Negativ girning
Negativ girning är den naturliga och oönskade tendensen för ett flygplan att gira i motsatt riktning av en rullning . Det orsakas av skillnaden i lyft och drag för varje vinge. Effekten kan minimeras avsevärt med skevroder avsiktligt utformade för att skapa drag när de avböjs uppåt och/eller mekanismer som automatiskt applicerar en viss mängd koordinerat roder . Eftersom de huvudsakliga orsakerna till ogynnsam girning varierar med lyftkraften, kommer alla mekanismer med fast kvot att misslyckas med att helt lösa problemet under alla flygförhållanden och därför kommer alla manuellt manövrerade flygplan att kräva en viss mängd roderinmatning från piloten för att upprätthålla en samordnad flygning .
Historia
Negativ girning upplevdes först av bröderna Wright när de inte kunde utföra kontrollerade svängar i deras segelflygplan från 1901 som inte hade någon vertikal kontrollyta. Orville Wright beskrev senare segelflygplanets brist på riktningskontroll.
Orsaker
Negativ girning är en sekundär effekt av lutningen av lyftvektorerna på vingen på grund av dess rullningshastighet och av appliceringen av skevroder. Vissa pilotutbildningsmanualer fokuserar huvudsakligen på det extra motståndet som orsakas av det nedåtböjda skevroder och nämner endast korta eller indirekta rolleffekter. I själva verket orsakar rullningen av vingarna vanligtvis en större effekt än skevroder. Om man antar en rullhastighet till höger, som i diagrammet, förklaras orsakerna enligt följande:
Lyftvektoravböjning under rullning
Under en positiv rullande rörelse rör sig vänster vinge uppåt. Om ett flygplan på något sätt var upphängt i luften utan någon annan rörelse än en positiv rullning, kommer luft från den vänstra vingens synvinkel att komma ovanifrån och träffa vingens övre yta. Således kommer den vänstra vingen att uppleva en liten mängd mötande luftflöde enbart från den rullande rörelsen. Detta kan konceptualiseras som en vektor som härrör från vänster vinge och pekar mot den mötande luften under den positiva rullningen, dvs vinkelrätt uppåt från vänster vingens yta. Om detta positivt rullande flygplan dessutom rörde sig framåt under flygning, kommer vektorn som pekar mot den mötande luften att vara mestadels framåt på grund av framåtgående flygning, men också något uppåt på grund av den rullande rörelsen. Detta är den streckade vektorn som kommer från vänster vinge i diagrammet.
För vänster vinge på ett framåtgående flygplan gör sålunda en positiv rullning att den mötande luften böjs något uppåt. På motsvarande sätt minskar vänstervingens effektiva anfallsvinkel på grund av den positiva rullningen. Per definition är lyftet vinkelrätt mot det mötande flödet. Den uppåtriktade avböjningen av mötande luft gör att lyftvektorn böjs bakåt . Omvänt, när den högra vingen sjunker, böjs dess vektor som pekar mot den mötande luften nedåt och dess lyftvektor avböjs framåt . Bakåtböjningen av lyftet för vänster vinge och den framåtriktade avböjningen av lyftet för högervingen resulterar i ett ogynnsamt girmoment åt vänster, mitt emot den avsedda högersvängen. Detta negativa girmoment är endast närvarande när flygplanet rullar i förhållande till den omgivande luften och försvinner när flygplanets krängningsvinkel är stabil.
Inducerat motstånd
Att initiera en roll åt höger kräver ett kortvarigt större lyft till vänster än till höger. Detta orsakar också ett större inducerat drag till vänster än till höger, vilket ytterligare ökar den negativa girningen, men bara kort. När väl en jämn rullhastighet har etablerats minskar lyftobalansen mellan vänster och höger, medan de andra mekanismerna som beskrivs ovan kvarstår.
Profildrag
Den nedåtriktade skevrodens avböjning till vänster ökar vingprofilen, vilket vanligtvis ökar profilens motstånd . Omvänt kommer den uppåtriktade skevrodens avböjning till höger att minska vridningen och profilmotståndet. Obalansen i profilen bidrar till den negativa girningen. Ett Frize skevroder minskar detta obalansmotstånd, som beskrivs ytterligare nedan.
Minimera den negativa girningen
Det finns ett antal flygplansdesignegenskaper som kan användas för att minska negativ girning för att underlätta pilotens arbetsbelastning:
Girstabilitet
En stark riktningsstabilitet är det första sättet att minska negativ girning. Detta påverkas av det vertikala svansmomentet (område och hävarm kring gravitationscentrum).
Lyftkoefficient
Eftersom lutningen av vänster/höger lyftvektorer är den främsta orsaken till negativ girning, är en viktig parameter storleken på dessa lyftvektorer, eller flygplanets lyftkoefficient för att vara mer specifik. Flygning med låg lyftkoefficient (eller hög hastighet jämfört med lägsta hastighet) ger mindre negativ girning.
Skevroder till roderblandning
Som avsett är rodret det mest kraftfulla och effektiva sättet att hantera girning, men att mekaniskt koppla det till skevroder är opraktiskt. Elektronisk koppling är vanligt förekommande i fly-by-wire-flygplan.
Differentialskevroder
Geometrin för de flesta skevroderslänkar kan konfigureras för att förspänna färden längre uppåt än nedåt. Genom att för mycket avleda skevroden uppåt, ökas profilmotståndet snarare än minskat och separationsmotståndet hjälper ytterligare till att producera motstånd på insidan av vingen, vilket skapar en girkraft i svängens riktning. Även om den inte är lika effektiv som roderblandning, är skevrodersdifferential mycket lätt att implementera på nästan vilket flygplan som helst och erbjuder den betydande fördelen att minska tendensen för vingen att stanna vid spetsen först genom att begränsa den nedåtriktade skevrolsavböjningen och dess associerade effektiva ökning av vinkeln av attack.
De flesta flygplan använder denna metod för negativ girdämpning - särskilt märkbar på ett av de första välkända flygplanen som någonsin använde dem, de Havilland Tiger Moth träningsbiplan från 1930-talet - på grund av den enkla implementeringen och säkerhetsfördelarna.
Frise skevroder
Frise skevroder är utformade så att när uppåtriktad skevroder appliceras kommer en del av skevrodens främre kant att sticka ut nedåt i luftflödet, vilket orsakar ökat motstånd på denna (nedåtgående) vinge. Detta kommer att motverka draget som produceras av den andra skevroden, vilket minskar negativ girning.
Tyvärr, förutom att minska negativ girning, kommer Frise skevroder att öka flygplanets totala motstånd mycket mer än att tillämpa roderkorrigering. Därför är de mindre populära i flygplan där det är viktigt att minimera luftmotståndet (t.ex. i ett segelflygplan ).
Obs: Frise skevroder var främst utformade för att minska rullningskontrollkrafterna. I motsats till illustrationen är skevroders framkant i själva verket avrundad för att förhindra flödesseparering och fladder vid negativa avböjningar. Det förhindrar viktiga differentiella dragkrafter.
Rullspoilers
På stora flygplan där roderanvändning är olämplig vid höga hastigheter eller skevroder är för små vid låga hastigheter, kan rullspoilers (även kallade spoilerons ) användas för att minimera negativ girning eller öka rullningsmomentet. För att fungera som sidostyrning höjs spoilern på den nedåtgående vingen (uppåtgående skevroder) och förblir indragen på den andra vingen. Den upphöjda spoilern ökar motståndet, så girningen är i samma riktning som rullen.
Referenser och anteckningar
Insamling av testdata för balanserade skevroder, FM Rogallo, Naca WR-L 419