Podstawy budowy samolotów

[ShookTea]

Podstawy budowy samolotów
Prosto przedstawione, z obrazkami, od Keptina
Poprzez KubaAseph, który znalazł wersję EN, oraz mnie jako umiejętnego użytkownika Google Translate i Wikipedii.



PODSTAWY

Zanim zaczniemy się bawić, omówmy podstawy. Mam nadzieję, że wiesz już ze swych przygód z rakietami, czym jest środek masy (Center of Mass, używamy skrótu CoM). Teraz zajmiemy się więc środkiem siły nośnej (Center o Lift, CoL).

"Co to jest «środek siły nośnej»?", zapytacie.

Środek siły nośnej to punkt, gdzie suma nośności (generowanej przez powierzchnie nośne, np. skrzydła, powierzchnie kontrolne) wpływa na samolot. Siła nośna przechodzi właśnie przez ten punkt.



Te płaty działają jako powierzchnie nośne. Suma siły nośnej ma swój środek, jest nim właśnie CoL.

W KSP możesz przełączać wyświetlanie CoM (żółty) i CoL (niebieski) w hangarze SPH. Przełączniki są zlokalizowane pod listą części, w pobliżu przełącznika symetrii.

Teraz zajmiemy się balansem. Chcemy, by nasze CoM znajdowało się odrobinę przed CoL.



Jeśli CoL jest zbyt blisko CoM, samolot stanie się nadmiernie zwrotny (lub "nieutralnie stabilny"), ponieważ nie będzie próbował "spaść" w żadnym konkretnym kierunku. CoL jest z tyłu, ponieważ chcemy, by samolot "spadał" do przodu.

Im bardziej CoL jest oddalone od CoM, tym bardziej samolot będzie przechylał się w stronę CoM.



Aby lepiej wytłumaczyć tą relację...

Obrazek przedstawia mały model samolotu utrzymywany na sznurku. Punkt, w którym sznurek jest przyczepiony do samolotu, działa jak CoL.



Jeśli budujesz samolot, który ma swoje CoL zbyt wysunięte na przód w stosunku do CoM, jest to jak przymocowanie sznurka do nosa samolotu - po starcie będzie przechylał się do góry i zrobi fikołka. Jeśli z kolei CoL jest znacznie poniżej CoM, będzie to jak przyczepienie sznurka pod samolotem. Gdy podniesiemy sznurkiem samolot, obróci się "na plecy".



Lokacja i orientacja powierzchni nośnych wpływa na CoL, ale tym się już zajęliśmy. Teraz omówmy inną potencjalnie śmiertelną moc, środek siły ciągu (Center of Thrust, CoT) - fioletowy kolor w edytorze w KSP.

CoT jest siłą ciągu całego samolotu, będącą sumą sił ciągu wszystkich silników. Jeśli twój samolot ma tylko jeden silnik, CoT tego silnika jest jednocześnie CoT całego samolotu.



Teraz jest całkiem nieźle, bo CoT twojego silnika jest w jednej linii z centrum masy. A co, jeśli by tak nie było? Jest to nazywane ciągiem asymetrycznym...



... i wtedy sprawy toczą się ciekawiej.



Asymetryczny ciąg działa jak drążek przymocowany do samolotu - możemy to zrekompensować przez dodawanie powierzchni kontrolnych, ale (i tu jest ta "ciekawsza" część) efektywność tych powierzchni zmienia się wraz z prędkością i gęstością powietrza.

Zatem wraz ze zmianą prędkości i wysokości, musimy ciągle zmieniać kolejne ustawienia (lub użyć ASAS. Jest to w końcu MechJeb niebios).



Nawet jeśli użyjesz ASAS, wraz ze wzrostem wysokości osiągniesz punkt, gdzie powierzchnie kontrolne tracą możliwość przeciwdziałania asymetrycznemu ciągowi z powodu małej gęstości atmosfery.

Możemy również zamontować silnik zwrócony silnikiem w górę, dzięki czemu wektor ciągu pomoże w utrzymaniu samolotu w stabilnej pozycji. Niestety, szybko stanie się to skomplikowane - trudno znaleźć odpowiedni kąt i położenie, oprócz tego nadal będziesz głęboko w... rowie w kosmosie.



Właśnie dlatego wiele designów samolotów układa silniki w linii z centrum masy.



Co działa dobrze, dopóki jeden silnik wypali się na dużej wysokości przed innym...



...i wpadniesz w ruch wirowy.
Równoleżnikowy ciąg asymetryczny zrujnuje ci dzień.

