I.A.AZARIEW

Przewrotka (koziołkowanie) lotni

Próba znalezienia sposobu zapobiegania jej i ewentualne ratowanie się poprzez właściwe manewry.

 

 

Przedmowa

Katastrofa nastąpiła nagle. Lecąca z dużą prędkością motolotnia na wysokości 120 m wykonała "górkę", zawisła w górnym jej punkcie, następnie zaczęła opadać. obniżając dziób z narastającą prędkością. Po przewróceniu na plecy wirowanie nie ustało i motolotnia opadała z coraz większą prędkością. Po trzech obrotach nastąpił upadek na ziemię.

W ten sposób zginął doświadczony pilot-oblatywacz podczas oblotu nowej motolotni eksperymentalnej. Wypadek ten spowodował konieczność zweryfikowania dotychczasowych poglądów na temat koziołkowania lotni. Dotychczas uważano, że "zjawisko" dotyczy głównie lotni, natomiast motolotnia ze względu na dużą masę wózka znajdującego się daleko od skrzydła nie podlega temu stanowi.

Specjaliści z Biura Doświadczalnego im. Antonowa opracowali program badań skrzydeł pełnowymiarowych i modeli w tunelach aerodynamicznych, w wyniku których można było wyjaśnić podstawowe prawidłowości podczas koziołkowania i znaleźć odpowiednie sposoby przeciwdziałania.

 

1. Wiadomości ogólne na temat stateczności i sterowności

 

Główne siły i momenty

Dla ułatwienia obliczeń wektor wypadkowej siły aerodynamicznej R rozkładamy na: siłę nośną Y, prostopadłą do kierunku lotu i na siłę X, równoległą do kierunku lotu.

Aerodynamicy zaś ("by zmylić latających ?") wprowadzili zamiast tych sił ich współczynniki, określone odpowiednio wzorami:

ρ - gęstość powietrza,

V - prędkość ruchu powietrza,

S - powierzchnia skrzydła.

W przypadku lotu prostoliniowego ze stałą prędkością wszystkie siły (aerodynamiczne i ciężkości) jak i ich składowe są zrównoważone.

By utrzymać lot poziomy potrzebna jest jednostka napędowa, której ciąg zrównoważy siłę oporu aerodynamicznego X.

Chcąc uzyskać wznoszenie musimy dysponować ciągiem większym niż opór aerodynamiczny, by skompensować z nadmiarem siłę ciężkości. Wówczas wektor prędkości skierowany będzie ku górze.

Tak można krótko opisać mechanikę lotu po prostej (nic skomplikowanego ?).

 

Moment podłużny

 

Skrzydło lotniowe sterowane jest poprzez wytwarzanie odpowiednich momentów sił drogą przemieszczania masy podwieszenia (pilota lub wózka z załogą) względem skrzydła. Sposób ten jest bardzo prosty i dość skuteczny.

Jeśli wektory sił Y i G nie leżą na jednej prostej , to tworzą parę sił z momentem podłużnym Mz. Umownie jako dodatni przyjmuje się moment podnoszący dziób (zadzierający) - rys. a. Ujemnym będzie moment obniżający dziób (nurkujący ) - rys b.

Aerodynamicy operują pojęciem "współczynnik momentu":

 

gdzie:

b_a - średnia cięciwa aerodynamiczna skrzydła.

 

Podczas lotu powstaje siła aerodynamiczna oporu, a jeśli skrzydło wiruje (koziołkuje) - powstaje moment oporu tego ruchu. Moment ten nazywany jest momentem tłumiącym. Skierowany jest on przeciwnie do kierunku wirowania. Ponieważ skrzydło lata na różnych kątach natarcia "
" i wygodnym jest przedstawienie zależności współczynników sił i momentów od tego kąta (rys. 1).

Rys. 1.

 

Rozpatrzmy niektóre problemy związane ze statecznością skrzydła lotni.

Skrzydło nie będzie wirować, gdy m_z=0 (dla
= 16° , C_y = 0,7). Niech pod wpływem podmuchu kąt ten zwiększy się do 20° . Pojawi się moment ujemny i skrzydło zmniejszy kąt natarcia. Analogicznie przy nagłym zmniejszeniu kąta natarcia pojawi się moment rosnący, zmuszający skrzydło do zwiększenia kąta natarcia (stateczność statyczna).

