โหมดไดนามิกของเครื่องบิน

เสถียรภาพแบบไดนามิกของเครื่องบินหมายถึงพฤติกรรมของเครื่องบินหลังจากถูกรบกวนหลังจากบินนิ่งโดยไม่แกว่งไปมา^{[ 1 ]}

การเคลื่อนที่ แบบสั่นสามารถอธิบายได้ด้วยพารามิเตอร์สองตัว คือ ระยะเวลาที่ใช้ในการสั่นครบหนึ่งรอบ และระยะเวลาที่ใช้ในการลดความแรงของการสั่นลงครึ่งหนึ่ง หรือระยะเวลาที่ใช้ในการเพิ่มความแรงของ การสั่นเป็น สองเท่าสำหรับการเคลื่อนที่ที่ไม่เสถียรทางพลศาสตร์ การเคลื่อนที่ตามแนวยาวประกอบด้วยการสั่นสองแบบที่แตกต่างกัน คือการสั่นที่มีคาบยาวเรียกว่า โหมด ฟูกอยด์และการสั่นที่มีคาบสั้นเรียกว่าโหมดคาบสั้น

โหมดที่มีคาบยาวกว่า เรียกว่า "โหมดฟูไกด์" คือโหมดที่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วลม มุมเงย และระดับความสูงอย่างมาก แต่แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงมุมปะทะ การแกว่งของฟูไกด์เป็นการแลกเปลี่ยนพลังงานจลน์(ความเร็ว) และพลังงานศักย์ (ความสูง) อย่างช้าๆ รอบระดับพลังงานสมดุลบางระดับ ขณะที่เครื่องบินพยายามกลับคืนสู่สภาวะการบินระดับสมดุลที่ถูกรบกวน การเคลื่อนที่ช้ามากจนผลกระทบของทั้งแรงเฉื่อยและ แรง หน่วงมีน้อยมาก อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแรงหน่วงจะอ่อนมาก แต่คาบเวลานั้นยาวมากจนนักบินมักจะแก้ไขการเคลื่อนที่นี้โดยอัตโนมัติโดยไม่รู้ตัวว่ามีการแกว่งเกิดขึ้น โดยทั่วไปคาบเวลาจะอยู่ที่ 20-60 วินาที การแกว่งนี้โดยทั่วไปสามารถควบคุมได้โดยนักบิน

โหมดที่มีช่วงเวลาสั้นกว่านี้ไม่มีชื่อเรียกเฉพาะ จึงเรียกง่ายๆ ว่า "โหมดช่วงเวลาสั้น" การเคลื่อนที่นี้คือการโยกตัวของเครื่องบินอย่างรวดเร็วรอบจุดศูนย์ถ่วง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นการเปลี่ยนแปลงมุมปะทะ โหมดช่วงเวลาสั้นเป็นการแกว่งที่มีช่วงเวลาเพียงไม่กี่วินาที ซึ่งมักจะถูกลดทอนอย่างมากโดยการมีอยู่ของพื้นผิวรับแรงยกที่อยู่ห่างจากจุดศูนย์ถ่วงของเครื่องบิน เช่น หางแนวนอนหรือคานาร์ด เวลาที่ใช้ในการลดแอมพลิจูดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเดิมมักจะอยู่ที่ประมาณ 1 วินาที ความสามารถในการลดแอมพลิจูดลงอย่างรวดเร็วเมื่อขยับคันบังคับเพียงชั่วครู่เป็นหนึ่งในเกณฑ์หลายประการสำหรับการรับรอง เครื่องบิน ทั่วไป

โหมด "ทิศทางด้านข้าง" เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบหมุนและการเคลื่อนที่แบบหันเห การเคลื่อนที่ในแกนใดแกนหนึ่งมักจะส่งผลต่อการเคลื่อนที่ในอีกแกนหนึ่งเสมอ ดังนั้นโดยทั่วไปจึงเรียกโหมดเหล่านี้ว่า "โหมดทิศทางด้านข้าง" ^{[หมายเหตุ 1 ]}