Na koniec "podstaw", powierzchnie kontrolne. Są to ruchome części, które pozwalają na kontrolowanie samolotu. Działają trochę jak dźwignie na centrum masy: im dalej od CoM, tym większy moment obrotowy zapewnią.



Te niebieskie są nazywane "elevon" (od połączenia słów "elevator" i "aileron"). Pełnią funkcję lotek (czyli "aileronów") i sterów wysokości (czyli "elevatorów"). Powierzchnia kontrolna zapewnia nośność, ale także wywołują opór; elevony redukują ilość części, co jednocześnie redukuje opór. Wyzwanie: spróbuj sprawdzić, jak niewielu elevonów potrzebujesz. Po kilku eksperymentach będziesz zapoznany ze wszystkimi możliwymi głupimi konfiguracjami.


CDN.
Wszelkie uwagi wykrzyczeć na mnie.

[Haker53535]

************************************************************************************
Jestem przedziałką.

************************************************************************************

[ShookTea]

SKRZYDŁA

Odkryjmy magiczny świat skrzydeł! Zacznijmy od współczynnika długości skrzydeł. Jest to długość skrzydeł podzielona przez szerokość.



Każdy ze współczynników ma taką samą powierzchnię skrzydeł, ale ich kształt ma różne wady i zalety. Te różnice są nawet bardziej dramatyczne w trakcie korzystania z moda FAR (Ferram Aerospace Research), które wprowadza bardziej realistyczny model oporu, zmieniając sposób KSP na wyliczanie aerodynamiki.

Lubię korzystać głównie ze skrzydeł o dużym współczynniku długość:szerokość, ponieważ są one w grze łatwiejsze do kontroli, a strukturalnie działają tak samo, jak te o małym współczynniku.



Zajmijmy się teraz przechyleniem skrzydeł, czyli kątem, pod jakim skrzydła są przechylone do tyłu względem "ciała" samolotu. Widzieliśmy wielokrotnie tak przechylone skrzydła, ale co to daje?



W chwili, gdy samolot osiąga prędkość dźwięku (1 mach), fala uderzeniowa tworzy się wokół skrzydeł, ponieważ część powietrza obok nich również przekracza prędkość dźwięku. Przesunięcie skrzydeł zmniejsza opór powietrza poprzez redukcję zakrzywienia ciała samolotu widocznego z perspektywy przepływu powietrza.



Najkrótsza droga między dwoma punktami to linia prosta. Ponieważ przepływ powietrza nad przesuniętymi skrzydłami przebywa dłuższą drogę, zakrzywienie, jakie odczuwa przy pokonywaniu skrzydła nie jest tak wysokie, dzięki czemu nie odczujemy fali uderzeniowej (dopóki jeszcze bardziej nie przyspieszymy).

W KSP przekrzywienie skrzydeł robi NIC. Model oporu nie zwraca na nie uwagi i nie daje żadnych efektów, poza czysto estetycznymi. Aby używać poprawnie tych skrzydeł, należy zainstalować mod FAR.

MODEL OPORU W KSP JEST DURNY

Ok, to, co teraz omówi, akurat się liczy. Zajmiemy się pionowym położeniem skrzydeł względem ciała samolotu oraz ich przechylenia. Jeśli skrzydła są proste, CoL będzie znajdowało się między nimi. W razie przechylenia skrzydeł, będzie się przesuwało w pionie: jeśli skrzydła są przechylone w dół, CoL również się zniży.

Podwyższanie CoL sprawia, że samolot staje się bardziej stabilny, z kolei obniżanie powoduje wzrost możliwości manewrowych (ale jednocześnie utratę stabilności).

Możemy kontrolować stabilność przez umieszczanie skrzydeł wyżej lub niżej względem kadłuba samolotu oraz przechylania ich w górę lub w dół.



Eksperymentuj z kombinacjami skrzydeł w celu osiągnięcia praktycznych efektów.



Na koniec tej części, krótka notka na temat powierzchni skrzydeł w KSP: nie potrzebujesz zbyt wiele. Są dwa sposoby na wygenerowanie większej siły nośnej:
-większa powierzchnia skrzydeł
-większa prędkość

Dołączanie kolejnych skrzydeł zwiększa opór, spowalniając cię, ale ma też swoje zalety, jak zmniejszenie prędkości przeciągnięcia (minimalnej prędkości wymaganej do utrzymania stałej wysokości). Pozwoli to na startowanie i lądowanie na krótszym "rozbiegu".

