Центр давления является точкой , где общая сумма давления поля действует на теле, в результате чего усилиядействовать через эту точку. Вектор полной силы, действующей в центре давления, представляет собой значение интегрированного векторного поля давления. Результирующая сила и расположение центра давления создают на теле силу и момент, эквивалентные исходному полю давления. Поля давления встречаются как в статической, так и в динамической механике жидкости. Указание центра давления, исходной точки, от которой отсчитывается центр давления, и связанный вектор силы позволяют вычислить момент, генерируемый вокруг любой точки, путем перевода из исходной точки в желаемую новую точку. Обычно центр давления располагается на теле, но в потоках жидкости поле давления может оказывать моментна теле такой величины, что центр давления находится вне тела. [1]
Гидростатический пример (плотина)
Поскольку силы воды на плотине являются гидростатическими , они изменяются линейно с глубиной. В этом случае общая сила, действующая на плотину, представляет собой интеграл давления, умноженный на ширину плотины в зависимости от глубины. Центр давления расположен в центре тяжести поля давления треугольной формы.от верхней части ватерлинии. Гидростатическая сила и опрокидывающий момент на дамбе вокруг некоторой точки могут быть вычислены из общей силы и местоположения центра давления относительно интересующей точки.
Историческое использование парусных лодок
Центр давления используется в конструкции парусной лодки для обозначения положения на парусе, где сосредоточена аэродинамическая сила .
Отношение аэродинамического центра давления на паруса к гидродинамическому центру давления (называемому центром бокового сопротивления ) на корпусе определяет поведение лодки на ветру. Такое поведение известно как «штурвал» и представляет собой либо штурвал погоды, либо подветренный штурвал. Некоторые моряки считают, что небольшая установка погодного руля является желательной ситуацией как с точки зрения «ощущения» руля, так и с точки зрения склонности лодки слегка поворачиваться на ветер при более сильных порывах ветра, в некоторой степени самостоятельно. оперение парусов. Другие моряки не согласны и предпочитают нейтральный штурвал.
Основная причина появления «руля», будь то погода или подветренная сторона, - это отношение центра давления в плане паруса к центру бокового сопротивления корпуса. Если центр давления находится позади центра бокового сопротивления, погодного штурвала, судно имеет тенденцию разворачиваться против ветра.
Если ситуация обратная, когда центр давления находится впереди центра поперечного сопротивления корпуса, в результате будет "подветренный" штурвал, который обычно считается нежелательным, если не опасным. Слишком большое количество руля нехорошо, так как оно заставляет рулевого держать руль отклоненным, чтобы противодействовать ему, тем самым вызывая дополнительное сопротивление, превышающее то, что могло бы испытать судно с нейтральным или минимальным рулем. [2]
Аэродинамика самолета
Устойчивая конфигурация желательна не только в мореплавании, но и в конструкции самолетов . Поэтому в конструкции самолетов заимствован термин «центр давления». И, как парус, жесткий несимметричный профиль создает не только подъемную силу, но и момент . Центр давления самолета - это точка, в которой все поле аэродинамического давления может быть представлено одним вектором силы без момента. [3] [4] Похожая идея - это аэродинамический центр, который представляет собой точку на аэродинамическом профиле, в которой момент тангажа, создаваемый аэродинамическими силами, постоянен с углом атаки . [5] [6] [7]
Аэродинамический центр играет важную роль в анализе продольной статической устойчивости всех летательных аппаратов. Желательно, чтобы при нарушении угла тангажа и угла атаки летательного аппарата (например, сдвигом ветра / вертикальным порывом ветра) летательный аппарат возвращался к своему первоначальному подрезанному углу тангажа и углу атаки без изменения пилотом или автопилотом управления. прогиб поверхности. Для того чтобы самолет вернулся в свое сбалансированное положение без участия пилота или автопилота, он должен иметь положительную продольную статическую устойчивость . [8]
Ракетная аэродинамика
Ракеты обычно не имеют предпочтительной плоскости или направления маневра и, следовательно, имеют симметричные аэродинамические поверхности. Поскольку центр давления для симметричных аэродинамических поверхностей относительно постоянен при небольшом угле атаки, инженеры-ракетчики обычно говорят о полном центре давления всей машины для анализа устойчивости и управляемости. При анализе ракет центр давления обычно определяется как центр дополнительного поля давления из-за изменения угла атаки от дифферентного угла атаки. [9]
Для неуправляемых ракет положение дифферента обычно представляет собой нулевой угол атаки, а центр давления определяется как центр давления результирующего поля потока на всю машину в результате очень малого угла атаки (то есть центр давления это предел, когда угол атаки стремится к нулю). Для обеспечения положительной устойчивости ракет общий центр давления транспортного средства, определенный, как указано выше, должен находиться дальше от носа транспортного средства, чем центр тяжести . В ракетах с меньшими углами атаки вклад в центр давления преобладает за счет носа, крыльев и оперения. Нормализованная производная коэффициента нормальной силы по углу атаки каждого компонента, умноженная на положение центра давления, может использоваться для вычисления центроида, представляющего общий центр давления. Центр давления добавленного поля потока находится за центром тяжести, а дополнительная сила «указывает» в направлении добавленного угла атаки; это создает момент, который толкает автомобиль обратно в положение дифферента.
