תפקיד המנוסה במונף: יציבות המטוס

מטוס Takeoff ו Landing (VTOL) כובש נישה ייחודית בתעופה המודרנית, המשלב את יכולות הטיסה האנכיות של מסוק עם יעילות הטיסה קדימה של מטוס קבוע.כפי שמכוניות אלה יותר ויותר למצוא תפקידים ניידות אווירית עירונית, הגנה ומשלוח מטען, יציבות האווירו האירודינמית הופכת להיות משותקת.

מה זה ה-Avenage?

ההתגלמות מתייחסת לחלק הזנב של המטוס, בדרך כלל כולל ייצוב אנכי (פיננס) ואחד או שניים מייצבים אופקיים, מטרתו העיקרית היא לספק FLT:0static ויציבות דינמית 1 לאורך שלב ה-hw, המגרש, ולפעמים גם לגלגל צירים, בעוד מגורים שולטים על פני השטח כגון הסולם ומעלית.

עיצובי VTOL משתנים באופן נרחב: חלק משתמשים זנב קונבנציונלי, אחרים לאמץ זנב T-tail, V-tail, או אפילו תצורה בלתי נמנעת של Y-configuration.הבחירה תלויה במשקל המטוס, הפריסה הנטועה, ומעטפה הטיסה.

פונקציות של מטוס VTOL

הזינוק מבצע מספר פונקציות נפרדות אך קשורות באופן ישיר המשפיעות ישירות על יציבות VTOL:

• (FLT:0) ראו סטביליות ושליטה: FLT:1 ייצוב אנכי מתנגד הפרעות yaw - לדוגמה, אלה שנגרמו על ידי צלבים או דחף סימטרי מכמה רוטינים.הסולם, המחובר לקצה השולי של ה-fin, מספק שליטה פעילה, ומאפשר הטייס או בקר הטיסה לשמור על האף היישר במהלך המרחף והמעבר.
• (FLT:0)Pitch Stability and control:FLT:1; הייצוב האופקי מייצר כוח כלפי מטה או מעלה כדי לאזן את הרגע של המטוס.בטיסה קדימה, הוא שומר זווית מגובשת של התקפה. במהלך ריכוז אנכי או ירידה, המעלית (על ייצוב אופקי) מאמת את המגרש כדי לנהל את שיעור הטיפוס ולהימנע מנקודות.
• (FLT:0) Transition Management:FLT:1 ו-VTOL מבלה שניות קריטיות מעבר בין טיסה אנכית ואופקית.המגנזה ממלא תפקיד מרכזי בלחיצת תנודות ושמירה על גישה מבוקרת במהלך שינוי משטר אווירודינמיקה זה, שבו זרימת האוויר על הזנב יכולה להיות מאוד לא יציבה.
• (FLT:0)Hover Trimrea:FLT:1 אפילו במרח טהור (מהירות קדימה אפס), היגוי אינטראקציה עם רוטר למטה או מדחף חלקלק הזרם.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « פרדוקס רדינר ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

The vertical stabilizer, or fin, is the primary surface that provides directional stability. In a typical VTOL, the fin is sized to handle the yawing moments generated by differential rotor thrust or sudden gusts. For example, if a crosswind hits the side of the aircraft, the fin generates a restoring force that aligns the nose with the relative wind. During hover, the fin interacts with the rotor wake; a poorly designed fin can produce unpredictable yaw behavior. Many eVTOL (electric VTOL) designs therefore incorporate a large, lightly loaded vertical surface to ensure authority at low airspeeds.

הסולם מספק שליטה פעילה של yaw.במודרנית של T-by-wire VTOLs, השתקפות ⁇ trodder היא לעתים קרובות מתוכנן עם הטיה רוטטור או דחף שונה למזער צדים. כמה עיצובים משתמשים כל מייצבים אנכיים (ruddervators) בהגדרות V-tail, שילוב המגרש ו- Yaw לשלוט לתוך זוג אחד של פני השטח.