Zbyt wiele skrzydeł i powierzchni kontrolnych może spowodować, że samolot będzie trudny w sterowaniu - małe korekty spowodują dramatyczne zmiany w kierunku lotu. Masa twojego samolotu oraz oraz planowana prędkość podróżna/przeciągnięcia będzie determinować, ile siły nośnej powinieneś wygenerować.

CDN.

[KubaAseph]

Naprawdę dobra robota! Przyda się zarówno nowym, jak i doświadczonym graczom.
Tylko mój nick nie odmienia się przez przypadki, popraw to.

[angorek]

Trochę to pomotane przy tej prędkości dźwięku. W szkole mnie uczyli że skrzydła w samolotach naddźwiękowych są skośne przede wszystkim po to by odpowiednio kształtować i "odbijać" falę uderzeniową. Wczesne konstrukcje miały prostokątne skrzydła i zdarzało się że fala uderzeniowa niszczyła usterzenie ogonowe. Dodatkowo warto wspomnieć że samoloty poddźwiękowe mają dzioby i krawędzie natarcia skrzydeł zaokrąglone, natomiast samoloty naddźwiękowe mają te elementy ostre.
W realu projektując samolot trzeba pamiętać o odpowiednim umieszczeniu wszelkich elementów na kadłubie tak by powstający za nimi obszar niskiego ciśnienia nie wpływał na właściwości lotne, np. przy locie na klapach i dużych kątach natarcia może się okazać że stery ogonowe są bezużyteczne bo znajdują się w obszarze niskiego ciśnienia, ale nie mam pojęcia czy FAR to uwzględnia.

[DragonsNightmare]

No i fajnie, że ten poradnik został przetłumaczony. Większość spokojnie dałaby radę po angielsku, ale po polsku zawsze się przyjemniej(przynajmniej mi) czyta i nie każdy zna angielski. Szkoda, że obliczanie oporu w KSP jest tak banalne, lub nawet nie ma go wcale. Nic nie szkodzi, by zostawić wielką, płaską krawędź, to i tak nie wpłynie na osiągi pojazdu. Czekam z niecierpliwością na tą nową aerodynamikę w 1.0, ciekawe ile z moich maszyn będzie wymagało przeprojektowania?

[ShookTea]

KubaAseph fix'd
angorek ja tu tylko "translatoruję". Ja nie awionik, ja ino informatyk Bij tego "Keptina", chyba, że udowodnisz mi, że pomyliłem się przy tłumaczeniu
kamils096 to nie całość, jeszcze mi trochę zostało. A ciekawe porównanie Stock vs. FAR widziałem u p. Manleya: puścił dwa boostery. Na jednym był na szczycie "nos", drugi był płaski. W stocku płaski leciał szybciej, bo był lżejszy. W FAR też na początku leciał trochę szybciej, ale ponieważ FAR uwzględnia opór rosnący wraz z prędkością, bardzo szybko wersja z nosem go wyprzedziła.

[Haker53535]

************************************************************************************
Jestem przedziałką.

************************************************************************************

[ShookTea]

KĄT ATAKU, KĄT ZAKLINOWANIA PŁATA*

Dalej zajmując się tematem skrzydeł, omówmy szybko kąt ataku (Angle of Attack, AoA). Kąt ataku to kąt nachylenia powierzchni nośnej (np. skrzydeł) względem kierunku powietrza.

Słowem "stall", "stallowanie" ("przeciągnięcie") określa się w aeronautyce sytuację, w której AoA przekroczy wartość maksymalną dla płata i/lub prędkość powietrza jest niewystarczająca, by wywołać opływ powietrza. W zaznaczonym na różowo kolorze obszarze powstaje niskie ciśnienie, powietrze przelatuje nad skrzydłem i jest zasysane z powrotem, tworząc duży opór, utratę stateczności i kontroli.*



Im większy AoA, tym więcej generowanej siły nośnej... do punktu tzw. krytycznego AoA, po którym AoA jest zbyt duże i pojawia się przeciągnięcie. W KSP krytyczne AoA wynosi około 20 stopni.

To wprowadza nas do tzw. kąta zaklinowania płata* (Angle of Incidence, AoI), które wskazuje na kąt nachylenia skrzydła względem kadłuba samolotu. Zwiększanie AoI zwiększa AoA, produkując więcej nośności, ale jednocześnie zwiększając opór powietrza.