В управляемых ракетах, в которых плавники могут перемещаться для балансировки транспортных средств под разными углами атаки, центр давления является центром давления поля потока при этом угле атаки для неотклоненного положения плавника. Это центр давления любого небольшого изменения угла атаки (как определено выше). Еще раз, для положительной статической устойчивости это определение центра давления требует, чтобы центр давления находился дальше от носа, чем центр тяжести. Это гарантирует, что любое увеличение сил, возникающее в результате увеличения угла атаки, приведет к увеличению восстанавливающего момента, чтобы вернуть ракету в исходное положение. При анализе ракет положительный статический запас означает, что вся машина создает восстанавливающий момент для любого угла атаки из положения дифферента.
Движение центра давления для аэродинамических полей
Центр давления на симметричный профиль обычно находится на расстоянии около 25% длины хорды за передней кромкой профиля. (Это называется «точкой четверти хорды».) Для симметричного профиля при изменении угла атаки и коэффициента подъемной силы центр давления не перемещается. Он остается около точки четверти хорды для углов атаки ниже угла атаки сваливания. Роль центра давления в характеристиках управления самолетом имеет иную форму, чем в ракетах.
На изогнутом профиле центр давления не занимает фиксированного положения. [10] Для аэродинамического профиля с традиционным изгибом центр давления находится немного позади точки четверти хорды при максимальном коэффициенте подъемной силы (большой угол атаки ), но по мере уменьшения коэффициента подъемной силы (уменьшения угла атаки) центр давления перемещается в сторону тыл. [11] Когда коэффициент подъемной силы равен нулю, аэродинамический профиль не создает подъемной силы, но обычно изогнутый аэродинамический профиль создает продольный момент тангажа, направленный вниз, так что центр давления находится на бесконечном расстоянии позади аэродинамического профиля.
Для крылового профиля с рефлекторным изгибом центр давления находится немного впереди точки четверти хорды при максимальном коэффициенте подъемной силы (большой угол атаки ), но по мере уменьшения коэффициента подъемной силы (уменьшения угла атаки) центр давления перемещается вперед. Когда коэффициент подъемной силы равен нулю, аэродинамический профиль не создает подъемной силы, но аэродинамический профиль с рефлекторно-изогнутым профилем создает момент тангажа, направленный вверх, так что центр давления находится на бесконечном расстоянии перед аэродинамическим профилем. Это направление движения центра давления на крыловой поверхности с выпуклым изгибом имеет стабилизирующий эффект.
То, как центр давления перемещается при изменении коэффициента подъемной силы, затрудняет использование центра давления в математическом анализе продольной статической устойчивости самолета. По этой причине при проведении математического анализа гораздо проще использовать аэродинамический центр . Аэродинамический центр занимает фиксированное положение на аэродинамическом профиле, обычно близко к точке четверти хорды.
Аэродинамический центр является концептуальной отправной точкой для продольной устойчивости. Горизонтальный стабилизатор способствует дополнительной стабильности и это позволяет центру тяжести быть небольшим расстоянием в кормовой части аэродинамического центра без летательного аппарата достигает нейтральную стабильность. Положение центра тяжести, при котором самолет имеет нейтральную устойчивость, называется нейтральной точкой .
Смотрите также
- Аэродинамический центр
- Аэродинамическая сила
- Аэропрогнозирование
- Центр бокового сопротивления
- Продольная статическая устойчивость
- Точка нулевого момента
Заметки
- ^ Flightwise Volume 2 Aircraft Stability and Control, Christopher Carpenter 1997, ISBN 1 85310 870 7 , стр.75
- ^ Marchaj, CA (1985). Теория и практика парусного спорта, переработанное издание. Патнэм. ISBN 978-0-396-08428-0
- Перейти ↑ Clancy, LJ, Aerodynamics , Section 5.3.
- ↑ Андерсон, Джон Д., Характеристики и конструкция самолета , раздел 2.3.
- ^ Престон, Рэй (2006). «Аэродинамический центр» . Текст по аэродинамике . Селкиркский колледж. Архивировано из оригинала на 2006-02-21 . Проверено 1 апреля 2006 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 5.10
- ↑ Андерсон, Джон Д., Характеристики и конструкция самолета , раздел 2.5.
- ^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , разделы 16.1 и 16.2
- ^ Мур, Ф.Г., Приближенные методы аэродинамики оружия, AIAA Progress in Astronatuics and Aeronautics, Volume 186
- ^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 5.6
- ^ Клэнси, LJ, Аэродинамика , Раздел 5.11
Рекомендации
- Хёрт, Хью Х. младший (январь 1965 г.). Аэродинамика для морских авиаторов . Вашингтон, округ Колумбия: Командование авиационных систем ВМС, ВМС США. С. 16–21. НАВВЭПС 00-80Т-80.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- Смит, Хуберт (1992). Иллюстрированное руководство по аэродинамике (2-е изд.). Нью-Йорк: TAB Books. С. 24–27 . ISBN 0-8306-3901-2.
- Андерсон, Джон Д. (1999), Летные характеристики и дизайн , McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8
- Клэнси, LJ (1975), Аэродинамика , Pitman Publishing Limited, Лондон. ISBN 0-273-01120-0