Horizontal Stabilizer: The Pitch Balancer

הייצוב האופקי, הנמצא בדרך כלל מאחורי הזרוע, יוצר כוח כלפי מטה (או לפעמים למעלה) כדי לאזן את מרכז כוח הכבידה והרגע האגף של המטוס.במטוסי VTOL, הפונקציה שלו משתרעת על סף טיסה מהירה נמוכה ומהירות נמוכה. במהלך היפוף אנכי, ניתן לטבול את הייצוב האופקי בשיקוף, שינוי זווית הפעולה היעילה של המהנדסים.

מעליות על המגרש האופקי של ייצוב שליטה.בכמה עיצובים של זנב VTOL, ייצוב האופקי עשוי להיות קטן יותר כי שליטה על דחף דחף דו-קרבי שונה ולא משטחים אווירודינמיים.עם זאת, עבור VTOLs מעוגבים עם יעילות גבוהה, זנב אופקי מעוצב היטב נשאר חיוני ליציבות לטווח ארוך.

דרישות עבור VTOL Empennage

תכנון העלאה למטוסי VTOL דורש איזון דרישות סותרות: יציבות בטיחות, סמכות שליטה עבור זריזות, צמצום משקל עבור תשלום, והפחתה בגרור עבור טווח.כאן הגורמים העיקריים מהנדסים להעריך:

Tail Volume Coefficients

מעצבי מטוסים משתמשים באפקטים בנפח הזנב (Vv for אנכי, Vh for אופקי) כדי לגודל הגרף.מספרים הלא-ממדיים האלה להשוות את שטח פני השטח של הזנב ואת הזרוע הרגע לגיאומטריה של הכנפיים. עבור VTOLs, ערכים אופייניים שונים ממטוסים קונבנציונליים. כי VTOLs יכול לפעול במהירויות נמוכות מאוד, הזנב חייב לספק יציבות נאותה גם כאשר לחץ דינמי הוא נמוך יותר.

שליטה על Surface Sizing

הסולם והמעלית חייבים לייצר רגעים מספיקים כדי להתגבר על כוחות האווירודינמיקה ולספק את סמכות הבקרה הנדרשת. ב-VTOLs, משטחי הבקרה הם לעתים קרובות גדולים יותר יחסית לאזור הייצוב מאשר במטוסים קונבנציונליים, כי דרישות השליטה במהלך המעבר ורחף יכול להיות גבוה. Active Flow control, כגון זעזועים מפוצץ, נחקר כדי להפחית את פני השטח ללא רשות הקרבה.

עקבו אחרי Down

במהלך טיסה אנכית, ההתגלמות שוכנת בעקבות המסתובבים או הדחפורים.שטיפת מטה משנה את זווית ההתקפה המקומית על הזנב, עלולה לגרום לאובדן יעילות או אפילו תגובה לאחור של שליטה. מעצבים משתמשים בדינמיקה חישובית (CFD) ובדיקות משב רוח כדי למפות את ההשפעות הללו.

אפשרויות מורכבות וחומריות

הזינוק חייב להיות נוקשה מספיק כדי לעמוד בפני פלוטר בעוד להיות אור.חומרים כמו סיבים פחמן סטנדרטיים VTOLs מודרני כי הם מציעים יחסים חזקים למשקל ולאפשר צורות מורכבות.פי אנכי עשוי אנטנה בית או לשמש כנקודת עלייה עבור אורות ופועלים, הוספת מורכבות מבנית.

המונחים: Propulsionאינטגרציה

רבים VTOLs משלבים רכיבים הנעה לתוך או ליד הגרף. דוגמאות כוללות מדחף לדחוף רכוב זנב, מעריצים נצרכים משובצים בקונפורז, או אפילו להרים רוטורים על ייצוב האופקי. תצורה אלה מטושטשים את הקו בין הנטומנטציה לייצוב, הדורש שילוב זהיר.לדוגמה, דוחף עקדבן מוביל לעלייה כי האפקטיביות האופקית של גודל זה יכול להיות מנוצל כדי להפחית את גודל הזנב.

אתגרים אווירודינמיים ספציפיים ל-VTOL Empennage

מעבר לעקרונות עיצוב כלליים, VTOL מגפנים בפני תופעות אווירודינמיקה ייחודיות נתקלו לעתים נדירות במטוסים קונבנציונליים.