Możesz pomyśleć "Och, to dość sprawiedliwe", ale robi się coraz bardziej skomplikowane - AoI wpływa na sposób, w jaki leci samolot. Skrzydło z dodatnim kątem zaklinowania płata ma inne propocje w sile nośnej w trakcie zmian otoczenia (prędkość, gęstość powietrza itd.) z powodu zwiększonego AoA. W prostych słowach, przechylone skrzydła "główne" będą produkować więcej siły nośnej w porównaniu to poziomych stabilizatorów. Zilustrujmy to:



Ponieważ główne skrzydło produkuje nieproporcjonalnie więcej siły nośnej od poziomych stabilizatorów, wraz z polepszaniem się warunków (prędkości etc.) będziemy musieli kontrolować przechył samolotu, by zabezpieczyć go od samoczynnego zwiększania nachylenia w górę. Jednocześnie w gorszych warunkach będziemy musieli zabezpieczać samolot przed opadaniem.



W KSP samolot zaprojektowany z zerowym AoI jest łatwiejszy w kontroli, ale są powody, by AoI zwiększyć:
-ustalenie nachylenia idealnego lotu
-nie trzeba w trakcie startu próbować mocno przechylać nos samolotu w górę (co zapobiega uderzaniu ogonem samolotu w podłoże)


* z podziękowaniami dla angorka.

[Schulze13]

Niezmiernie ciekawy poradnik, dobre wykonanie. Widać wysoki czynnik napracowania.
Ogólna ocenia. Bardzo mocne 2/10.

[ShookTea]

not7CD, co ty tu robisz? Dziękuję za zamówioną przedziałkę

KÓŁKA

Zejdziemy teraz na ziemię i zajmiemy się podwoziem. Oto kilka najpopularniejszych konfiguracji:



Trycykl jest dobry na start: łatwiejszy w implementacji od kwadrycyklu i łatwiejszy w lądowaniu od bicyklu i trycyklu odwróconego.

Kluczem jest umieszczenie tylnich kół tuż za centrum masy, dzięki czemu samolot mógłby się na nich dobrze oprzeć i wychylić nos do góry w trakcie startu, a jednocześnie niezbyt blisko CoM, by nie ryzykować uderzenia ogonem w powierzchnię.

Pozycja podwozia względem CoM dla dobrego startu:



Jeśli z pewnego powodu chcemy umieścić tylnie koła bardziej z tyłu od CoM, powinniśmy umieścić je wyżej od przednich kół. Dzięki temu samolot będzie na pasie startowym przechylony lekko w góry. Zwiększy to AoA skrzydeł, wygeneruje więcej siły nośnej i pozwoli na łatwiejszy start.



Koła powinny być umieszczone w taki sposób, by w trakcie startu samolot wymagał możliwie jak najmniejszego ruchu tylnich sterów wysokości. Najlepszy efekt to sytuacja, w której bez wciskania klawisza "S" samolot po osiągnięciu pewnej prędkości startuje sam.

Podany wyżej przykład wykorzystuje podniesiony wyżej przód samolotu, by automatycznie wystartować po osiągnięciu odpowiedniej prędkości. Można tego używać we wszystkich samolotach w KSP, bo redukuje to ryzyko uderzenia ogonem w podłoże.

Plusy i minusy dodatniego i ujemnego AoA w trakcie startu:





Typowy problem podwozia?
Zbaczanie z kursu.



To może oznaczać tylko jedno: twoje kółka nie są równe. Mogą być tego trzy powody:
1) nie są proste w edytorze: idealnie, koła są dokładnie prostopadłe do podłoża i wycelowane prosto przed siebie.
2) nadmierna siła wycelowana w jedno lub więcej kół sprawia, że niszczą się.



3) niesymetryczne siły sprawiają, że niektóre koła stają się nieefektywne.



Rozwiązania:
-Wyprostuj koła w edytorze
-Wzmocnij koła i/lub części, do których koła są przymocowane, za pomocą taśmy
-podziel masę pojazdu między większą ilość kół
-zmniejsz masę padającą na dane koło przez przesunięcie lub usunięcie elementów
-daj więcej powierzchni kontrolnych, by wyrównać siły (Standardowe Rozwiązanie Kerbalskie™)







OPÓR

KSP używa bardzo prostego modelu oporu. Im więcej masy dodasz, tym większy opór otrzymasz. Opływowy kształt? A po co to?!

No właśnie. Po co to? Zgadnij, która z tych dwóch rakiet wyprodukuje w KSP MNIEJSZY opór? Z owiewkami czy bez?