Rozpatrzmy te procesy w funkcji czasu.

Po zwiększeniu kąta natarcia pojawia się moment ujemny, który obraca skrzydło w kierunku zmniejszania kąta natarcia, z narastającą prędkością kątową. W momencie powrotu do kąta wyjściowego moment staje się równy zeru, a prędkość kątowa osiąga maksimum. Skrzydło siłą bezwładności przekracza ten kąt i zaczyna się on zmniejszać. Pojawia się moment dodatni, zmniejszający prędkość kątową i zaczyna nowy, analogiczny efekt.

Podczas wirowania pojawia się moment tłumiący - hamujący je, dlatego cykliczne zmiany kąta natarcia mają charakter zanikających drgań. Takie skrzydło określamy jako dynamicznie stateczne (krzywa 1). Natomiast jeśli ich amplituda narasta (krzywa 2) - to będzie to aparat niestateczny dynamicznie.

Stan taki można wytworzyć przez pełne oddanie (wypchnięcie) sterownicy na dłuższy czas. Lotnia będzie zwiększać kąt natarcia aż do kąta krytycznego, nastąpi przeciągnięcie, zwalenie na dziób, zadarcie, itd. aż do wejścia w koziołkowanie.

Przy zwiększaniu kąta natarcia zwiększa się siła nośna, lotnia zwiększa wysokość i zmniejsza się prędkość lotu, co z kolei zmniejsza siłę nośną. A więc lot taki ma dość skomplikowany charakter i cechuje się cyklicznymi zmianami charakterystyk aerodynamicznych skrzydła lotniowego.

 

Rozpatrzmy zależność współczynnika momentu podłużnego siły nośnej i oporu od kąta natarcia. Zakładamy przy tym że podwieszenie jest nieruchome. Podczas koziołkowania kąt natarcia zmienia się w zakresie +/- 180° .

Na rys. 2 przedstawione są zależności C_xa C_ya, m_z, otrzymane w wyniku dmuchań tunelowych modeli i lotni pełnowymiarowych.

Rys.2.

 

Rozpatrzmy je dokładnie i spróbujmy wyjaśnić, dlaczego lotnia koziołkuje. Można wyróżnić trzy strefy, zależnie od kąta natarcia:

1. strefa opływu nieoderwanego, -20° <
< 30° ,

2. strefa pełnego oderwania, -160° <
< -20° i 30° <
< 160° ,

3. strefa lotu odwróconego,
= 180° +/- 20° .

 

Strefa 1.

Jest to najlepiej zbadany zakres kątów natarcia, gdyż dotyczy eksploatacyjnych ich wartości.

Strefa 2.

Praktycznie pełne oderwanie opływu. Własności aerodynamiczne są mało zależne od konstrukcji skrzydła i są podobne do płyty oporowej. Zwykle świadomie nie jest stosowana, poza stanem "spadochronowania".

Strefa 3.

W tym wypadku krawędź spływu pełni rolę krawędzi natarcia (bardzo niestabilną).

Do takiego stanu może dojść przy niepełnym wypełnieniu pętli lub figury typu "dzwon".

 

2. Przewrotka lotni

 

Jest to chyba najtrudniejszy do obserwacji i analizy stan lotu, zwykle kończący się tragicznie. Ogólnie cechują go:

- następuje nagle, często bez zauważalnego powodu,

- wejście w przewrotkę zawsze jest szybkie z tendencją do zwiększania prędkości,

- prędkości kątowe jak i przeciążenia są tak duże, że pilot ma małe możliwości reagowania.

W dalszym ciągu będzie rozpatrywana możliwość ratowania się pilota z tego stanu.

 

Wpływ położenia środka ciężkości na moment podłużny.

Zmiany położenia środka ciężkości w lotni dochodzą do 70 % (względem cięciwy średniej), w motolotni do ok. 35 %, natomiast w samolotach od 5 do 15 %.

Na rys. 3 przedstawiono zależności m_z(
) przy trzech położeniach pilota: X_T = 0,3 dla V_trim, X_T = 0,1 dla V_max, i X_T = 0,6 dla V_min (sterownica oddana maksymalnie).

Rys. 3.

 

Przy niedużych kątach ujemnych pojawia się załamanie krzywej, nazywane "łyżką ujemną". Szczególnie jest ona widoczna dla oddanej sterownicy (X_T = 0,6).