פוסט-Stall and Deep Stall Behavior

במהלך המעבר, הזנב עשוי לפעול בזווית גבוהה של התקפה שבו הפרדה זרימת האוויר מתרחשת. אזור זה לאחר-stall יכול להוביל לאובדן של המגרש ו- yaw לשלוט. כמה עיצובים VTOL משתמשים סטריקס או גנרטורים טורטקס על הזנב כדי לעכב. אחרים משתמשים בליטות גרוניות פעיל כי פריסת במהירויות נמוכות כדי להגדיל את סמכות הזנב.

אפקט הקרקע במהלך נחיתה מאומצת

כאשר מטוס VTOL יורד לתוקף הקרקע במהלך הנחיתה, שטיפת מטה מן המסתובבים אינטראקציה עם הקרקע ואז עולה להכות את הזינוק מלמטה.זה יכול לגרום לרגע סטטה הידוע "אפקט הקרקע Pitch-up" או רגע יבור אם הקרקע היא לא אחידה.המגמנט חייב להיות מתוכנן לטפל טראנסים אלה ללא שליטה.

תגובה על הסביבה העירונית

ניידות אוויר עירונית VTOLs תפעל קרוב לבניינים, שבו גורים רוח הם סוערים ובלתי צפויים.המגום חייב לחסן את ההפרעות האלה במהירות. a high-aspect-ratio אנכי fin (tall and הצר) מספק יותר לחבק אבל עשוי להיות פגיע מבני לרצועות.

סוגים של ידויים עבור VTOLs

כמה פריסות של משיכת גילוח מופיעות בעיצובים הנוכחיים והוצאים של VTOL. לכל אחד יש יתרונות ופשרות.

האמנה Tail

ההסדר הקלאסי עם fin אנכי וייצוב אופקי רכוב על אחורי הפתיחת.פשוט, מגובה היטב אווירודינמיקה, וקל לפעול.עם זאת, זה יכול להיות ארוך יותר ויותר כבד מאשר זנבות חלופיים. בשימוש אבטיפוסי EVTOL רבים, כגון העבודהy תעופה S4 ו Beta Technologies Alia.

T-Tail

הייצוב האופקי הוא רכוב בראש ה-fin האנכי.זה שומר על זה ברור של השכייף מתעורר ומסתובב למטה, מתן זרימת אוויר נקייה וסמכות סטטה טובה יותר בזווית גבוהה של התקפה.ציירים כוללים משקל מבני נוסף (הפיננס חייב לתמוך ברגע הזנב המלא) ובעיות דוכנפיים עמוקות אפשריות.

V-Tail

זוג אחד של משטחים זווית V-shape, המשלב את הפונקציות של ייצוב אנכי ואופקי.משטחי השליטה (החלים) מספקים הן המגרש והן שליטה ב-w. V-tails להפחית ולגרור משקל אבל יש להם שליטה מורכבת ערבוב ואולי פחות יעילה בצדדים. פופולרי ב-VTOLs ניסיוני.

H-Tail או Twin Tail

שני סנפירים אנכיים הרכובים בקצה של ייצוב אופקי, הדומים ל"H" תצורה זו מספקת אדמוניות בשליטה של yaw, שומרים על הזנב האופקי מתוך התעוררות הרוטור, ויכולים לשפר את היציבות כיווןית.העלות מוגברת לגרור ומורכבות מבנית.שימוש במזל"טים VTOL כבדים כמו וולקופטר וולדו ד"ר.

המונחים: Y-Tail

fin אנכי המשתרע הן מעל ומתחת למזג, עם מייצב אופקי מחובר חלקית למטה. הפריסה זו מאפשרת הילוך נחיתה קצר יותר ועשויה לשפר את הטיפול הקרקעי, אך מוסיף גרר ומורכבות.

