аэромеханика

аэромеха́ника, механика полёта, — совокупность методов определения действующих на летательный аппарат сил и моментов, траекторий полёта, летно-технических и пилотажных характеристик летательного аппарата, методов анализа динамики полёта летательного аппарата, его устойчивости и управляемости. Фундаментом А. являются: прикладная аэродинамика, основные разделы механики (динамика материальной точки, твёрдого тела и теория упругости) и теория регулирования.

Прикладная аэродинамика летательных аппаратов — совокупность экспериментальных и теоретических методов определения действующих на летательный аппарат аэродинамических сил и моментов, а также шарнирных моментов, действующих на органы управления в установившемся и в неустановившемся движении при различных их отклонениях, даёт исходный материал для последующего анализа А. летательного аппарата.

Методы определения условий равновесия (балансировки) по моментам — необходимого условия прямолинейного установившегося или квазиустановившегося (например, с заданной перегрузкой) полётов, вычисления усилий на рычагах управления, а также методы расчётов степени статической устойчивости представляют собой содержание раздела статической устойчивости и управляемости. Все оценки здесь получают с помощью прикладной аэродинамики.

Методы определения лётно-технических характеристик, включая характеристики манёвренности (для самолёта этот раздел А. называют аэродинамическим расчётом), базируются на основных данных по подъёмной силе и сопротивлению аэродинамическому летательного аппарата и основных характеристиках установленных на нём двигателей во всём диапазоне скоростей и высот полёта. Сюда же могут быть отнесены и методы оптимизации выбора параметров летательного аппарата.

Динамика летательного аппарата как материальной точки решает задачу об определении траектории при заданных силах, а также выбор оптимальных траекторий летательного аппарата в атмосфере. Эти методы интенсивно развиваются как на основе прямых методов оптимизации, так и на основе принципа максимума Л. С. Понтрягина. Исследования в этом разделе обычно базируются на изучении уравнений движения центра масс (динамика материальной точки постоянной и переменный массы).

Методы определения устойчивости и управляемости летательного аппарата на основных режимах полёта являются содержанием динамики полёта. В общем случае анализ движения летательного аппарата представляет собой весьма сложную задачу. Однако ряд достаточно очевидных физических представлений позволяет выделить в этом большом разделе А. ряд подразделов. Так, при условии массовой и геометрической симметрии, а также при условии малости возмущений пространственное движение летательного аппарата, описываемое уравнениями Эйлера, можно разделить на два независимых — продольное движение и боковое движение, описываемых независимыми системами дифференциальных уравнений, и рассматривать устойчивость и управляемость этих движений раздельно.

Продольные устойчивость и управляемость. Здесь изучаются условия устойчивости возмущенного движения и переходные процессы при отклонении органов управления продольным движением, когда движение и возмущения происходят в вертикальной плоскости (вектор скорости полёта и вектор силы тяжести лежат в вертикальной плоскости симметрии летательного аппарата). Основными переменными в дифференциальных уравнениях продольного возмущенного движения летательного аппарата с фиксированным положением органов управления являются обычно угол атаки, скорость полёта, угол тангажа и скорость тангажа (см. статьи Продольная управляемость, Продольная устойчивость).

Боковые устойчивость и управляемость. Боковое возмущенное движение описывается независимой системой дифференциальных уравнений, в которые входят основные переменные, определяющие боковое движение, — угол скольжения, скорости крена и рыскания (или какие-либо другие эквивалентные параметры). Угол атаки, скорость полёта, угол тангажа и другие переменные, определяющие продольное движение, остаются постоянными и являются в данном случае параметрами (см. статьи Боковая управляемость, Боковая устойчивость).

Динамика пространственного движения. В этом подразделе обычно рассматриваются возмущенные и управляемые движения с немалыми (конечными) отклонениями от равновесных. Это обстоятельство приводит к необходимости учитывать нелинейные инерционные члены в уравнениях Эйлера (типа, например, произведения угловых скоростей и т. п.), а также аэродинамическими и кинематическими взаимодействия продольного и бокового движений (см., например, Инерционное взаимодействие, Самовращение). В этом подразделе также рассматриваются методы анализа управляемых движений при одновременном отклонении органов управления продольным и боковым движениями.