การเคลื่อนที่แบบไดนามิกในแนวด้านข้างมี 3 ประเภทที่เป็นไปได้ ได้แก่ โหมดการทรุดตัวแบบม้วน โหมดการหมุนวน และโหมดการม้วนตัวแบบดัตช์

โหมดการลดการหมุน (Roll subsidence mode) คือการลดการเคลื่อนที่แบบหมุนนั่นเอง ไม่มีแรงโมเมนต์ทางอากาศพลศาสตร์โดยตรงที่เกิดขึ้นเพื่อคืนปีกให้กลับสู่ระดับ กล่าวคือ ไม่มี "แรง/โมเมนต์สปริง" ที่กลับคืนมาซึ่งเป็นสัดส่วนกับมุมการหมุน อย่างไรก็ตาม มีโมเมนต์หน่วง (เป็นสัดส่วนกับอัตรา การหมุน) ที่เกิดขึ้นจากการหมุนรอบแกนของปีกยาว สิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้อัตราการหมุนสูงขึ้นเมื่อมีการป้อนคำสั่งควบคุมการหมุน หรือจะหน่วง อัตราการหมุน(ไม่ใช่มุม) ให้เป็นศูนย์เมื่อไม่มีการป้อนคำสั่งควบคุมการหมุน

โหมดการหมุนสามารถปรับปรุงได้ด้วย ผลกระทบจากมุม ยกปีกที่เกิดจากลักษณะการออกแบบ เช่น ปีกสูง มุมยกปีก หรือมุมกวาด

การเคลื่อนที่ด้านข้างแบบที่สองคือการเคลื่อนที่แบบแกว่งไปมาผสมผสานระหว่างการหมุนและการหันเห เรียกว่า การหมุนแบบดัตช์ (Dutch roll) อาจเป็นเพราะความคล้ายคลึงกับการเคลื่อนที่บนน้ำแข็งที่มีชื่อเดียวกันซึ่งนักสเก็ตชาวดัตช์ใช้ ที่มาของชื่อนี้ยังไม่ชัดเจน การหมุนแบบดัตช์อาจอธิบายได้ว่าเป็นการหันเหและหมุนไปทางขวา ตามด้วยการกลับคืนสู่สภาวะสมดุล จากนั้นเลยสภาวะนี้ไปและมีการหันเหและหมุนไปทางซ้าย จากนั้นกลับผ่านสภาวะสมดุล และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป โดยปกติแล้วช่วงเวลาจะอยู่ที่ประมาณ 3-15 วินาที แต่สามารถแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่วินาทีสำหรับเครื่องบินขนาดเล็กไปจนถึงหนึ่งนาทีหรือมากกว่านั้นสำหรับเครื่องบินโดยสาร การหน่วงจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีเสถียรภาพในการควบคุมทิศทางสูงและมุมยกปีกเล็ก และจะลดลงเมื่อมีเสถียรภาพในการควบคุมทิศทางต่ำและมุมยกปีกสูง แม้ว่าโดยปกติแล้วการเคลื่อนที่จะมีเสถียรภาพในเครื่องบินทั่วไป แต่การเคลื่อนที่อาจถูกหน่วงเล็กน้อยจนทำให้ผลกระทบนั้นไม่พึงประสงค์และไม่น่าพึงพอใจ ในเครื่องบินปีกกวาด การหมุนตัวแบบดัตช์ (Dutch roll) จะแก้ไขได้โดยการติดตั้ง ตัวลดการสั่นสะเทือนของแกน หมุน (yaw damper)ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วก็คือระบบควบคุมการบินอัตโนมัติแบบพิเศษที่ช่วยลดการสั่นสะเทือนของแกนหมุนโดยการปรับหางเสือ เครื่องบินปีกกวาดบางลำอาจมีปัญหาการหมุนตัวแบบดัตช์ที่ไม่เสถียร หากการหมุนตัวแบบดัตช์ถูกลดการสั่นสะเทือนน้อยมากหรือไม่เสถียร ตัวลดการสั่นสะเทือนของแกนหมุนจะกลายเป็นข้อกำหนดด้านความปลอดภัยมากกว่าความสะดวกสบายของนักบินและผู้โดยสาร จำเป็นต้องติดตั้งตัวลดการสั่นสะเทือนของแกนหมุนสองตัว และหากตัวลดการสั่นสะเทือนของแกนหมุนตัวใดตัวหนึ่งเสีย จะทำให้ต้องจำกัดการบินที่ระดับความสูงต่ำ และอาจรวมถึง ความเร็ว Mach ที่ต่ำกว่า ด้วย เนื่องจากความเสถียรของการหมุนตัวแบบดัตช์จะดีขึ้น

การหมุนวนเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติ เครื่องบินส่วนใหญ่ที่ปรับแต่งสำหรับการบินตรงและระดับ หากบินโดยยึดคันบังคับไว้กับที่ ในที่สุดจะเกิดการดิ่งลงแบบหมุนวนที่แคบลง^{[ 2 ]}หากเข้าสู่การดิ่งลงแบบหมุนวนโดยไม่ตั้งใจผลที่ตามมาอาจถึงแก่ชีวิตได้

การดิ่งลงแบบเกลียวไม่ใช่การหมุน แต่เริ่มต้นจากการรบกวนแบบสุ่ม ทำให้การเอียงและการเพิ่มความเร็วเพิ่มขึ้น ไม่ใช่จากการเสียการทรงตัวหรือแรงบิด หากนักบินไม่แก้ไขอย่างทันท่วงที อาจนำไปสู่ความเสียหายทางโครงสร้างของลำตัวเครื่องบิน ได้ ไม่ว่าจะเป็นผลจากแรงกดทางอากาศพลศาสตร์ ที่มากเกินไป หรือการชนพื้นดิน ในตอนแรก เครื่องบินแทบจะไม่แสดงสัญญาณใดๆ ว่ามีอะไรเปลี่ยนแปลง นักบินยังคงรู้สึกว่าเครื่องบินกำลังเอียงลง แม้ว่าเครื่องบินจะเอียงออกจากแนวดิ่งมากขึ้นเรื่อยๆ ก็ตาม ใน สภาพการบิน แบบ VFRนักบินจะแก้ไขการเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากระดับโดยใช้เส้นขอบฟ้าจริงโดยอัตโนมัติ แต่ในสภาพ IMC หรือสภาพมืด การเบี่ยงเบนอาจไม่เป็นที่สังเกต การเอียงจะเพิ่มขึ้น และแรงยกซึ่งไม่เป็นแนวตั้งอีกต่อไป ไม่เพียงพอที่จะพยุงเครื่องบินได้ จมูกเครื่องบินจะลดลงและความเร็วจะเพิ่มขึ้น การดิ่งลงแบบเกลียวได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว

สมมติว่าเครื่องบินกำลังหมุนไปทางขวา เกิดการลื่นไถลด้านข้าง ส่งผลให้เกิดการไหลแบบลื่นไถลจากขวาไปซ้าย ทีนี้ลองพิจารณาแรงที่เกิดขึ้นทีละอย่าง โดยเรียกแรงที่เข้ามาทางขวาว่า yaw-in แรงที่เข้ามาทางซ้ายว่า yaw-out หรือ roll-in หรือ roll-out แล้วแต่กรณี การไหลแบบลื่นไถลนี้จะ:

• ดันครีบหาง หางเสือ และส่วนด้านข้างอื่นๆ ที่อยู่ด้านหลังจุดศูนย์ถ่วงของเครื่องบินไปทางซ้าย ทำให้เกิดการหันเหไปทางขวา
• ผลักส่วนด้านข้างที่อยู่ด้านหน้าจุดศูนย์ถ่วงไปทางซ้าย ทำให้เกิดการเหวี่ยงออกไปทางซ้าย
• ดันปลายปีกด้านขวาขึ้น ปลายปีกด้านซ้ายลง เกิดการเลี้ยวออกทางซ้ายเนื่องจากมุมไดเฮดรัล
• ทำให้ปีกซ้ายหมุนเร็วขึ้น ปีกขวาหมุนช้าลง เกิดการหมุนตัวเข้าด้านใน
• ดันส่วนด้านข้างของเครื่องบินที่อยู่เหนือจุดศูนย์ถ่วงไปทางซ้าย ซึ่งเป็นการกลิ้งออกไป
• ดันส่วนด้านข้างของเครื่องบินที่อยู่ต่ำกว่าจุดศูนย์ถ่วงไปทางซ้าย ซึ่งเป็นการหมุนตัวลงจอด