השפעה על Flight Dynamics

שלב המעבר בין טיסה אנכית ואופקית הוא התקופה התובענית ביותר עבור מערכת הבקרה של VTOL.המגום ממלא תפקיד מכריע בהבטחת מעבר חלק ויציב. במהלך מעבר טיפוסי ממרח ועד טיסה קדימה:

1. (FLT:0) Acceleration:FearLT:1; ככל שמהירות קדימה בונה, לחץ דינמי עולה ואת פני הזנב להיות יעיל יותר ויותר.בקר הטיסה משתמש בסולם כדי למנוע צמיגים מן הרוטורים ואת המעלית כדי לשמור על הגישה של המגרש.
2. (הופנה מהדף "הדור המעלית":0) 1:1 ברגע שהאגף מתחיל לייצר מעלית, רגע ההמראה של המטוס משתנה.הייצוב האופקי חייב להיות בגודל ומיקום כדי ללוש את הרגע הזה ללא השתקפות מוגזמת של מעליות.
3. (FLT:0) קיצור של Transition: FLT:1 in Cruise, הזינוק מתפקד למעשה כמו זה של מטוס קונבנציונלי, מתן יציבות סטטית ודינמית.כל הטיה או שילוב של רוטטור נשאר מטופל על ידי מערכת בקרת הטיסה.

העלאה מעוצבת גרועה יכולה לגרום למטוס "לאפשר" במהלך המעבר - אווסס ב המגרש ו- yaw - המוביל לטייס או לעומס עבודה בקר.

חומרים וייצור עבור VTOL Empennage

הבחירה של חומרים משפיעה לא רק על משקל וכוח, אלא גם עלות הייצור ורעש לחות.רוב מאגרי VTOL המודרניים בנויים מפולימר פחמן-פריווינר (CFRP) בשל ההתנגדות העייפות המעולה שלה ומיסה נמוכה. עם זאת, עבור כלי רכב בעלות נמוכה מאוד או גבוהה, יצרנים עשויים להשתמש סגסוגת אלומיניום או תרמופלסטיקה.

ייצור Additive (3D הדפסה) הוא צובר מתחים עבור מרכיבים מורכבים זנב כגון הר Actuator או vans מאוורר ducted.זה מאפשר עיצוב חופש עבור אופטימיזציה אווירודינמי תוך צמצום ספירת חלק.לדוגמה, EmbraerX Eve eVTOL משתמש זנב מורכב עם מבנים משולבים כדי לחסוך משקל.

סליחות והסמכת Aspects

רשויות תעופה אזרחיות כגון FAA ו-EASA יש דרישות ספציפיות לתכנון תגמול במטוסי VTOL, בדרך כלל תחת חלק 23 (קטגוריה נורמלית) או תנאים מיוחדים עבור eVTOL. תקנות אלה מטפלות עומסים מבניים, שולי פלוטר, משטח שליטה סטיות, ואמינות של פועלים, הגרף חייב לעמוד בפני מגבלות מגורטים, תמרונים, ונחיתות ללא אישורים, כולל גם דרישות מספיקות כמו חסימה.

מגמות עתידיות בעיצוב VTOL

כמו טכנולוגיית VTOL בוגר, כמה חידושים מעצבים מחדש עיצוב:

• (FLT:0) ייצוב סטטיביליז: 1FLT:1 ממשטחים אופקיים או אנכיים אשר להתאים את שכיחותם באופן אוטומטי על בסיס שלב הטיסה, שיפור יעילות וצמצום טרימבר.
• (ב) ויקרא: ויקרא: ויקרא: ויקרא: ויקרא י"ד): "כי ה' י"א ויקרא י"ד: "ה' [ב] ויקרא י"ד], ו[ה'] ,"כי יה' [ה'] ויקרא י"ד], ו'"וְהִנְהִנְהִנְהִנְתּרְתָּעֹאֱלֹאֱלֹאֱלֹאֱלֹלֹהָבְתּרֹהָבְתִּלֹהָבְתּבְתּרְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְהָבְהָבְהָבְהָבְהָבְהָבְהָבְתּבְהָבְהָבְהָבְּבְָּבְּבְּבְהָבְָּבְתּבְּבְהָבְָּבְהָ
• (FLT:0) אופטימיזציה של Wire:cioFLT:1 חוקי בקרה מתקדמים יכולים להירגע דרישות יציבות סטטיות, המאפשר זנבות קטנים יותר.המטוס הופך "יציבות מופחתת" ומסתמך על תיקונים מהירים במחשב.
• (FLT:0)Distributed Electric Propulsion (DEP) אינטגרציה:FLT:1 עיצובים eVTOL רבים להטביע מספר רב של מדחפים קטנים לאורך הזרוע או הזנב.אלה יכולים לפוצץ אוויר מעל ההתגלמות כדי להגדיל את השליטה, מושג המכונה "זנבים" (blowns) מאפשר משטחים קבועים קטנים יותר תוך שמירה על כוח במהירויות נמוכות.
• (FLT:0 Morphing Tail Structures: FIRLT:1) זנבות ניסיוניים שיכולים לשנות גיאומטריה - לדוגמה, ייצוב אופקי שיכול להדהד במהלך המרחף כדי להפחית את הגרור - נחקרים בעודם במחקר, הם מבטיחים רווחים משמעותיים.