Poza tym widać, że ujemny moment dla kątów dodatnich jest większy niż moment dodatni dla kątów ujemnych. Daje to przewagę siły napędowej powodującej ruch wirowy (moment ujemny) nad siłą hamowania (moment dodatni). Jednak przy ściągniętej sterownicy (X_T = 0,1) dla ujemnych kątów moment ten jest dodatni, a więc przeciwdziała wirowaniu.

Wpływ przesunięcia środka ciężkości wzdłuż osi pionowej OY (czyli długości podwieszenia).

Na rys. 4 przedstawiono m_z(
) dla trzech wartości względnych:

- Y_T = - 0,84 - normalny układ lotni,

- Y_T = 0 - typowy dla samolotu lub pilota umieszczonego w skrzydle,

- Y_T = + 0,84 - hipotetyczny układ - pilot na maszcie.

Rys. 4.

Z tych zależności można wyciągnąć wniosek, że dolne położenie podwieszenia daje przewagę momentów ujemnych nad dodatnimi, a więc tendencję do wirowania z opuszczaniem dzioba.

 

Dynamika przewrotki

Statycznie najczęściej do przewrotki dochodzi przy:

- wykonaniu stromej "górki" i pętli (niedokręconej),

- spotkanie silnego prądu zstępującego,

- manewrach przy dużych prędkościach.

 

Wejście do przewrotki po "górce"

 

Przy utracie prędkości na jej wierzchołku gwałtownie rośnie kąt natarcia (przepadanie). Z rys. 3 widać, że przy
= 60° m_z ma dużą ujemną wartość - lotnia zaczyna opuszczać dziób. Bezwładnie przekracza kąt zbalansowania (gdy m_z = 0) i przechodzi na małe kąty gdzie m_z > 0 - zaczyna hamować wirowanie.

Mogą zaistnieć wówczas dwa przypadki:

1. Prędkość wirowania jest mała i dodatni moment jest wystarczający do jej zredukowania. Po kilku wahnięciach skrzydła wokół kąta równowagi lotnia utrzyma się przy nim.

2. Gdy prędkość początku wirowania jest duża, a dodatni moment za mały, skrzydło przechodzi do kąta "łyżki ujemnej" (z momentem ujemnym). Prędkość kątowa szybko rośnie i pojawia się stabilna autorotacja, ze wszystkimi jej ujemnymi skutkami.

Analiza własności aerodynamicznych skrzydła lotniowego, symulacje komputerowe i specjalne badania wykazały że koziołkowanie nie musi kończyć się katastrofalnie i można próbować je zatrzymać poprzez odpowiednie reakcje pilota (rys. 3).

 

Proces koziołkowania można rozdzielić na następujące etapy:

1. Stan przed przewrotką

2. Przewrotka

3. Koziołkowanie (autorotacja)

Ad 1.

Utrata prędkości, duże dodatnie kąty natarcia (duży moment ujemny - opuszczanie dziobu z narastającą prędkością). Pod koniec kąt natarcia maleje (ale jest ciągle dodatni) - moment dodatni - zmniejsza się prędkość kątowa.

W tej fazie należy oddać maksymalnie sterownicę (X_T = 0,6 - zmniejszenie momentu ujemnego). Gdy kąt natarcia zmaleje (położenie dziobem w dół) - należy ściągnąć sterownicę. Po wyhamowaniu wirowania należy przywrócić normalną prędkość lotu.

Ad 2.

Zaczyna się od małych ujemnych kątów natarcia. Przy ściągniętej sterownicy (X_T = 0,1) powstaje znaczny moment dodatni, hamujący wirowanie aż do jego zatrzymania. Po odzyskaniu prędkości powraca sterowność i normalny lot. Użycie spadochronu na tym etapie (gdy wirowanie nie ustaje) może być skuteczne. Należy jednak pamiętać że podczas nurkowania pilot jest odrzucany do tyłu.

Ad 3.

Skrzydło znowu wchodzi w zakres dużych kątów dodatnich (duży moment ujemny) i częstość wirowania dochodzi do ok. 1 obr/sek. - występują wówczas ogromne przeciążenia). Lecz i w tej fazie można próbować opanować sytuację. Gdy skrzydło będzie dziobem do góry należy spróbować oddać sterownicę (zmniejszy się moment ujemny). Następnie podczas opuszczania dziobu należy sterownicę maksymalnie ściągnąć (zwiększy się moment dodatni dla małych i ujemnych kątów).

