg kis értékkel (kicsit megn , illetve lecsökken) és ennek következtében megváltozik a szárnyon, illetve a vezérsíkon keletkez felhajtó er nagysága. Ezen er k irányának megváltozását elhanyagoljuk. Az egyszer ség kedvéért – és mert megtehet – figyelmen kívül hagyjuk az összes további mozgásjellemz megváltozását is. 2 Megjegyzend , hogy az itt vázolt, kiegyenlített állapot pontosan egy – célszer en a leggyakoribb – repülési állapot. További, ilyen értelemben kiegyenlített állapotot csak úgy érhetünk el, ha az egész vízszintes vezérsík fogatható (ez a balansz-vezérsík). A kereszttengely körüli statikai stabilitás A kereszttengelye körül statikailag stabil egy repül , ha – kis zavarásokra – a változással ellentétes, visszatérít hatás jelentkezik. A kis változásra tekintettel hanyagoljuk

el a szárnyon keletkez felhajtóer irányának változását, de vegyük tekintetbe, hogy a megváltozott állásszög miatt a szárnyon keletkez felhajtóer megváltozik és a vízszintes vezérsíkon az alaphelyzetbeli nullától különböz er keletkezik. Kis állásszög növekedésre, illetve csökkenésre ez a 3 ábrán látható: 3. ábra 3 A statikai stabilitás tehát akkor jön létre, ha a vízszintes vezérsíkon keletkez er nyomatéka elegend en nagy, ami azt jelenti, hogy az er és a kar szorzata kell elég nagy legyen. Ezért a stabilitáshoz – nyilván – nagyobb felület vezérsík esetén kisebb távolság (rövidebb törzs), kisebb vezérsík felület esetén pedig nagyobb távolság (hosszabb törzs) kell. Másrészt, minél nagyobb az említett nyomaték, annál nagyobb a repül statikai stabilitása. A gyakorlatban a megfelel stabilitás (nem túl nagy és nem túl kicsi) elérése lehet a cél. Ugyanakkor fontos hangsúlyozni, hogy az ember számára

nem idegen a labilis helyzet, illetve a labilis járm sem (itt, példaként a gyalogló emberre vagy a kerékpárra gondolhatunk). A semleges pont A szakirodalomban az er változásokat külön szokták kezelni. Az alaphelyzet egyensúlyi er rendszerét változatlanul hagyva az er változások ered jét számolják ki és abba a pontba helyezik el, amelyre ezen er -változások az ered nyomatéka nulla. 4. ábra A semleges pont (gyakran „N”-nel jelölik), helyét az er változások aránya határozza meg. Az er változások függnek az állásszög változástól, továbbá a szárny, illetve a vezérsík aerodinamikai jellemz it l. Mivel ezek a jellemz k nem változnak és az állásszög változásról feltehet , hogy mindkét elemre azonos, ezért ez az arány szinte a teljes üzemi tartományban állandó, így a semleges pont helyzete – ebben a tartományban – nem változik. Ezt a megállapítást a részletes repülés mechanikai számítások is alátámasztják. A 4.

ábrán a semleges pont helye állásszög csökkenés esetén, az 5 ábrán a semleges pont helye állásszög növekedés esetén látható – megvizsgálva az er -változások ered jének helyét, valóban az látszik, hogy a semleges pont helye nem változik. 4 5. ábra A semleges pontra tehát a külön kezelt er változások nyomatéka nulla; az eredeti er k értéke és helye nem változik, ezért a semleges pontra az ered léger nyomaték értéke – az állásszögt l függetlenül – állandó. A repülés mechanikai szakirodalom e tulajdonságot alapján definiálja a semleges pontot. A semleges pont ilyen értelemben a szárnyprofilok aerodinamikai centrumával rokon, mivel az „AC”-re a profilon keletkez léger nyomatéka állandó. Az ered felhajtóer változás tehát a semleges pontban hat – ez pedig azt jelenti, hogy a semleges pont helyzete meghatározza a repül kereszttengely körüli statikai stabilitását. Ha a semleges pont a súlypont mögött van

(4. és 5 ábra), akkor a repül statikailag stabil Ha azonban a semleges pont a súlypont elé kerül – mondjuk azért, mert a repül súlypontja hátra vándorol – akkor a repül instabil lesz. A súlypont vándorlását pl a repül ben elhelyezett, változó tömegek különböz elosztása idézheti el . A semleges pont súlyponttól mért távolsága meghatározza a léger -változásból származó er nyomatékát, ezért ezt a távolságot (dimenziótlanítva) a stabilitás mértékeként is használják. 5 Kormányzás A repül gépek kormányzása a repül gép m köd képességének egyik alap követelménye. A megfelel kormányozhatóság a repül egyik legfontosabb tulajdonsága. Ez jelenti ugyanis a kapcsolatot az ember és a gép között. Ez a bevezet jelleg , fizikai megfontolásokra épített munka csak a kormányzás elvi megvalósításával foglakozik – a komoly, számítással is alátámasztott vizsgálatok m szaki megalapozására alkalmas csak.