מחקרים: קבלת פנים בעיצובים קיימים של VTOL

למידה מדוגמאות בעולם האמיתי מסייעת להבהיר את העקרונות שנידונו להלן הם שלושה מטוסי VTOL נציג וכיצד נוצרו דמים.

עבודה ב-S4

S4 הוא נוטה-rotor eVTOL עם שישה מדחפים מסודרים על כנף גבוהה ו- V-tail. V-tail נבחר לניקוי אווירודינמיקה ומשקל נמוך.הסולנים שלה מספקים הן המגרש והן את השליטה על שורת ים.הזנב בגודל לספק יציבות מקובלת במהלך השייט ולטפל בחוסר איזון אם אחד משישה בדיקות הטיסה נכשלות הראו כי יש צורך בסמכות מינימלית עבור מעבר Vsi הנדרש.

ליליום Jet

ה-Lillyum Jet משתמשת במערך המעריצים המטופח לאורך האגף ו- Canard (משטח אופקי קטן קדימה) אין לו שום מגנזה קונבנציונלית בגב; במקום זאת, המגרש והשליטה של yaw מושגים באמצעות נביטים שונים וקטורסים. עיצוב זה מדגים כי עבור כמה תצורה VTOL, את ההטבה ניתן לחדור לחלוטין או להפוך לסוג של משטח שונה, למעשה, את התפקיד של הסרתם של תפקוד הזנב.

בל V-280 Valor

זה נוטה צבאי VTOL משתמש גרף קונבנציונלי עם גדול אנכי כסף ו- T-tail. הזנב שומר על ייצוב האופקי מחוץ לסיבוב להתעורר במהלך המרחף, שיפור שליטה המגרש.הפיננס האנני הוא סחף היטב כדי להפחית את גרר במהירויות גבוהות.המגום בנוי בעיקר חומרים מורכבים כדי לעמוד מטרות משקל.

תחזוקה וגמישות

עבור פעולות VTOL מסחריות, עלויות תחזוקה מניעות אפשרויות עיצוב.ההמגש נחשף ללכלוך, קרח, ועופות ציפורים. משטחים שליטה דורשים צירים חזקים ומבצעים. יצרנים רבים מעצבים מטענים מודולריים שניתן להחליף במהירות. self-lubricating נושאים וcorrosion-resistresistresistresistresistresist-resistated מורכב להפחית את המרווחים תחזוקה בעתיד, בנוי חיישנים יכול לספק חיישנים מבניים כדי לפקח על בריאות, או סדקים, או סדקים.

מסקנה

ההתגלמות של מטוס VTOL אינה רק זנב - היא מערכת יציבות משולבת ובקרת כי חייב לתפקד ללא פגמים על פני מעטפה טיסה עצומה.משמירה על הכותרת בחופים לחיכות במהלך השייט, ההרכבה הזנב משפיעה ישירות על בטיחות, ביצועים, ונוחות נוסעים חייב לנווט בין יציבות, שליטה, משקל, ועלויות, כל בעוד חשבונאות עבור מבנים ייחודיים שנוצרו על ידי שילוב פעיל של עיצוב, כמו גם על פני השטח של פונקציות פיתוח פעיל.

(ב) ראו את הסקירה של ה-VTOL Aeroדינמיתsph:1, (FLT:2EASA התנאים המיוחדים של VTOLreaFLT 3: 3), ו-FLT:4a נייר טכני נאס"א על עיצוב זנב עבור מטוס VTOLFOVA:5).