Wszystkie te zalecenia wynikają z analizy mechaniki ruchu lotni, a ich realizacja zależy od:

- prędkości wirowania,

- przygotowania pilota na taką ewentualność (trening myślowy),

- opanowanie i zachowanie przez pilota "zimnej krwi".

 

Badania skrzydeł pod kątem tendencji do nurkowania i koziołkowania.

 

- badania w tunelu aerodynamicznym (b. drogie) i na stanowiskach jezdnych (drogie). W tych ostatnich należy lotnię mocować w rejonie środka ciężkości całego układu. Badanie trzeba przeprowadzić dla co najmniej dwóch wielkości
 0° i
= -10°, dla V_trim. Jeśli dla
= -10°  M_z >0, to układ jest odporny na koziołkowanie.

- aby w warunkach amatorskich ocenić M_Z0 należy skrzydło podeprzeć tak, aby było ustawione poziomo i pod wiatr. Kierunek sił na sterownicy będzie wówczas świadczył o znaku M_Z0.

Przy dostatecznej sile wiatru, gdy sterownica wyrywa się do przodu - M_Z0 jest dodatni (właściwy). Natomiast gdy sterownica naciska w kierunku pilota - M_Z0 < 0 i należy przeregulować system antyflatterowy (a właściwie - wyprowadzający z lotu na małych i ujemnych kątach natarcia).

Tendencję do przewrotki można również ocenić w locie wg sił występujących na sterownicy. Jeśli przy zwiększaniu prędkości (poprzez ściągnięcie sterownicy) siły wyrywające maleją, a wręcz przechodzą w przeciwne - świadczy to o złej stateczności dla małych kątów natarcia i skrzydło należy przeregulować.

 

3. Sposoby likwidacji tendencji do koziołkowania skrzydeł lotniowych

 

Wcześniej wykazaliśmy, że należy mieć przy małych kątach natarcia:

1. M_Z0 > 0,1,

2. dla V_trim (X_T = 0,3) kąt początku "łyżki ujemnej" powinien być mniejszy od -10°.

Powszechnie (i słusznie) stosuje się podwieszenie do masztu elastycznych końców profili za pomocą linek, nazywanych niesłusznie "antyflatterowymi" oraz podpórek pod końcówką płata. W lotniach "topless" (bezmasztowych) rolę linek pełnią podpórki wewnątrz szerokiej kieszeni krawędzi natarcia. W nowych lotniach na końcu przedłużonego kila pojawiły się poziome płyty, które przy małych, ewentualnie ujemnych kątach natarcia wytwarzają moment dodatni.

Z rys. 4 widać, że "łyżka ujemna" maleje przy podnoszeniu (skracaniu) podwieszenia. Niestety z tego sposobu można korzystać z aerodynamicznym wspomaganiem sterowania ("Extase", "Ghost Buster") lub sterowaniem czysto aerodynamicznym ("Swift", "Fleur 30").

Można jeszcze zaproponować stosowanie spadochronu "antyprzewrotkowego". Taki system powinien być wyzwalany automatycznie, ponieważ pilot często nie jest w stanie go wyzwolić. Wymagana byłaby koincydencja czujników prędkości kątowej (w_z < 0) i przeciążenia (n_y < 0).

 

Zakończenie

 

Autor tej pracy (tłumaczonej w skrócie) - Igor Azariew jest aerodynamikiem, byłym pracownikiem Zespołu Antonowa w Kijowie. Napisał wiele prac na temat aerodynamiki skrzydła lotniowego, m.in. "Niebezpieczne stany lotu lotni i motolotni", skrócona wersja w PLAR 10/97), książkę "Prakticzieskaja aerodynamika deltapłana".

Wiele ciekawych opracowań, w tym i symulatory lotu lotni, motolotni i ornitopterów ("machalotów"), Autor zamieścił na własnej stronie www.ancom.ua.

 

Pan Igor Azariew zwraca się z prośbą do latających lub świadków różnych "dziwnych" stanów lotu o ich wierny opis, a On będzie się starał o ich wyjaśnienie. Prosimy o kontakt bezpośredni ([e-mail]) lub z H.Doruchem ([e-mail]), lub za pośrednictwem PLAR.

---