Аналогичный анализ может быть проведён и для пространственного движения самолёта на околокритических углах атаки (сваливание) и в режиме штопора (как установившегося, так и при выходе из него).

Значительное влияние на устойчивость и управляемость летательного аппарата могут оказывать всё более широко внедряемые в авиации устройства автоматизации управления. Разработаны достаточно надёжные методы определения устойчивости и управляемости летательного аппарата в продольном, боковом и пространственном движениях с автоматическими системами (система улучшения устойчивости и управляемости, система автоматического управления, автопилот), рассчитанными на заданные режимы полёта и с заданными функциями управления. Однако многие проблемы ещё предстоит разрешить.

В случае включения в контур управления летательным аппаратом автоматических систем с точки зрения математического анализа устойчивости и управляемости к уравнениям его движения должны быть добавлены уравнения автоматического устройства, связывающие взаимодействие основных параметров движения, которые практически вводятся через чувствительные элементы, измеряющие эти параметры, например, датчики перегрузки, угловых скоростей, углов атаки и скольжения, с движением органов управления, на которые подаётся воздействие исполнительного привода автоматического устройства, т. е. добавляются дифференциальные уравнения, описывающие перемещения органов управления. Это дополнительное условие, само по себе, может быть представлено в виде несколько уравнений, в общем случае нелинейных и определяющих промежуточные связи системы управления. Методы определения устойчивости и переходных управляемых процессов (см., например, Заброс по перегрузке) в этом случае значительно усложняются. Для получения окончательных достоверных результатов используются либо расчёты на электронно-вычислительных машинах, либо математическое, или полунатурное моделирование процессов управления. Существующие аналитические методы, как правило, носят приближенный характер и не всегда дают достаточно полную картину.

Работа автоматических систем с исполнительным приводом (гидравлическим или электрическим) приводит к достаточно широкому спектру возможных резонансных частот, поэтому возникает необходимость изучения в широком диапазоне частот и характеристик объекта регулирования, т. е. возникает необходимость изучения влияния упругих деформаций летательного аппарата на его основные характеристики. Это обстоятельство было одной из причин интенсивного развития аэроупругости — раздела А., объединяющего совокупность методов определения влияния упругости конструкции на устойчивость и управляемость летательных аппаратов.

В случае учёта влияния деформации конструкции под действием аэродинамических, массовых и инерционных сил задача сводится к установлению связи деформации с действующими силами и моментами. В этом случае увеличивается число степеней свободы и, следовательно, число уравнений движения. Вначале возникает необходимость установления связи деформаций конструкции с действующими аэродинамическими силами и моментами. Эта часть достаточно хорошо разработана и относится к разделу прикладной аэродинамики. В итоге в уравнения движения добавляются члены, учитывающие изменение сил вследствие проявления деформации конструкции, и добавляются уравнения (в общем случае дифференциальные), определяющие деформацию конструкции под действием сил и моментов и включающие характеристики жёсткости конструкции. Анализ полной системы уравнений, определяющих возмущенное движение упругого летательного аппарата как для случая без автоматических устройств, так особенно при включённой автоматике, позволяет выделить ряд форм возмущенного движения путём разложения в ряд функций, учитывающих влияние упругости.

Учёт членов первого порядка практически эквивалентен квазистатическому учёту влияния деформаций на моментные характеристики летательного аппарата. Члены более высокого порядка, учитывающие более сложные формы упругих деформаций (особенно при работающих система автоматического управления и система улучшения устойчивости и управляемости), дают новые формы возмущенного движения, которые, как правило, не сказываются на движении летательного аппарата как целого. В число таких видов возмущенного движения входят и такие, как флаттер и дивергенция. Устойчивость этих видов движения в значительной степени определяет безопасность полёта, так как им свойственны большие частоты и большие декременты нарастания амплитуд при неустойчивости. Этот вид возмущенного движения практически определяется взаимодействием упругих, инерционных и аэродинамических сил и во многих случаях может быть описан приближенной системой уравнений без учёта возмущенного движения летательного аппарата.

Г. С. Бюшгенс.