Napjainkban az aerodinamikai kormányzás mellett a súlypont áthelyezéssel történ kormányzás is elterjedt, ezért mindkét kormányzási rendszer m ködését bemutatjuk. Aerodinamikai kormányzás A repül gép kereszttengely körüli helyzetét és ezzel az állásszögét a magassági kormány kitérítésével szabályozzuk. A 6 ábrán az a folyamat látható, amelynek során a repül az „alaphelyzet”-nek nevezett helyzetéb l egy újabb, nagyobb állásszög alaphelyzetbe kerül. 6. ábra 6 Az újabb, nagyobb állásszög repülési helyzet tehát húzott magassági kormánnyal állítható be. A kereszttengely körüli statikai stabilitás ebben az egyszer modellben függ: • a szárnyon keletkez felhajtóer megváltozásától és vándorlásának mértékét l, vagyis végeredményben az új felhajtóer súlypontra vonatkozó nyomatékától; • a vezérsíkon keletkez er -változástól, illetve annak súlypontra vonatkozó nyomatékától. Az állásszög

megnövekedése a szárnyon keletkez felhajtóer t és a vezérsíkon keletkez er t egyaránt megnöveli. Emiatt a repül – a már tárgyalt forgáson túl – felfele gyorsulni is kezd Ez a gyorsulás el segíti a magassági kormány húzásával el álló, felvételnek nevezett folyamat kifejl dését. A 7. ábrán az a folyamat látható, amelynek során a repül az „alaphelyzet”-nek nevezett helyzetéb l egy újabb, kisebb állásszög alaphelyzetbe kerül. 7. ábra Az állásszög csökkenése a szárnyon keletkez felhajtóer t és a vezérsíkon keletkez er t egyaránt lecsökkenti. Emiatt a repül – a már tárgyalt forgáson túl – lefele gyorsulni is kezd Ez a gyorsulás el segíti a magassági kormány el re nyomásával el álló, átnyomásnak nevezett folyamat kifejl dését. Az új repülési állásszögek beállítása tehát a kiegyenlít nyomaték ellenében létrehozandó kormány nyomatékkal történik. Minél nagyobb a kiegyenlít nyomaték (azaz a

semleges pont minél messzebb van a súlypont mögött), annál nagyobb nyomatékot kell a kormányon kifejteni. Ez azt jelenti, hogy ha a stabilitás nagy, akkor hatásos kormány kell, ha viszont kicsi, akkor kevésbé hatásos kormány is megfelel. 7 A semleges pont állandósága miatt a stabilitás mértéke az állásszögt l lényegében függetlennek vehet , tehát az aerodinamikai kormányok hatékonysága – adott súlypont helyzet esetén – nem függ az állásszögt l. Ha azonban a súlypont helyzet változik, változik a stabilitás és a kormányozhatóság is. Nagyon fontos észre venni, hogy a hátrafele vándorló súlypont nem csak a stabilitás mértékét csökkenti, hanem egyúttal a kormány viszonylagos hatásosságát is növeli. Igazából ez a tény korlátozza a megengedhet leghátsó súlypont helyzetet. Az aerodinamikai kormányok viszonylagos hatásossága – természetesen – a repülési sebesség csökkenésével csökken, növekedésével n .

Ez olyan sajátosság, amit a repül gép vezet jének el kell fogadnia illetve meg kell tanulnia. Kormányzás súlypont áthelyezéssel A sárkányrepül k megjelenésével tömegesen terjedtek el a súlypont áthelyezéssel kormányzott repül eszközök. Csak megjegyezzük, hogy a Lilienthal féle siklórepül t l kezdve sok, inkább kísérleti jelleg , súlypont áthelyezéssel kormányzott légijárm készült. A súlypont áthelyezéssel történ állásszög növelésre vezet kormányzást a 8. ábrán mutatjuk be 8.ábra Az ábrát a korábbiaknak megfelel en rajzoltuk, jóllehet a sárkányrepül nél különálló vezérsík nincs – de a szárny küls -hátsó része mégiscsak vezérsíknak tekinthet és annak megfelel en is m ködik. 8 Az állásszög megnövekedése a szárnyon keletkez felhajtóer t és a vezérsíknak tekinthet részen keletkez er t egyaránt megnöveli. Emiatt a repül – a már tárgyalt forgáson túl – felfele gyorsulni is kezd. Ez a

gyorsulás el segíti a kormányrúd el renyomásával el álló, felvételnek nevezett folyamat kifejl dését. A súlypont hátra mozdítása miatt a semleges ponthoz közelebb kerül és ezzel a stabilitás mértéke csökken. Ez a magyarázata, amiért a sárkányrepül ket nagyobb állásszögön nagyobb figyelemmel kell vezetni. 9. ábra Az állásszög csökkenését, illetve a sebesség növelését a súlypont el re mozdítása idézi el . Ez látható a 9. ábrán A (közös) súlypontot el re a pilóta a kormányrúd saját maga felé történ húzásával mozdítja el. Az állásszög csökkenése a szárnyon keletkez felhajtóer t és a vezérsíknak tekinthet részen keletkez er t egyaránt lecsökkenti. Emiatt a repül – a már tárgyalt forgáson túl – lefele gyorsulni is kezd. Ez a gyorsulás el segíti a kormányrúd húzásával el álló, gyorsításnak nevezett folyamat kifejl dését. A súlypont el re mozdítása miatt a semleges ponttól távolabbra kerül

és ezzel a stabilitás mértéke növekszik. Ez azonban csak a kereszttengely körüli statikai stabilitásra igaz A sárkányrepül k nagy repülési sebességen esetleg el álló lengése (oszcillációja) más okokra vezethet vissza. Fontos, hogy a súlypont áthelyezéssel történ kormányzás hatásossága a repülési sebességt l és állásszögt l függetlenül – minthogy a súlyer ezekt l tényéeg nem függ – gyakorlatilag állandó. 9