Każda część ma wartość "maksymalny opór" (u większości jest to 0.2). Jest to mnożnik używany przy wyliczaniu oporu każdej części w następujący (uproszczony) sposób:

Siła oporu = Gęstość powietrza × Prędkość powierzchniowa² × Maksymalny opór × Masa

Zauważ, że siła oporu bazuje na masie i na mnożniku maksymalnego oporu. Jest więc niezależne od ilości części. Zmniejszanie masy zmniejszy więc również opór. Sprawia to, że samoloty bez zaokrąglonych końców będą nadal możliwe do kontroli, a także - dzięki mniejszej masie - będą wytwarzać mniejszy opór.

Oznacza to, że jeśli chcesz, by to:



działało lepiej od tego:



będziesz musiał użyć moda, który zmienia sposób wyliczania oporu w KSP na bardziej realistyczny poprzez zastąpienie modelu oporu. Takim modem jest FAR - Ferram Aerospace Research. I ♥ Ferram. Właśnie dlatego zawsze, gdy to tylko możliwe, instaluję FARa.


Myślę, że to wystarczająca ilość wiedzy koniecznej do budowania dobrych samolotów. Jestem pewny, że jesteś już podekscytowany swoimi przyszłymi lotniczymi przygodami! Powodzenia!

[SPS 22]

Dobry poradnik. Jakby można było to przy omawianiu środka masy względem środka siły nośnej warto wspomnieć o rozmieszczeniu zbiorników z paliwem w przypadku dużych maszyn i kolejności ich opróżniania, bo ma to duże znaczenie zwłaszcza w maszynach transportowych. Ile razy było tak, że zatankowana i obciążona maszyna latała dobrze, a po spaleniu połowy paliwa zaczynała wariować tylko dlatego, że przesunął się środek ciężkości.

I jeszcze opisać wloty powietrza i ich działanie. Jakich, ile i jak montować.

[ShookTea]

To tylko tłumaczenie angielskiego tekstu. Jest napisane obok tytułu, ale zapomniałem, że nikt się tam nie patrzy

[winged]

Dobry poradnik. Jakby można było to przy omawianiu środka masy względem środka siły nośnej warto wspomnieć o rozmieszczeniu zbiorników z paliwem w przypadku dużych maszyn i kolejności ich opróżniania, bo ma to duże znaczenie zwłaszcza w maszynach transportowych. Ile razy było tak, że zatankowana i obciążona maszyna latała dobrze, a po spaleniu połowy paliwa zaczynała wariować tylko dlatego, że przesunął się środek ciężkości.

I jeszcze opisać wloty powietrza i ich działanie. Jakich, ile i jak montować.

Jeśli chcesz wyjść na orbitę na samych turbojetach to ok. 13-14 ram air intake na jednego turbojeta. Montować można przyczepiając cubic octagonal strut z boku zbiornika.

[angorek]

Angle of Incidence to kąt zaklinowania płata a nie kąt padania Polecam :
-Dla samolotów atmosferycznych <240m/s < 11-12km Od 2 do 7 stopni
-Dla samolotow szybkich >240m/s i orbitalnych 0-2 ale raczej lepiej trzymać się 0, lepiej ustawiony wektor ciągu i większa kontrola nad wytwarzaną siłą nośną na dużych prędkościach. Polecam stosowanie klap do lądowania jeśli używamy FAR. ( maks 45* )

Stall to po polsku przeciągnięcie i przeciąganie. Powstaje gdy AoA przekroczy wartosc maks. dla płata i/lub prędkość powietrza jest niewystarczająca by wywołać opływ. Przy przeciącgnięciu następuje oderwawnie strug od skrzydła i w zaznaczonym na różowo kolorze powstaje obszar niskiego ciśnienia, powietrze przelatuje nad skrzydłem i jest zasysane spowrotem tworząc duży opór, utratę stateczności i kontroli. Spada siła nośna, samolot zaczyna spadać, przeciągnięcie sie pogłębia za sprawą zmiany wektora przepływu powietrza, i po chwili mamy piękny korkociąg Wyjście z przeciągnięcia jest stosunkowo proste, pełny gaz i dziób w dół Z korkociągu stromego ( spirala)  wychodzimy ujmując lekko gaz, ster kierunku przeciwnym do obrotu i dziób w dół, po odzyskaniu kontroli gaz w podłogę i prostujemy lot. Z płaskiego wyjść ciężko, a często nie da się wyjść w ogóle. Ogółem wygląda to podobie do stromego z tym ze od początku gaz w podłogę, a gdy samolot nie chce się pochylić, staramy się go rozbujać