นอกจากนี้ แรงทางอากาศพลศาสตร์ยังเกิดขึ้นจากตำแหน่งแนวตั้งสัมพัทธ์ของลำตัวเครื่องบินและปีก ทำให้เกิดแรงงัดให้เครื่องบินเอียงเข้าด้านในหากลำตัวเครื่องบินอยู่เหนือปีก เช่น ในรูปแบบปีกต่ำ หรือทำให้เกิดแรงงัดให้เครื่องบินเอียงออกด้านนอกหากอยู่ต่ำกว่าปีก เช่น ในรูปแบบปีกสูง

ใบพัดที่หมุนด้วยกำลังเครื่องยนต์จะส่งผลต่อการไหลของอากาศที่ผ่านใบพัด ผลกระทบนั้นขึ้นอยู่กับการตั้งค่าคันเร่ง (สูงที่รอบเครื่องยนต์สูง ต่ำที่รอบเครื่องยนต์ต่ำ) และท่าทางการบินของเครื่องบิน

ดังนั้น การดิ่งลงแบบหมุนวนจึงเกิดจากการหักล้างของแรงหลายอย่าง ซึ่งขึ้นอยู่กับส่วนหนึ่งของการออกแบบเครื่องบิน ส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับท่าทางการบิน และส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับการตั้งค่าคันเร่ง (เครื่องบินที่ออกแบบมาไม่เหมาะสมจะดิ่งลงแบบหมุนวนขณะใช้กำลังเครื่องยนต์ แต่จะไม่เป็นเช่นนั้นขณะร่อนลง)

เครื่องบินที่กำลังดิ่งลงจะมีพลังงานจลน์ (ซึ่งแปรผันตามกำลังสองของความเร็ว) มากกว่าตอนที่บินตรงและอยู่ในระดับเดียวกัน ในการกลับขึ้นสู่ระดับปกติ การกู้คืนจะต้องกำจัดพลังงานส่วนเกินนี้อย่างปลอดภัย ลำดับขั้นตอนคือ:

• ปิดเครื่องทั้งหมด
• บินให้ได้ระดับขนานกับเส้นขอบฟ้า หรือหากมองไม่เห็นเส้นขอบฟ้า ให้บินตามเครื่องมือวัด
• ลดความเร็วลงโดยใช้แรงกดเบาๆ ที่คันบังคับจนกว่าจะได้ความเร็วที่ต้องการ
• ปรับระดับให้คงที่ โดยระวังแนวโน้มที่เครื่องบินจะเชิดหัวขึ้นขณะที่ปีกเครื่องบินถูกปรับให้อยู่ในระดับเดียวกัน จากนั้นจึงเพิ่มกำลังเครื่องยนต์

การสั่นสะเทือนอาจเกิดขึ้นตามแนวยาวหรือแนวขวางเนื่องจากการกระฉอกของเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทราบกันดีว่าส่งผลกระทบต่อเครื่องบินหลายลำ รวมถึงDouglas A4D , Lockheed P-80 , Boeing KC-135 , Cessna T-37และNorth American YF-100ผลกระทบจะน้อยที่สุดเมื่อถังเชื้อเพลิงเต็มหรือเกือบว่างเปล่า: ถังที่เต็มจะมีมวลมากแต่มีการเคลื่อนไหวน้อย ในขณะที่ถังที่เกือบว่างเปล่าจะมีการเคลื่อนไหวมากขึ้นแต่มีมวลน้อย การกระฉอกของเชื้อเพลิงสามารถลดลงได้โดยการติดตั้งแผ่นกั้นในถังเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้จะเพิ่มมวลและลดความจุของเชื้อเพลิง^{[ 3 ] : 419}

• กลศาสตร์การบินของเครื่องบิน
• การบินแบบมองเห็นได้
• การบิน
• พลศาสตร์การบิน